Расчёт реактора для конверсии оксида углерода водяным паром в ХТС производства аммиака

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Влияние температуры и избытка пара в парогазовой смеси на равновесие реакции конверсии оксида углерода водяным паром

2. Кинетические расчёты и теоретическая оптимизация процесса

3. Расчёт реактора

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Аммиак (NH₃) является одним из основных веществ, применяемых в промышленности, и наиболее важным азотсодержащим продуктом. Для получения аммиака требуется водород и азот. Азот выделяют из атмосферного воздуха. Поскольку ресурсы атмосферного азота огромны, то сырьевая база азотной промышленности в основном определяется вторым видом сырья -- топливом, применяемым для получения водорода, или водородсодержащего газа [1].

В настоящее время основным сырьем в производстве аммиака является природный газ. РФ располагает богатыми запасами природного газа. Поскольку аммиак производится из газа, то предприятия по производству азотных удобрений размещаются в районах распространения газовых ресурсов (Северный Кавказ) и вдоль трасс магистральных газопроводов (Центр, Поволжье, Северо-Запад).

Основные производители в российской Федерации: «Тольяттиазот», Самарская обл.; ОАО «Невинномысский Азот» Ставропольский край; ОАО «Акрон», г. Новгород; ОАО «Череповецкий «Азот», Вологодская обл.; ОАО «Азот», г. Кемерово; ОАО «Минудобрения», Воронежская обл.; ОАО «Кирово-Чепецкий химический комбинат им. Б.П. Константинова», Кировская обл., ОАО «Азот», Пермская обл., ЗАО «Куйбышевазот», Самарская обл., ОАО «Минеральные удобрения», г. Пермь.

Применение аммиака. Основная область применения аммиака - производство азотсодержащих удобрений (80% всего аммиака). Он используется для получения азотной кислоты и нитратов, эфиров азотной кислоты и нитросоединений, взрывчатых веществ различного типа, а также в качестве хладагента, при производстве бумажной массы, в медицинской промышленности.

Производство аммиака в условиях промышленности основано на взаимодействии азота и водорода. Такой способ получения вещества был назван процессом Габера в честь немецкого физика, который разработал физико-химическую основу метода.

Синтез аммиака рекомендуется проводить при оптимально низкой температуре и высоком давлении. Использование пористого железа в качестве катализатора позволяет достигнуть равновесного состояния. Оптимальным является соотношение температуры в 500 градусов Цельсия и давления в 350 атмосфер при наличии катализатора. В этом случае выход аммиака составляет 30 процентов.

Производство аммиака состоит из нескольких стадий:

1 стадия. Удаление серы и сернистых соединений из природного газа.

Они являются сильнодействующими каталитическими ядами и вызывают коррозию аппаратуры.

В зависимости от содержания соединений серы в природном газе используется очистка адсорбционным методом с использованием синтетических цеолитов (молекулярных сит) или очистка методом каталитического гидрирования (на алюмокобальтмолибденовом или алюмоникельмолибденовом катализатора при температуре 350-400⁰С и давлении 2-4 МПа) и последующего поглощения H₂S оксидом цинка.

H₂ + RSH > RH + H₂S (газ)

ZnO + H₂S > ZnS + H₂O

2 стадия. Получение водорода методом конверсии метана:

Конверсию метана осуществляют при температуре 800 - 900 °С на никелевом катализаторе в трубчатой печи.

При увеличении расхода водяного пара такой же степени разложения метана можно достичь при более низких температурах. Применение давления существенно снижает полноту конверсии. Так, при давлении 3 МПа достаточно полная конверсия наблюдается лишь при температуре около 1100 ⁰С.

В современных установках при давлении 2 МПа и выше при соотношении (СН₄:Н₂) = 1:4 остаточное содержание метана после паровой конверсии составляет 8--10 %. Для достижения остаточного содержаний СН₄ около 0,5 % конверсию ведут в две стадии: паровая конверсия под давлением (первая стадия) и паровоздушная конверсия с использованием кислорода воздуха (вторая стадия). (На высокотемпературном алюмохромовом и высокоактивном Ni-катализаторах при температуре 1000--1250 °С и давлении до 3,2 МПа).

При этом получается синтез-газ стехиометрического состава и отпадает необходимость в разделении воздуха для получения технологического кислорода и азота.

CH₄ + H₂O > CO + 3H₂

CH₄ + 2H₂O > CO₂+4H₂

3 стадия. Двухступенчатая конверсия моннооксида углерода

Для увеличения выхода водорода газ после конверсии метана восстанавливают водяным паром. (в реакторе высокотемпературной конверсии на Fe-Cr катализаторе при температуре до 430 °С и в реакторе низкотемпературной конверсии на Zn-Cu катализаторе до 250°С);

Остаточная концентрация СО составляет 0,3 - 0,5%.

CO + H₂O > CO₂ + H₂

Очистка от воды. Смесь газов охлаждают до 40 ⁰С. При этой температуре вода конденсируется и затем удаляется.

Технологические газы после рифрминга природного газа и паровой конверсии оксида углерода (2) используется для синтеза аммиака и спиртов. Кислородсодержащие соединения являются ядами для катализаторов синтеза аммиака и метанола. Кислородсодержащие примеси (Н₂О, СО, СО₂ и О₂) в синтез-газе отравляюще действуют на катализатор синтеза аммиака, снижая его производительность. Допустимое содержание различных кислородсодержащих примесей в азотоводородной смеси, направляемой на синтез аммиака, не должно превышать 0,002%, хотя количество отдельных компонентов может колебаться. Технологический газ перед очисткой содержит в своем составе 15-30 % СО₂ и 0,3 - 4,0 % СО, кислород после паровой конверсии оксида углерода (2) полностью отсутствует, а водяной пар конденсируется при охлаждении.

Поэтому следующей стадией технологического процесса является очистка газа от СО и СО2.

4 стадия. Очистка газа от диоксида углерода.

Диоксид углерода удаляется горячим раствором поташа при давлении 1,9-- 2,73 МПа и регенерация насыщенного раствора бикарбоната калия при нагревании или с помощью моноэтаноламина, или за счет адсорбции под давлением на цеолитах.

5 стадия. Тонкая очистка газа от CO и CO2 (метанирование) на Ni-катализаторе при температуре до 375 °С и давлении 1,9--2,7 МПа; к

Степень улавливания CO₂ - 99,9 %

CO + 3H₂ > CH₄ + H₂O

CO₂ + 4H₂ > CH₄ +2H₂O

Оставшиеся газы CO и CO₂ возвращаются на стадию конверсии метана

6 стадия. Синтез аммиака

После очистки газа от оксидов углерода он поступает на синтез аммиака. Получение NH3 протекает на железном катализаторе при температуре 420--450 °С и давлении 3,20 МПа. В одном цикле степень конверсии составляет 26 %

3H₂ + N₂ > 2NH₃

Производство аммиака в промышленности использует принцип циркуляции, которых заключается в возврате исходной смеси азота и водорода в колонну синтеза с помощью циркулярного насоса. Такой способ является экономически выгодным, чем повышение более высокого выхода аммиака за счет повышения давления.

Технологическая схема синтеза аммиака [2]

1-компрессоры; 2-подогреватели; 3-реактор гидрирования сероорганических соединений; 4-адсорбер H₂S; 5-трубчатая печь (первичный риформинг); 6-шахтный конвертор (вторичный риформинг); 7-паровые котлы; 8-конверторы СО; 9-абсорбер СО₂; 10-кипятильник; 11 -регенератор раствора моноэтаноламина; 12-насос; 13-аппарат для гидрирования остаточных СО и СО₂; 14-воздушные холодильники; 15-конденсационная колонна; 16-испаритель жидкого NH₃ (для охлаждения газа и выделения NH₃); 17-колонна синтеза NН₃; 18-водоподогреватель; 19-теплообменник; 20-сепаратор.

Исходные данные

1. Состав сухой смеси после конверсии природного газа или на входе в реактор ВТК: