МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ТЕХНОЛОГИИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И ОБЩЕЙ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ:
«ТЕХНОЛОГИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ»
на тему: «ОТДЕЛЕНИЕ ОДНОСТУПЕНЧАТОЙ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ПАРОВОЗДУШНО-КИСЛОРОДНОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНА»
ВЫПОЛНИЛА:
ст-ка IV курса
Специальность: «080502-с»
Шифр:407201
Комарькова С.В.
ПРОВЕРИЛА:
Тарчигина Н.Ф.
Москва 2010 г.
СОДЕРЖАНИЕ
лист
1.Задание…………………………………………………………………………..3
2.Введение…………………………………………………………………………4
3.Промышленные методы производства синтетического аммиака и их технико-экономическая оценка…………………………………………………..5
4.Физико-химические свойства процесса……………………………………….8
5.Описание технологической схемы получения азото - водородной смеси из природного газа…………………………………………………………………...9
6.Материальный расчет……………………………………………...………….11
7.Тепловой расчет……………………………………………………………….22
8. Аппаратурно-технологическое оформление конверсии метана..…………27
9.Отходы и выбросы данного технологического производства……………...29
10.Техника безопасности..………………………………………………………31
11.Список литературы..…………………………………………………………32
1.ЗАДАНИЕ
Выполнить материальный расчет и отразить графически. По следующим данным:
Отделение одноступенчатой каталитической паровоздушно-кислородной конверсии метана; представительный аппарат – шахтный конвектор.
Производительность отделения по природному газу составляет 5500нм3/ч;
Состав природного газа
Метан – 95%
Этан – 1%
Азот – 4%
Объемное отношение пара и газа на входе в конвектор метана 1:1
Температура парогазовой смеси на входе в конвектор 600°С
Температура газовой смеси на выходе из конвектора 830°С
Степень конверсии метана 98%
Состав кислородно-воздушной смеси,
воздух об.% 65%
Кислород 35%
Состав воздуха об.%
Азот 78,005%
Кислород 20,99%
Аргон 0,96%
Состав технического кислорода об.% 98%
Азот 1%
Аргон 1%
Соотношение метана и кислорода на входе ( по объему) 1:6
Давление в конвекторе (н/м2) 1,7*105
Состав конвертированного газа соответствует равновесному составу конвертированной окиси углерода водяным паром (Н2, СО2, Н2О) при 830°С.
2.ВВЕДЕНИЕ
Синтетический аммиак и продукты, получаемые на его основе, имеют исключительно важное значение в развитии многих отраслей промышленности и особенно в поднятии урожайности сельскохозяйственных культур. Аммиак применяется для получения азотной кислоты, аммиачной селитры, мочевины, сульфата аммония, жидких удобрений, используется в холодильной технике, медицине и других отраслях народного хозяйства.
Основным сырьем для получения синтетического аммиака являются азот и водород, получаемые разными методами из различного сырья. Экономически наиболее выгодно получение смеси азота и водорода (синтез – газ) из природного газа или из попутных газов нефтяной промышленности.
Природный газ представляет собой смесь, состав которой колеблется в довольно широких пределах в зависимости от месторождения газа. Однако вне зависимости от месторождения основным компонентом является метан, содержание которого изменяется от 78 до 98%. Поэтому при изучении путей использования природного газа будем рассматривать его как метан.
Получить водород из метана можно тремя способами:
-конверсией с водяным паром;
-конверсией с углекислым газом;
-неполным окислением кислородом.
В том случае когда конверсию метана проводят водяным паром, нужно компенсировать расход тепла на реакцию, а азот, необходимый для синтеза аммиака, вводить извне. При конверсии углекислым газом расход тепла еще больше, а азот также нужно вводить извне. При неполном окислении метана кислородом тепло выделяется, а азот можно подавать в составе воздуха. Тепла выделяется столько, что возникает необходимость отвода его избытка.
В данном курсовом проекте рассматривается потенциальная схема синтеза аммиака, включающая в себя одноступенчатую конверсию метана водяным паром. Используемый аппарат – шахтный конвектор.
3.ПРОМЫШЛЕННЫЕ МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА СИНТЕТИЧЕСКОГО АММИАКА И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА
С производством синтетического аммиака связана одна из важнейших проблем - фиксация атмосферного азота. Совершенствование производства синтетического аммиака идет по пути создания агрегатов большой единичной мощности. Критерием совершенства технологии фиксации N2 могут служить удельные энергетические затраты на производство 1 т NH3. В современных агрегатах, работающих по энерготехнологической схеме, удельный расход энергии составляет в среднем 33,5 ГДж/т.
В издержках производства аммиака энергетические затраты составляют 68%. Расход энергии на аммиачном агрегате мощностью 1360 т/сут равен 36,4 ГДж/т аммиака, в том числе 17,6 ГДж/т в качестве сырья и 18,8 ГДж/т в качестве топлива, из них 6,3 ГДж/т теряется в атмосферу.
Стоимость аммиака зависит от метода получения H2. Из известных способов производства Н2 предпочтительнее парокислородная конверсия природного газа и конверсия природного газа водяным паром под давлением 3 МПа.
Получение водорода из природного газа включает в себя следующие операции: компримирование и сероочистку природного газа в две ступени (гидрирование сероорганических соединений до сероводорода на кобальто-молибденовом катализаторе при 340—400°С и поглощение образовавшегося сероводорода оксидом цинка); паровая конверсия природного газа (первичный риформинг в радиантной камере трубчатой печи на никелевом катализаторе при давлении 3,23 МПа и температуре до 80 °С); паровоздушная конверсия (вторичный риформинг) остаточного метана кислородом воздуха и паром при одновременном обеспечении необходимого соотношения Н2:N2 в синтез-газе в шахтном конвертере на высокотемпературном алюмохромовом и высокоактивном Ni-катализаторах при температуре 1000—1250 °С и давлении до 3,2 МПа; конверсия оксида углерода в две ступени (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); очистка конвертированного газа от CO2 горячим раствором поташа при давлении 1,9— 2,73 МПа и регенерация насыщенного раствора бикарбоната калия при нагревании либо очистка с помощью моноэтаноламина; тонкая очистка газа от CO и CO2 (метанирование) на Ni-катализаторе при температуре до 375 °С и давлении 1,9—2,7 МПа; компримирование синтез-газа, синтез аммиака при температуре 420—450 °С и давлении 3,20 МПа, конденсация и сепарация жидкого аммиака.
Cнижение удельного потребления энергоресурсов достигается путем модернизации крупнотоннажных агрегатов в узлах предварительного подогрева воздуха, идущего на сжигание в печь конверсии, внедрения улучшенной системы удаления СО2, оптимизации давления в процессе синтеза, регенерации водорода из продувочных газов, совершенствования конструкции конвертера синтеза аммиака, использования новых, более эффективных катализаторов и проведения ряда других мероприятий. Снижение потребления энергии - на 10%.
Предложено для удаления СО2 из синтез-газа применять вместо хемосорбции СО2 физическую абсорбцию. В качестве абсорбента используется полипропиленкарбонат вместо карбоната калия и моноэтаноламина. Растворитель регенерируют снижением давления и последующей продувкой воздухом. При этом резко снижаются затраты энергии на регенерацию растворителя, которые необходимы в случае применения моноэтаноламина. Расход пара в процессе физической абсорбции в 40 раз выше, но расход электроэнергии в 10 раз меньше. Общая экономия энергии в процессе физической абсорбции - 5-10%.
Экономии энергии способствует регенерация водорода из продувочных газов. Одна из фирм США предложила регенерировать водород из продувочных газов на криогенной установке. Регенерируемый водород направляется в компрессор синтез-газа, а остаточный газ используют в качестве топлива в печах первичной конверсии. В результате степень использования водорода повышается с 92—95% до 99,5%. Общая экономия составляет около 2,9 ГДж/т аммиака.
Ключевой элемент в технологии синтетического аммиака — его синтез из элементов, поэтому усилия направлены повышение эффективности катализатора, снижение температуры процесса и создание новых, более компактных конструкций реактора. Например, степень конверсии может быть повышена с 16 до 22—25%, а суммарный расход энергии снижен до 26,8 ГДж/т.аммиака.
Дальнейшее снижение энергозатрат при производстве NH3 будет зависеть от выбора процесса сепарации NH3. Если бы в производстве NH3 удалось осуществить процесс сепарации при небольшом охлаждении, то энергию, идущую на вторичный подогрев, можно было бы сэкономить и направить на другие нужды. Экономии энергии можно добиться и снижением содержания азота в воздухе на стадии вторичной конверсии, в результате чего необходимая температура может быть достигнута сжиганием меньшего количества топлива.
4.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОЦЕССА
Взаимодействие метана с водой протекает на никельсодержащем катализаторе и представлено двумя реакциями:
СН4+Н2О=СО+3Н2-Q1; (1)