курсовая. Ассановой Софьи Сергеевны Тема курсовой работы Паровая конверсия метана в производстве аммиака Содержание пояснительной записки Введение. Сжатое изложение
 Скачать 0.99 Mb.
|
 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Пермский национальный исследовательский политехнический университет Кафедра Химические технологии Курсовая работа по курсу ОХТ Паровая конверсия метана в производстве аммиака Выполнила: студентка гр. ТНВ-15-1б Ассанова С. Проверил: доцент к.т.н. Саулин Д.В. Пермь, 2017 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Пермский национальный исследовательский политехнический университет Кафедра Химические технологии ЗАДАНИЕ к курсовой работе по ОХТ студента(ки) Ассановой Софьи Сергеевны Тема курсовой работы Паровая конверсия метана в производстве аммиака Содержание пояснительной записки Введение. Сжатое изложение существа работы.
Заключение и выводы. Графическая часть должна содержать: 1. Технологическую схему производства 2. Эскиз основного аппарата Дополнительное задание_____________________________________________________________ Руководитель курсовой работы: к.т.н., доцент Д.В. Саулин______________________________ Срок защиты курсовой работы: __________________________________________ Заведующий кафедрой ХТ, д.т.н., профессор В.З. Пойлов СодержаниеВведение Аммиак - 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. 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) [1] Состав природного газа в зависимости от месторождения изменяется следующим образом метан – 35-99%, этан – 1-10 (пропан + бутан) – до 10. С5 – углеводороды и выше 1-5%, остальное азот, углекислый газ, сернистые соединения, гелий. Первичная переработка природного газа должна включать следующие этапы:
Основным методом переработки природного газа является двухступенчатая конверсия метана. Так в данной работе будет рассмотрена паровая конверсия метана в производстве аммиака. 1. Выбор и обоснование источников сырья, энергоресурсов, географической точки строительства 1.1 Источники сырья Сырьем в производстве аммиака является азотоводородная смесь (АВС) стехиометрического состава N2 : H2 = 1 : 3. Азот получают из атмосферного воздуха, водород, может быть получен разделением обратного коксового газа, газификацией твердого топлива, конверсией природного газа. 90% аммиака вырабатывается на основе природного газа, так как в России запасы природного газа велики. [3] 1.2. Источники энергоресурсов Процесс производства аммиака характеризуется большой энергоемкостью, что является главным его недостатком. Именно поэтому постоянно ведутся научные разработки, которые призваны решить проблемы экономии энергии. В частности, разрабатываются способы утилизации выделенной энергии, а также совмещение, например, производства аммиака и карбамида. Все это способствует удешевлению деятельности предприятий и повышению их полезной отдачи. Первостепенным энергоресурсом будет являться электроэнергия, расходуемая на работу оборудования: насосы, компрессоры, установок, предназначенных для нагрева (котлы, печи) посредством электрической энергии. Помимо технологического применения электричество используется для освещения производственных помещений. Основным теплоносителем и хладагентом будет являться водяной пар и вода. [4] 1.3. Выбор географической точки строительства Для обоснования географической точки строительства необходимо наличие следующих факторов: 1.Водный фактор. Вода в конверсии метана играет решающую роль( источник пара), следовательно предприятие должно находится вблизи больших объемов водных ресурсов. 2. Энергетический фактор. Суммарная потребность в энергоресурсах вследствие больших объемов производства очень значительна. Поэтому дальнейшее развитие энергоемких производств наиболее эффективно в восточных районах, прежде всего в Сибири, на базе имеющихся там богатых и дешевых энергоресурсов. 3. Наличие квалифицированных кадров 4. Земельный фактор. Нужно выбирать место расположения производства паровой конверсии метана вблизи предприятий по производству аммиака, чтобы не тратить время на перевозку продуктов конверсии. 5. Сырьевой фактор. Близость к месторождению и добыче природного газа. 6.Транспортный фактор. Близость к транспортным путям, чтобы обеспечить быструю доставку природного газа 7.Климатический фактор. Благоприятные климатические условия 8. Наличие потребителей [5] 2. Выбор и обоснование способа производства
Твердое топливо было первым из основных источников сырья для получения синтез-газа. Оно перерабатывалось в газогенераторах водяного пара по реакциям: C + H2O = CO + H2 – Q (2.1) C + O2 = CO2 + Q (2.2) Полученный водяной газ содержит 50-53% Н2 и примерно 36% СО. Для дальнейшего использования в производстве водяной газ необходимо очистить от сернистых соединений и провести конверсию углерода по реакции (2.3), а затем удалить диоксид углерода полностью в случае его применения для синтеза аммиака. CO + H2O = CO2 + H2 + Q (2.3) Недостатками процесса являются его периодичность, низкая единичная производительность газогенератора, а также высокие требования к сырью по количеству и температуре плавления золы, его гранулометрическому составу и другим характеристикам.
По схемам переработки в синтез-газ жидкие топлива можно разделить на две группы. Первая группа включает в себя топлива, перерабатываемые высокотемпературной кислородной конверсией. Сюда относят тяжелые жидкие топлива: мазут, крекинг-остатки и т.п. Вторая группа – легкие прямоточные дистилляты (нафта), имеющие температуру кипения не выше 200-220ºС. Она включает в себя бензины, лигроины, смеси светлых дистиллятов. Эта группа перерабатывается в синтез-газ каталитической конверсией водяным паром в трубчатых печах. Высокотемпературная кислородная конверсия жидких топлив за рубежом реализована в процессах, в которых жидкое топливо под давлением проходит через подогреватель, откуда при температуре 400-600ºС поступает в газогенератор. Туда же подают подогретый кислород и перегретый водяной пар. Синтез-газ очищают от сажи, а затем направляют на очистку от сернистых соединений. После этого газ, в состав которого входят 3-5% СО2, 45-48% СО, 40-45% Н2, а также определенные количества метана, азота и аргона, проходит конверсию СО и очистку от СО2. Недостатками процесса являются высокий расход кислорода, выделение сажи, а также сложность системы. Переработка в синтез-газ легко выкипающих жидких топлив каталитической конверсией водяным паром в трубчатых печах предусматривает в качестве первых технологических операций испарение жидкого топлива и его тщательную очистку от примесей. Далее пары углеводородов смешивают с перегретым водяным паром и подают в реакционные трубы трубчатой печи, заполненные никелевым катализатором. Достоинствами метода являются возможность получения синтез-газа под давлением, легкость регулирования состава синтез-газа, малый расход электроэнергии. Недостатки – высокие требования к углеводородному составу исходного сырья по содержанию в нем непредельных и циклических углеводородов, серы и других примесей, большой удельный расход углеводородов.
Синтез-газ из углеводородных газов (природного, попутного, газов переработки других топлив) является основным источником получения аммиака. По используемому окислителю и технологическому оформлению можно выделить следующие варианты процесса получения водород-содержащих газов: высокотемпературная кислородная конверсия, каталитическая парокислородная конверсия в шахтных реакторах, каталитическая пароуглекислотная конверсия в трубчатых печах. Окисление метана (основного компонента углеводородных газов) при получении синтез-газа протекает по следующим основным суммарным реакциям: СН4 + 0,5О2 = СО + 2Н2 + Q (2.4) СН4 + Н2О = СО + 3Н2 - Q (2.5) СН4 + СО2 = 2СО + 2Н2 - Q (2.6) Одновременно протекает реакция 2.3. Конвертированный газ может быть получен каталитической конверсией углеводородов с водяным паром, диоксидом углерода, кислородом и воздухом. После паровой конверсии остаточное содержание метана составляет 8-10%. Для достижения остаточного содержания СН4 примерно 0,5% конверсию ведут в две стадии: паровая конверсия под давлением и паровоздушная конверсия с использованием кислорода воздуха. Получается синтез-газ стехиометрического состава и отпадает необходимость в разделении воздуха для получения технологического кислорода и азота. Недостаток - значительный расход природного газа на наружный обогрев реакционных трубок с катализатором открытым огнем сжигаемого природного газа для поддержания требуемой температуры и потребление энергии. [6] Вывод: Более выгодно использовать способ получения синтез-газа из природного газа. 3. Обоснование оптимальных параметров технологического процесса 3.1. Термодинамический анализ Согласно данным литературы [7], процесс паровой конверсии метана с протекает по двум реакциям: В первой реакции метан взаимодействует с водяным паром с образованием монооксида углерода и водорода 1.СН4 + Н2О = 3Н2 + СО Во второй, монооксид углерода взаимодействует с водяным паром с образованием диоксида углерода и водорода 2. СО + Н2О = СО2 + Н2 Одновременно с основными реакциями идет побочная, крекинг метана с образованием сажи(углерода) и водорода 3.CH4=C+2H2 Для расчета энергии Гиббса воспользуемся формулой: ΔG = ΔH – T*ΔS Рассмотрим первую реакцию. Термодинамические константы продуктов реакции и исходных веществ взяты из справочной литературы и представлены в таблице 3.1 Таблица 3.1
Расчет ΔH0298 и ΔS0298 проводим по формулам: H0298 = (niH0298)прод – ( niH0298)исх. S0298=(niS0298)прод–(niS0298)исх. H0298 = -110,53 + 241, 81 + 74,85 = 206, 13 кДж/моль т.к. ΔH = -Qp, то Qp = -206, 13 кДж/моль – реакция эндотермическая S0298 = 197, 55 + 130,52*3 – 188,72 – 186,27 = 214,12 Дж/моль*К = 0,214 кДж/моль*К Аналогичные расчеты проведем для второй реакции Термодинамические константы представлены в таблице 3.2 Таблица 3.2
H0298 = -393,51+241,81+110,53 = - 41,17 кДж/моль Qp = 41,17 кДж/моль – реакция экзотермическая S0298 = 213,66 + 130,52 – 188,72 – 197, 55 = - 42,09 Дж/моль*К = - 0,042кДж/моль*К Подобные расчеты проведем для побочной реакции (3) Таблица 3.3
H0298=74,85кДж/моль Qp = -74,85 кДж/моль – реакция эндотермическая S0298 = 5,74+130,53*2-186,27= 80,53 Дж/моль*К = 0,08053кДж/моль*К По данным литературы [7], полная конверсия метана достигается при температуре примерно 800С. Поэтому примем интервал рассматриваемых температур для реакции (1) 800 – 1500К. Рассчитаем ΔG при различных температурах для реакции (1) ΔG800 = 206, 13 кДж/моль – 800 * 0,214 кДж/моль*К = 34,93кДж/моль ΔG900 = 206, 13 кДж/моль – 900 * 0,214 кДж/моль*К = 13,53кДж/моль ΔG1000 = 206, 13 кДж/моль – 1000 * 0,214 кДж/моль*К = -7, 87 кДж/моль ΔG1100 = 206, 13 кДж/моль – 1100 * 0,214 кДж/моль*К = -29,27 кДж/моль ΔG1200 = 206, 13 кДж/моль – 1200 * 0,214 кДж/моль*К = - 50,67 кДж/моль ΔG1300 = 206, 13 кДж/моль – 1300 * 0,214 кДж/моль*К = - 72,07 кДж/моль ΔG1400= 206, 13 кДж/моль – 1400 * 0,214 кДж/моль*К = -93,47 кДж/моль ΔG1500 =206, 13 кДж/моль – 1500* 0,214 кДж/моль*К = -114,87кДж/моль Расчёт изменения энергии Гиббса для реакции (2) ΔG800 = -41,17 кДж/моль + 800 * 0,042 кДж/моль*К = -7,57кДж/моль ΔG900 = -41,17 кДж/моль + 900 * 0,042 кДж/моль*К = -3,37кДж/моль ΔG1000 = -41,17 кДж/моль + 1000 * 0,042 кДж/моль*К = 0,083 кДж/моль ΔG1100 = -41,17 кДж/моль + 1100 * 0,042 кДж/моль*К = 5,03 кДж/моль ΔG1200 = -41,17 кДж/моль + 1200 * 0,042 кДж/моль*К = 9,23 кДж/моль ΔG1300 = -41,17 кДж/моль + 1300 * 0,042 кДж/моль*К=13,43 кДж/моль ΔG1400 = -41,17 кДж/моль + 1400 * 0,042 кДж/моль*К=17,63 кДж/моль ΔG1500 = -41,17 кДж/моль + 1500 * 0,042 кДж/моль*К = 21,83кДж/моль Расчёт изменения энергии Гиббса для побочной реакции ΔG800 = 74,85 кДж/моль - 800 * 0,08053 кДж/моль*К = 10,426кДж/моль ΔG900 = 74,85 кДж/моль - 900 * 0,08053 кДж/моль*К = 2,373кДж/моль ΔG1000 = 74,85 кДж/моль - 1000 * 0,08053 кДж/моль*К = −5,68кДж/моль ΔG1100 = 74,85 кДж/моль - 1100 * 0,08053 кДж/моль*К = −13,733кДж/моль ΔG1200 = 74,85 кДж/моль - 1200 * 0,08053 кДж/моль*К = −21,786кДж/моль ΔG1300 = 74,85 кДж/моль - 1300 * 0,08053 кДж/моль*К = −29,839кДж/моль ΔG1400 = 74,85 кДж/моль - 1400 * 0,08053 кДж/моль*К = −37,892кДж/моль ΔG1500 = 74,85 кДж/моль - 1400 * 0,08053 кДж/моль*К = −45,945кДж/моль Зависимость энергии Гиббса (кДж/моль) от температуры (К) представлена в таблице 3.4 |