проект конвертора СО первой ступени в технологической цепочке двухступенчатой конверсии природного газа.

Заключение

В курсовой работе были рассмотрена рол водорода в химической технологии, способы его получения. Технологическая схема. Физико-химические основы технологии. Конверсия природного газа. Способы очистки от кислородсодержащих газов, катализаторы процесса.
Рассмотрены варианты конструкции конверторов, их преимущества и недостатки. Рассчитаны материальный и тепловой балансы.

...

Оглавление
Введение 3
1. Аналитический обзор 5
1.1. Роль водорода в химической технологии, способы его получения. Технологические схемы 5
1.2. Конверсия природного газа 7
1.3. Способы очистки от кислородсодержащих газов, катализаторы процесса 13
2. Главная часть 16
2.1. Конструкции конверторов 16
2.2. Материальный и тепловой балансы 20
Заключение 24
Список литературы 25

Введение

Синтез-газ из углеводородных газов (природного, попутного, газов переработки других топлив) сейчас является главным источником производства аммиака и метанола. По применяемому окислителю и технологическому оформлению стоит выделить такие варианты процесса производства водородсодержащих газов: высокотемпературная кислородная конверсия, каталитическая парокислородная конверсия в шахтных реакторах, каталитическая пароуглекислотная конверсия в трубчатых печах.
Окисление метана (главного компонента углеводородных газов) при производствесинтез-газа протекает по такимглавным суммарным реакциям:
CH4+0,5O2 = CO + 2H2; ΔH = -36,7кДж
СН4+ Н2О = СО + ЗН2; Δ Н = 205,6 кДж
СН4+СО2 = 2СО + 2Н2; ΔH = 249,2кДж
Состав конвертированного газа обязан удовлетворять установленным требованиям. Он х арактеризуется стехиометрическим показателем конверсии, который разнообразен для разных производств и составляет:
Продукт s
Аммиак...................................….. (H2 +CO):N2 3,08—3,9
Метанол..................................…….(Н2+СО):(СО2+Н2О) 2,1—2,3
Высшие спирты…………………..Н2:СО 0,8—1,1
Не обращая внимания на значительномногообразные требования к конвертированному газу, все его разновидности могут быть получены каталитической конверсией углеводородов с водяным паром, диоксидом углерода, кислородом и воздухом.
Для производства дополнительных количеств водорода и снижения до минимума концентрации оксида углерода в конвертированном газе осуществляют самостоятельную стадию каталитической конверсии СО водяным паром.
Тема курсового проекта отдана проектированию реактора конверсии СО первой ступени, работающей в составе установки конверсии природного газа.

при этом протекают также следующие реакции:CnHm + O2 => nCO +  H2CnHm + (n +)O2 => nCO2 +  H2OРеакции эти практически необратимы, преобладание одной из них зависит от количества окислителя и параметров процесса. Реакции высоко экзотермичны и могут служить источником энергии для осуществления эндотермических реакций.Реакции конверсии углеводородов относятся к гомолитическим, т.е. сопровождающимся разделением электронов в электронных парах молекул. Катализаторами конверсии углеводородов являются d-металлы, главным образом VIII Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Металлы по своей активности в реакции паровой конверсии метана располагаются в следующий ряд:Fe < Co < Ni < Ru < Rh < Pt < PdБлагородные металлы обладают высокой активностью, но дороги, и все применяемые в промышленности в настоящее время катализаторы в качестве активного компонента содержат никель. Никелевые катализаторы паровой конверсии готовят в основном двумя способами: нанесением активного компонента на предварительно подготовленный носитель (его многократно пропитывают растворами солей никеля и промоторов) или соосаждением гидроксидов никеля, промоторов и порошкообразного носителя. Для предотвращения рекристаллизации кристаллов никеля на поверхности носителя в состав катализатора вводят промоторы, в качестве которых используют трудновосстановимые оксиды металлов. Эти оксиды проявляют структурирующее действие по отношению к никелю. Эффективность действия промоторов возрастает в ряду:BaO << SrO << CaO < Cr2O3 < BeO < MgO < Al2O3.В свежеприготовленном катализаторе никель находится в форме оксидов, алюминатов и других соединений. Перед началом работы катализатор восстанавливают водородом или оксидом углерода  в соответствии со схемой:NiO + H2=>Ni + H2O,NiO + CO =>Ni  + CO2.В процессе паровой конверсии метана в большинстве случаев фактором, определяющим активность процесса, является подвод тепла через стенку реакционных труб к слою катализатора. Поэтому собственно активность катализатора, как правило, не является лимитирующим фактором.В газах каталитической конверсии углеводородов в зависимости от параметров процесса и сырья содержится 7-26% оксида углерода. В производствах, в которых СО не требуется, в частности в производстве водорода, проводится его конверсия в СО2 водяным паром. При этом образуется дополнительное количество водорода, эквивалентное содержанию в газе СО. Различают среднетемпературную (631-732К) и низкотемпературную (458-525 К) конверсию.В первом случае остаточное содержание СО составляет несколько процентов, во втором – доли процента. После адсорбции СО2 оставшиеся в газе СО и СО2 удаляют гидрированием  на катализаторе при 528-725 К, при этом достигается глубокая очистка от кислородсодержащих соединений.Во втором случае – для низкотемпературной конверсии – применяют в главном железохромовые катализаторы, активным элементом которых является Fе3О4. Добавка оксида хрома замедляет рост кристаллов. Железохромовый катализатор малочувствителен к отравлению сернистыми соединениями, но поглощенная им сера при взаимодействии с водородом образует сероводород, который может вызвать отравление катализатора.Низкотемпературные катализаторы конверсии СО являются более активными и позволяют проводить конверсию при 455-528 К. Высокая активность обусловлена наличием в них металлической меди (20-50%). Содержащиеся также в катализаторе оксиды цинка и алюминия, а иногда и хрома, стабилизируют свойства активной меди, препятствуя ее спеканию.Конвертированный газ после низкотемпературной конверсии СО и очистки от СО2 имеет остаточное содержание СО – 0,3-0,9% и СО2 – 0,02-0,7% в зависимости от способа очистки. Полная очистка от примесей СО и СО2 проводится гидрированием их на катализаторе до образования метана и воды:СО + 3Н2=>СН4 + Н2О,СО2 + 4Н2=>СН4 + 2Н2О.Недостатком этих катализаторов является образование летучих карбонилов никеля – высокотоксичных соединений.Промышленный никельхромовый катализатор, применяемый для очистки от СО и СО2, имеет следующие характеристики:Содержание никеля, % (мас.)……………………..….65-75Содержание окиси хрома, % (мас.)……………….…35-40Содержание графита, % (мас.) .……………………….до 7Пористость, %………………………………………….55-60Насыпная масса, кг/м3…………………………..…….1079Удельная поверхность, м2/г ……………………………172Поверхность никеля, м2/г ……………………………….27В промышленных условиях параллельно происходит гидрирование и оксида, и диоксида углерода. Гидрирование СО не зависит от содержания СО2 в смеси. Напротив, наличие СО в газе мешает гидрированию СО2. Метанирование СО2 почти прекращается, если содержание СО в газе превышает 0,0001-0,0004 м3/м3. Таким образом, если на стадии гидрирование подается смесь оксидов, то первоначально гидрируется СО и потом почти после полного завершения реакции начинает гидрироваться СО2.Для производства чистого водорода газовая смесь должна быть очищена от диоксида углерода. Для этого используют абсорбционные и реже адсорбционные способы очистки:- водную очистку под давлением;- поглощение СО2 водными и другими растворами этаноламинов;- физическую адсорбцию органическими растворителями при комнатной и низкой температуре;- очистку горячими растворами карбонатов;- адсорбцию с десорбцией путем сброса давления.Главный минус водной очистки – огромный расход электроэнергии вследствие невысокой растворимости СО2 в воде. Кроме того, после водяной отмывки нужна доочистка газа другими способами, например раствором щелочи.Сегодня большое распространение получили процессы, основанные на хемосорбции едким кали или моноэтаноламином. Их принципиальный минус в том, что расход тепла на 1 м3 очищаемого газа значительно увеличивается с повышением концентрации СО2 в исходном газе. Поэтому на некоторых установках для адсорбции СО2 применяют органические растворители. В качестве растворителей используют пропиленкарбонат («Флюор-процесс»), N-метилпирролидон («пуризол»), диметиловый эфир («селексол»), метанол («ректизол»).Все эти способы с успехом могут применяться для очистки газов от СО2. Но в связи с технологическими особенностями установок паровой конверсии в трубчатых печах и из экономических соображений наиболее широкое распространение в последние 15-20 лет получили процессы очистки от СО2 растворами моноэтаноламина и едкого кали.1.3. Способы очистки от кислородсодержащих газов, катализаторы процессаДля получения дополнительных количеств водорода и снижения до минимума концентрации оксида углерода в конвертированном газе осуществляют самостоятельную стадию каталитической конверсии СО водяным паром.В соответствии с условиями термодинамического равновесия повысить степень конверсии СО можно удалением диоксида углерода из газовой смеси, увеличением содержания водяного пара или проведением процесса при возможно низкой температуре. Конверсия оксида углерода, как видно из уравнения реакции, протекает без изменения объема, поэтому повышение давления не вызывает смещения равновесия. Вместе с тем проведение процесса при повышенном давлении оказывается экономически целесообразным, поскольку увеличивается скорость реакции, уменьшаются размеры аппаратов, полезно используется энергия ранее сжатого природного газа.Процесс конверсии оксида углерода с промежуточным удалением диоксида углерода применяется в технологических схемах производства водорода в тех случаях, когда требуется получить водород с минимальным количеством примеси метана.Концентрация водяного пара в газе в основном определяется количеством, дозируемым на конверсию метана и оставшимся после ее протекания. Соотношение пар: газ перед конверсией СО в крупных агрегатах производства аммиака составляет 0,5—0,6. Проведение процесса при низких температурах — рациональный путь повышения равновесной степени превращения оксида углерода, но возможный только при наличии высокоактивных катализаторов. Следует отметить, что нижний температурный предел процесса ограничен условиями конденсации водяного пара. В случае проведения процесса под давлением 3—4 МПа этот предел составляет 185—210°С. Снижение температуры ниже точки росы вызывает конденсацию влаги на катализаторе, что нежелательно.Реакция конверсии СО сопровождается значительным выделением теплоты, что обусловило проведение процесса в две стадии при разных температурных режимах на каждой. На первой стадии высокой температурой обеспечивается высокая скорость конверсии большого количества оксида углерода; на второй стадии при пониженной температуре достигается ысокая степень конверсииоставшегося СО. Теплота экзотермической реакции используется для получения пара. Таким образом, нужная степень конверсии достигается при одновременном сокращении расхода пара.Температурный режим на каждой стадии конверсии определяется свойствами применяемых катализаторов. На первой стадии используется железохромовый катализатор, который выпускается в таблетированном и формованном видах. В промышленности широко применяется среднетемпературный железохромовый катализатор. Для железохромового катализатора ядами являются сернистые соединения. Сероводород реагирует с Fe3O4, образуя сульфид железа FeS. Органические сернистые соединения в присутствии железохромового катализатора взаимодействуют с водяным паром с образованием сероводорода.Помимо сернистых соединений отравляющее действие на железохромовый катализатор оказывают соединения фосфора, бора, кремния, хлора. Низкотемпературные катализаторы содержат в своем составе соединения меди, цинка, алюминия, иногда хрома. Известны двух-, трех-, четырех- и многокомпонентные катализаторы. В качестве добавок к указанным выше компонентам применяются соединения магния, титана, палладия, марганца, кобальта и др. Содержание меди в катализаторах колеблется от 25 до 55% (в пересчете на оксид). Наличие в низкотемпературных катализаторах соединений алюминия, магния, марганца сильно повышает их стабильность, делает более устойчивыми к повышению температуры. Перед эксплуатацией низкотемпературный катализатор восстанавливают оксидом углерода или водородом. При этом формируется его активная поверхность. Оксид меди и другие соединения меди восстанавливаются с образованием мелкодисперсной металлической меди, что, по мнению большинства исследователей, и обусловливает его каталитическую активность.Срок службы низкотемпературных катализаторов в основном не превышает двух лет. Одной из причин их дезактивации является рекристаллизация под действием температуры и реакционной среды. При конденсации влаги на катализаторе происходит снижение его механической прочности и активности. Потеря механической прочности сопровождается разрушением катализатора и ростом гидравлического сопротивления реактора. Соединения серы, хлора, а также ненасыщенные углеводороды и аммиак вызывают отравление низкотемпературных катализаторов. Концентрация сероводорода не должна превышать 0,6 мг/м3 исходного газа.2. Главная часть2.1. Конструкции конверторовКонвертор включает в себя корпус, механизм для его наклона, устройство для подъема и опускания кислородной фурмы, оборудование для транспортировки и подачи жидкого чугуна, железного скрапа, вспомогательного сырья и оборудования для обработки отходящих газов. Форма корпуса конвертора обычно грушевидная, симметричная, но применяются конверторы с несколько иной конфигурацией корпуса. Днища у конверторов могут быть не только глухими, но и съемными (приставными или вставными). В Японии конверторы выполняют обычно глуходонными коаксиальной формы. Наименования чаете конвертора следующие: горловина конусная часть (шлем), сталевы пускное отверстие, цилиндричес кая часть, ванна (металлоприем,, ник), днище. К периферийный частям относятся: загрузочная и сталевыпускная стороны, зона слива шлака, опорнодапфенна зона. Цилиндрическая часть конвертора крепится в литом стальном кольце, имеющем две цапфы, которыми оно опирается на подшипники двух стоек. Поэтому конвертор может поворачиваться на 360 градусов вокруг оси цапф. При подаче кислорода через фурму конвертор находится в вертикальном положении. Для удобства заполнения шихтой, выпуска стали или щлака конвертор переводят в соответствующее наклонное положение. Головку кислородной фурмы с водяным охлаждением обычно выполняют многосопловой для интенсивного высокоскоростного вдувания кислорода, доведения температуры поверхности ванны до температуры 2010°С с тем, чтобы обеспечить нужное окисление и плавку. В настоящее время для лучшей организации процесса плавки применяют вспомогательную фурму, с помощью которой автоматически определяют температуру расплава и его состав.С целью сокращения затрат труда при выполнении футеровки была разработана автоматическая кирпичеукладывающая машина х, для промежуточного ремонта футеровки применяют автоматическую торкрет-машину.