Приведите чертеж и обоснование технологической схемы двухступенчатой конверсии метана водяным паром

Паровая двухступенчатая конверсия метана является наиболее распространенным способом получения водорода по реакции:

CH4 +H2O=CO+3H2 — 206 кДж/моль.

Способ паровой конверсии в трубчатых печах применяется для получения синтез-газа, используемого для производства водорода, аммиака и метанола. Для синтеза метанола паровая конверсия обладает существенным недостатком — получают газ с избыточным содержанием водорода, а переработка таких газов приводит к увеличению затрат на сжатие. Кроме того, избыточный водород — балласт в процессе синтеза, и его приходится отводить с продувочными газами. Но, несмотря на это, процесс паровой конверсии все еще считается наиболее экономически эффективным вариантом для крупнотоннажных (750 тыс. т/год) установок производства метанола, имеющих одну технологическую линию и рассчитанных на использование в качестве сырья газа по низкой или умеренной цене.

В России наиболее широко распространен процесс паровой конверсии метана. Процесс идет в несколько стадий: подготовка сырья, конверсии, утилизации тепла, очистки газов от CO2. Сырье очищают по необходимости.

Исходный метан сжимают турбокомпрессором 1 до 2 — 3 МПа (см. рис. 15) и смешивают с необходимым количеством водяного пара и CO2. Смесь подогревают в теплообменнике 2 до 400 оС частично охлажденным конвертированным газом и подают в смеситель конвертора 6, куда поступает предварительно приготовленная смесь O2 с равным объемом водяного пара. Конвертор охлаждается кипящим в рубашке конденсатом; при этом генерируется пар с давлением 2 — 3 МПа, который отделяют в паросборнике 5. Тепло горячего конвертированного газа, выходящего из конвертора при 800 — 900 oC, используют в котле-утилизаторе для получения пара высокого давления, направляемого затем в линию пара соответствующего давления или используемого для привода турбокомпрессора. Тепло частично охлажденного газа утилизируют для предварительного подогревания смеси в теплообменнике 2 и в теплообменнике 3 для нагревания водного конденсата, питающего котел-утилизатор. Окончательное охлаждение осуществляют в скруббере 7 водой, циркулирующей через холодильник 8. При этом на выходе газ содержит смесь газов следующего состава:

CO — 15 — 45% (об.) газ водород углерод катализатор

H2 — 40−75% (об.).

CO2 — 8−15% (об.).

CH4 — 0,5% (об.).

N2 и Ar — 0,5−1% (об.).

Очищают от CO2 через абсорбцию под давлением, хемосорбцию водным раствором моноэтаноламина или карбоната калия.

Наверх газ поступает в абсорбер 9, где поглощается CO2, а очищенный газ направляется к потребителю. Насыщенный абсорбент подогревается в теплообменнике 10 горячим регенерированным раствором и направляется в десорбер 11, с низа которого абсорбент направляется через т/о 10 вновь на поглощение CO2 в абсорбер 9. CO2 с верха 11 компримируют до соответствующего давления и возвращают на конверсию, смешивая перед т/о 2 с природным газом и водяным паром.

Конверсию метана осуществляют и неполным окислением по реакции:

CH4 + 0,5 O2 = CO + 2 H2 + 36 кДж/моль. (2).

Для осуществления процесса по реакции (2), что существенно увеличивает выход водорода, была разработана конструкция смесителя.

Смеситель состоит из канала осевого ввода кислорода, поступающего с температурой 453 К. Поверх его расположен канал подачи природного газа, поступающего с температурой 623 К, с завихрителями потока в нижней части канала.

Нижняя часть смесителя имеет расширение, в объеме которого протекает реакция неполного окисления метана. Снаружи эту камеру обтекает поток парогазовой смеси, с температурой 773 К, поступающей с линии подачи парогазовой смеси в трубчатый реактор первичной конверсии метана. Конвертированный газ, поступающий с трубчатой печи первичной конверсии при температуре 1063 К, подается в верхнюю часть реактора, обтекает смеситель и поступает на слой катализатора.

Поверхность, разделяющая реакционную зону неполной конверсии, не только охлаждается потоком парогазовой смеси. При поступлении тепловой энергии протекает реакция. Поверхность можно рассматривать как перегородку, на которой одновременно протекают экзои эндотермическая реакции.

При моделировании процесса необходимо знать характер движения потоков и границы термодинамических режимов протекания процесса, в основе физико-химического механизма которого лежит перенос массы, количества движения (импульса) и энергии.

Математическое моделирование в конечном итоге позволяет количественно рассчитать оптимальные параметры процессов и аппаратов и определить пути и методы совершенствования технологии производства. Одним из направлений при моделировании является унификация математических моделей, при которой сам процесс моделирования существенно облегчается за счет накопления подобных моделей, их идентификации и использования.

В последних работах, рассматривающих процессы тепло_ и массопереноса через перегородку при одновременном осуществлении экзо_ и эндотермические процессов осуществлено математическое моделирование процесса синтеза CH3OH. Поскольку теория позволяет описать подобные процессы, методами математического моделирования были рассмотрены процессы, протекающие в нижней расширяющейся части смесителя метана и кислорода.

Проведенные расчеты показывают, что в этом случае суммарный выход водорода и оксида углерода по реакции увеличивается на 4%.

Другим направлением интенсификации процесса конверсии метана может служить изменение конструкции смесителя, в случае разработки каналов подачи потоков реагирующих газов эндотермической реакции и экзотермической реакции при противотоке.

Для рассматриваемой схемы противотока проведенные расчеты показывают, что процесс теплопередачи увеличивается и суммарный выход водорода и оксида углерода по реакции увеличивается на 7%.

Моделирование процесса паро-кислородной конверсии метана при неполном окислении в специальном смесителе техническим кислородом, содержащим 95% O2 и 5% N2 (объемных) проводили в предположении, что соотношение между CO и CO2 при определении состава конвертированного газа, полученного в смесителе, до смешения с конвертируемым газом, поступающем из трубчатой печи первичной конверсии, соответствует равновесию реакции конверсии CO с водяным паром. Общее соотношение газ: пар в смесителе составлял 1:1,1. Расчет выполняли на 1000 м³ CH4. Объем водяного пара составлял 1100 м³. Подача кислорода по стехиометрии составляла 500 м³.

Состав газа на выходе из смесителя при температуре 1273 К получается следующим: CO2 — 290 м³, CO — 635 м³, H2_2180 м3. CH4 — 47 м³. N2_ 40 м³. В реальном технологическом процессе в течение эксплуатации активность катализатора снижается и для обеспечения на выходе из реактора вторичной конверсии метана остаточного содержания метана необходимо будет немного увеличивать температуру технологического газа перед слоем катализатора, что достигается введением дополнительного количества технического кислорода. Тепловая энергия в этом случае получается по реакции:

CH4+2O2 = CO2 +2H2O+892 кДж/моль.

Таким образом, учитывая, что при первичной паровой конверсии метана в трубчатом реакторе на конверсию 1000 м³ метана расходуется около 400 м³ природного газа, моделирование рассматриваемого процесса с учетом подачи 1000 м 3 на первичную конверсию показывает,.