Обоснование выбора реактора для реакции метанирования

Курсовая работа Тема: «Обоснование выбора реактора для реакции метанирования».

• Задание на курсовую работу 3

• Введение

  4

• Краткие сведения о проводимом процессе. 5
• Физико-химические основы процесса 5
• Катализаторы процесса метанирования 7
• Промышленные схемы метанирования. 9
• Программы 12
• Программа расчета адиабатического коэффициента для выбора типа реактора 12
• Программа расчета зависимости производительности от начальной температуры 14
• Программа зависимости производительности от давления 16
• Программа зависимости производительности от начальной концентрации 18

• Заключение

  21

• Список использованной литературы 22
• Задание на курсовую работу
• 1) Обосновать выбор реактора (адиабатического РИВ или РПС) для реакции метанирования
• 2) Построить и объяснить зависимости производительности выбранного реактора от параметров: Р, Za0, T0

Аммиак имеет важное значение в народном хозяйстве. В основном его используют для производства азотной кислоты и минеральных удобрений, азотсодержащих солей, мочевины, соды, синильной кислоты, взрывчатых веществ. Производство аммиака относится к крупнотоннажным: оно развивается высокими темпами, значительно опережающими средние темпы промышленности в целом.

Важным этапом в производстве аммиака является отчистка исходных реагентов для синтеза от присутствующих в них оксидов углерода. В зависимости от схем производства аммиака и водорода содержание оксидов углерода в азотоводородной смеси и водороде может изменяться в широком диапазоне — от 50 до 7000—10 000 и более см³/м³*. Допустимое содержание СО+С0₂ в газах обычно не превышает 10—20 см³/м³*.

Тонкая каталитическая очистка азотоводородиой смеси и водорода от оксидов углерода применяется не только в производстве аммиака, но и в других процессах, где используется чистый водород (например для гидрирования органических соединений). Условия очистки и схемы процессов определяются основным производством и требованиями, предъявляемыми к качеству очистки.

Краткие сведения о проводимом процессе

Физико-химические основы процесса

Метод тонкой каталитической очистки газов от СО и С0₂ основан на следующих обратимых экзотермических реакциях гидрирования:

Данные реакции принято называть по продукту гидрирования процессами метанирования СО и СО2

2CO + 2H2 = CH4 + CO2

CO + H2O = CO2 + H2

2CO = CO2 + C

CO + H2 = H2O + C

CH4 = 2H2 +C

Из приведенных уравнений реакций и можно определить равновесные парциальные давления оксида и диоксида углерода в газе В условиях большого избытка водорода, когда изменением его парциального давления при протекании реакций можно пренебречь, равновесные парциальные давления оксида и диоксида углерода можно определить по уравнениям :

Теоретически возможная степень превращения и остаточная концентрация удаляемого из газовой смеси компонента определяются условиями равновесия основных реакций и константы равновесия и тепловые эффекты которых приведены в табл. III, 100 и III, 101

Ключевые реакции, протекающие в большом избытке водорода, можно рассматривать как практически необратимые при температурах ниже 300—400 °С Таким образом, методом каталитического гидрирования можно достичь весьма высоких степеней очистки газов.

Метанирование осуществляется в адиабатическом режиме, так как тепловые потери из реактора с хорошей теплоизоляцией ничтожно малы по сравнению с количеством выделяющегося тепла.

На рис. 1 показана зависимость повышения температуры в реакторе (Д^) от исходных концентраций примесей для азотоводородной смеси типичного состава.

Рисунок 1- зависимость повышения температуры в реакторе от исходных концентраций примесей.

Катализаторы процесса метанирования

Процессы гидрирования СО и СО2 протекают в присутствии одинаковых или сходных катализаторов, причем очистку от указанных компонентов совмещают в одном аппарате.

Катализаторы тонкой очистки водородсодержащих газов от оксидов углерода как при совместном, так и раздельном присутствии в газе удаляемых компонентов можно разделить на три группы: никелевые, железные и на основе металлов платиновой группы. Высокой активностью в реакции метанирования обладают платиновые металлы. Так, выпускаются катализаторы, содержащие рутений на оксиде алюминия. Используются также платиновые и рубидиевые катализаторы. Эти катализаторы могут работать при довольно низких температурах, не требуют предварительного восстановления, не пирофорны, их не нужно пассивировать перед выгрузкой. Однако они слишком дороги для применения на крупных аммиачных установках.

Для комплексной очистки водородсодержащих газов от оксидов углерода методом каталитического гидрирования наиболее распространены никелевые катализаторы, более активные по сравнению с железными. В присутствии этих катализаторов процессы гидрирования СО и С0₂ до метана при температуре 300—400 °С и в большом избытке водорода характеризуются высокой избирательностью, что устраняет трудности, связанные с образованием углеродистых отложений.

Большинство промышленных катализаторов метанирования содержит в качестве активной фазы никель, нанесенный на инертные носители (оксиды алюминия и кремния, каолин и кальций-алюминатный цемент). В качестве промоторов или структурных стабилизаторов используют также оксиды хрома и магния .

Активность катализаторов определяется содержанием в них оксида никеля; не менее важна и способность его к восстановлению, так как часть оксида никеля образует с носителем трудновосстанавливаемые соединения.

Промышленные катализаторы метанирования должны иметь следующие основные свойства:

активность, определяемая объемной скоростью и температурой, при которой катализатор работает, и остаточным содержанием оксидов углерода. При использовании очищенного газа для синтеза аммиака диоксид углерода является более вредным компонентом, чем СО, так как может образовывать карбамат аммония, который, попадая в турбины, отлагается на лопатках и выводит их из строя;

термостойкость — сохранение активности катализатора при непродолжительном нагреве до максимальной температуры. При нарушениях технологического режима стадий, предшествующих метанированию, пусках и остановках в очищаемом газе может резко увеличиться содержание оксидов углерода, что приведет к повышению температуры в слое катализатора (см. рис. 1 и если он не термоустойчив к выводу его из строя;

стабильность, т. е. устойчивость катализатора к воздействию реакционной среды и примесям, присутствующим в газе.

Промышленные схемы метанирования

Различают три случая применения тонкой каталитической очистки азотоводородной смеси:

1) содержание оксидов углерода в исходном газе не более 0.1%. В этом случае процесс проводят на любом никелевом катализаторе метанировния при 250−290 С или на железных плавленых катализаторах при 250−330 С.

2) содержание оксидов углерода не более 0.05%. В этом случае процесс ведут при повышенных температурах (550−600 С) и при давлении 30 МПа на железных плавленых катализаторах. Одновременно с гилрированием проходит процесс синтеза аммиака.

Рисунок 2. Установки метанирования (варианты I и II): 1,2 — подогреватели; 3 — метанатор; 4 — холодильники; 5 — сепаратор; 6 — аппарат воздушного охлаждения; 7 — влагоотделитель.

.

2) содержание СО в исходном газе составляет 0.2 — 0.7%, что характерно для крупнотоннажного производства аммиака. Такой процесс ведут на никелевых катализаторах метанирования.

В современном крупнотоннажном производстве аммиака мощностью 600 и 1360 т/сут установки метанирования располагаются после аппаратов абсорбционной очистки газа от СО2. В состав установки входят метанатор, подогреватели газа и холодильники. Газ после очистки от С0₂ проходит сепаратор, где отделяется от капель абсорбента, подогревается в двух последовательно расположенных теплообменниках и направляется в метанатор. Очистка осуществляется при 320—380 °С, объемной скорости ~4000 ч^-1 и давлении 2,4—2,5 МПа. Линейная скорость газа в аппарате составляет 0,3—0,4 м/с. Остаточная концентрация оксидов углерода не превышает 20 см³/м³.

Для процессов метанирования используют аппараты полочного типа. Метанатор в отечественном агрегате синтеза аммиака мощностью 1360 т/сут (АМ-70, АМ-76) представляет собой вертикальный цилиндрический сварной аппарат, изготовленный из хромомолибденовой стали 12ХМ, имеет высоту цилиндрической части 7,66 м, внутренний диаметр 3,8 м. Объем катализатора равен 40 м³. Для загрузки и выгрузки катализатора в аппарате имеются соответственно верхний и нижний люки (рис. 3)

В агрегате синтеза аммиака мощностью 600 т/сут используется аппарат аналогичного типа, рассчитанный на загрузку 20 м³ катализатора

Программы

Программа расчета адиабатического коэффициента и для выбора типа реактора:

Вывод:

Так как за одно и тоже время реактор полного смешения достигает большей степени превращения целевого продукта, значит его выгоднее использовать. Чем меньше время, затрачиваемое на полученные единицы продукта, тем совершеннее химический реактор.

Программа расчета зависимости производительности от начальной температуры:

График 1 — зависимость производительности от начальной температуры Вывод: С ростом начальной температуры наблюдается рост константы скорости химической реакции, а как следствие и рост ее скорости, так как константа скорости и скорость реакции связаны прямой зависимостью. Так как производительность зависит от скорости прямопропорционально значит с ростом скорости возрастает и производительность реактора.

Программа зависимости производительности от давления:

График 2 — зависимость производительности от давления

Вывод: Незначительное снижение движущей силы реакции компенсируется высокой константой скорости и ростом давления, а как следствие ростом скорости реакции. Так как производительность напрямую зависит от скорости то она тоже возрастает с ростом давления.

Программа зависимости производительности от начальной концентрации:

График 3 — Зависимость производительности от начальной концентрации Вывод: При увеличении начальной концентрации ключевого реагента увеличивается и адиабатический коэффициент. С ростом адиабатического коэффициента увеличивается конечная температура процесса от которой зависит константа скорости. С ростом константы и ростом движущей силы увеличивается скорость реакции, а следовательно и производительность.

Заключение

химический метанирование реактор адиабатический катализатор В ходе выполнения курсовой работы был исследован один из основных процессов крупнотоннажного производства аммиака — очистка азотоводородной смеси от присутствующего в ней оксида углерода (II), иначе называемый метанированием.

Согласно исходным и рекомендуемым данным был произведен расчет адиабатического коэффициента проводимого процесса, а также обоснован выбор адиабатического реактора полного смешения. Для выбранного реактора были проведены исследования зависимости производительности от начальной температуры Т0, начальной концентрации Za0 и изменения давления.

1. Сороко В. Е. Основы химической технологии: Учебник для техникумов. Л.: Химия, 1986. — 296с

2. Справочник азотчика: Физико-химические свойства газов и жидкостей. Производство технологических газов. Очистка технологических газов. Синтез аммиака. — 2-е изд., перераб., М.:Химия, 1986 г.-512с.