Каталитическая конверсия метана водяным паром

метки: Природный, Конверсия, Паровой, Температура, Процесс, Активность, Углерод, Серый

ньшей степени и активность его может быть восстановлена в процессе конверсии метана, не содержащего соединений серы. При 850°С и содержании в газе 5 — 7 мг/м ³ серы заметного отравления катализатора не наблюдается.

Конверсия метана может сопровождаться выделением свободного углерода (сажи), что затрудняет проведение процесса. Реакция (1) образования сажи протекает параллельно с основными реакциями в случае недостатка окислителей — водяного пара и кислорода. При этом углерод отлагается не только на поверхности, но и внутри гранул катализатора, что приводит к уменьшению активности и механическому разрушению катализатора и к увеличению гидравлического сопротивления аппарата потоку газа. В отсутствие катализатора образование углерода по реакции (1) начинается при нагревании метана до температуры 800°С, а на восстановленном никелевом катализаторе эта реакция протекает с заметной скоростью уже при 400°С. Воспламенение в объеме (без катализатора) смеси метана с водяным паром и кислородом, применяемой в процессе конверсии природного газа, всегда сопровождается образованием углерода вследствие частичного разложения метана при температуре около 1100°С, развиваемой в пламени. На никелевом катализаторе при достаточном количестве окислителей выделения свободного углерода не происходит. Из сказанного следует, что на нагретый катализатор нельзя подавать природный газ, не смешав его предварительно с водяным паром и кислородом. [3]

4.2 Катализаторы конверсии метана ГИАП-8, ГИАП-25, ГИАП-36Н.

Область применения:, Основные данные:, Внешний вид:, Рис.9. Катализаторы конверсии метана

Размеры: 32 х32 (ГИАП-25), диаметр 15-18 мм, высота 15-18 мм (ГИАП-8,ГИАП-36Н).

Массовая доля никеля в пересчете на оксид никеля: 7.5 + 1.5 % (для ГИАП-8, ГИАП-36Н) и до 12 % (для ГИАП-25).

4.3 ДКР-1

ДРК — 1 новый вид катализатора, предназначен для паровой и пароуглекислотной конверсии газообразных углеводородов в трубчатых печах крупнотоннажных агрегатов по производству аммиака, метанола, установок получения технического водорода. Катализатор представляет собой промотированный оксид никеля, нанесенный на высокоглиноземистый носитель в виде циллиндрических колец, имеет более высокую активность и стабильность.

Промышленное производство катализаторов

... кислотные и оксидные. Примером оксидных катализаторов являются оксидножелезные контакты с различными промоторами, используемые при конверсии оксида углерода с водяным паром. Различные силикагели, ... точки зрения влияния их на активность и устойчивость катализаторов в эксплуатации. Основные положения Производство катализаторов включает следующие основные этапы: Получение исходного твердого материала: ...

Физико-химические характеристики ТУ 2171-94-002038015-97
	Нормы марки К-17	Нормы марки К-15
Состав	оксид Ni на носителе Al 2 O 3	оксид Ni на носителе Al 2 O 3
Внешний вид	Кольца от светло-серого до темно-серого цвета	Кольца от светло-серого до темно-серого цвета
Насыпная плотность, кг/дм3	1,2±0,2	1,2±0,2
Массовая доля мелочи и гранул с дефектом, %, не более	10	10
Размеры гранул, мм, в пределах:
диаметр наружный	17±2	15±2
диаметр внутренний	8±1	7±1
высота	14±2	12±2
Механическая прочность, разрушающее усилие при раздавливании на торец, среднее, МПа, не менее	30	30
Массовая доля серы в пересчете на SO3,%, не более	0,01	0,01
Массовая доля никеля в пересчете на оксид никеля (NiO), %	12±1	12±1
Термостойкость: число теплосмен от 1000°С до комнатной температуры на воздухе без разрушения гранул, не менее	20	20
Активность: остаточная доля метана при конверсии с водяным паром природного газа при соотношении пар:газ=2:1 в объемной скорости 6000 час,%, не более при температуре:	500°С: 35 700°С:5	35 5

Условия эксплуатации
Температура, на выходе трубчатой печи, ?С	790-810
Давление, МПа	3,3-3,6
Объемная скорость, ч -1: с оотношение ПАР:ГАЗ	1500-18003,7-4,0
Остаточная объемная доля метана на выходе из печи, %	9-11
Гарантируемый срок службы, лет	4

5 Расчет процесса конверсии

Рассчитать процесс конверсии метана водяным паром по следующим данным:

Производительность по метану	1000 м 3 /час
Состав газа	метан — 98%
	азот — 2%
Степень конверсии	70%
Температура	на входе 105С
	на выходе 900С

СН+ НО

1. Расчет термодинамических параметров.

	СН	НО	СО	Н 2
Н	-74,85	-241,81	-110,53	0
S	186,27	188,72	197,55	130,52
G	-50,85	-228,61	-137,15	0

1.1. По закону Гесса находим тепловой эффект химической реакции при нормальных условиях:

Н=(n

---

Н= 03 — 110,53 + 241,81 + 74,85 = 206,13 кДжмоль

1.2. Найдем энтропию реакции:

S= (n

S=3130,52 +197,55 -188,72 -186,27= 214,12 ДжмольК

1.3. Найдем изменение энергии Гиббса в ходе реакции при нормальных условиях:

G = (n _{iG)-(n iG)}

G= 30-137,15+288,61+50,85=142,31 кДжмоль

2. Найдем функцию зависимости теплоемкости от температуры С= f(Т)

	СН	НО	СО	Н
a	14,32	30	28,41	27,28
b	74,6610	10,7110	4,110	3,2610
с		0,3310	-0,4610	0,510
с	-17,4310

Ср(СН ₄ ) = 14,32 + 74,6610Т — 17,4310Т

Ср(Н ₂ О) = 30 + 10,7110^-3 Т + 0,3310⁵ Т^-2

Ср(СО) = 28,41+ 4,110 ^-3 Т — 0,4610⁵ Т^-2

Ср(Н ₂ ) = 27,28 + 3,2610^-3 Т + 0,510⁵ Т^-2

Ср = а + bT + сТ ² +cТ ^-2

Ср = (327,28+28,41-30-14,32) + (33,26+4,1-10,71-74,66)10 ^-3 Т +

+ (30,5-0,46-0,33)10 ⁵ Т^-2 — 17,4310^-6 Т²

Ср = 65,93 — 71,4910 ^-3 Т + 0,7110⁵ Т^-2 — 17,4310^-6 Т² ДжмольК

2.1. Для азота зависимость теплоемкости от температуры выглядит следующим образом:

Ср(N ₂ ) = 27,88 + 4,2710^-3 Т

3.1. Найдем изменение энтропии в ходе реакции при нагревании от t ₁ =25C до t ₂ =900C:

S=dТ =

S=16.54 Дж/мольК

3.2. Найдем изменение энтальпии в ходе реакции при нагревании от t ₁ =25C до t ₂ =900C:

H= 65,93 (1173-298) — 71,4910 ^-3 (1173² -298² ) — —

Н= — 2375 Дж/моль

3.3. Рассчитаем энергию Гиббса на выходе t ₂ =900С:

4. Найдем константу равновесия:

G=-RTlnKp

Kp = exp(-G/RT)

Kp=exp(-(-62058,71/8,311173))=582,04

4.1. Рассчитаем равновесную степень превращения метана. При температуре от 827С и составе исходной смеси СН ₄ Н₂ О = 1 2 необходимо проводить процесс при абсолютном давлении 10 атм.

СН

т.к. водяной пар в избытке, то Р _Н2О = 2Р_СН4

Р _общ = Р_СН4 + 2Р_СН4 = 3Р_СН4

Р _СН4 = Р_общ /3 = 10/3 атм.

При равновесии:

x _e = 0,8115 и x_e = — 2,29

Равновесная степень превращения равна 0,8115.

Вывод: равновесная степень превращения метана x _e =0,8115 ,степень конверсии = 0,7 , данный процесс, возможно, провести в указанных условиях.

5. Составим материальный баланс.

Приход	Расход
Исходное вещество	m, кг	V,м 3	Продукт	m, кг	V,м 3
СН 4	714,29	1000	СН 4	214,29	300
N 2	25,51	20,41	N 2	25,51	20,41
Н 2 О	1607,14	2000	Н 2 О	1044,64	1300
			СО	875	700
			Н 2	187,5	2100
Итого:	2346,94	3020,41	Итого:	2346,94	4420,41

5.1.Найдем количество поступающего метана (в час):

по закону эквивалентов

(кг)

Найдем количество конвертируемого метана:

V=0, 71000=700 (м ³ )

После реакции осталось:

m(СН ₄ ) = 714,29 — 500 = 214,29 (кг)

V(СН ₄ )= 1000 — 700 = 300 (м³ )

5.2. Найдем необходимое количество воды для осуществления реакции:

В промышленном производстве для осуществления процесса воду и метан берут в отношении 2:1. Исходя из этого условия рассчитаем количество поступающего водяного пара:

V = 2 1000 = 2000 (м ³ )

Не прореагировало водяного пара:

m(Н ₂ О) = 1607,14 — 500 = 214,29 (кг)

V(Н ₂ О) = 2000 — 700 = 300 (м³ )

5.3. В реактор поступает :

Т.к. азот не участвует в химической реакции, то на выходе:

m = 25,51 (кг)

V = 20,41 (м ³ )

5.4. Найдем количество образовавшегося в ходе реакции СО:

5.5. Найдем количество образовавшегося водорода:

Вывод: . Материальный баланс сошелся.

6. Составим энергетический баланс:

Приход	кДж	%	Расход	кДж	%
Q(СН 4 )	675,87	4	Q(СН 4 )	1224,04	7,2
Q(N 2 )	10,16	0,06	Q(N 2 )	35,15	0,2
Q(Н 2 О)	1156,9	6,87	Q(Н 2 О)	4460,2	26,4
Q подв	15029,6	89,07	Q(СО)	1216,5	7,23
			Q(Н 2 )	3420,87	20,24
			Q х.р.	6515,8	38,62
Итого:	16872,53	100%	Итого:	16872,56	100%

6.1. Найдем тепло, которое поступает с исходными веществами — физическое тепло:

где T ₁ — температура на входе, (t ₁ =105C ); С _р — теплоемкость, будем считать, что теплоемкость зависит от температуры (п.2).

Q.

6.2. Найдем тепло веществ на выходе из реактора:

где T _{2 — температура на выходе из реактора.}

6.3. Найдем теплоту, поглощенную в ходе химической реакции:

6.4. Найдем количество теплоты, которое необходимо затратить на подогрев исходной смеси:

6.5. Найдем количество природного газа, которое необходимо затратить для подогрева исходной смеси, считая, что природный газ на 95% состоит из метана (состав природного газа зависит от месторождения, колеблется от 55-99%):

По справочнику:

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/parovaya-konversiya-prirodnogo-gaza/

1. А. Г. Аншиц, Е. Н. Воскресенская. Окислительная конденсация метана — новый процесс переработки природного газа.

2. Сосна М.Х., Энтин Б.М., Лейтес И.Л. Нонограммы для определения состава газа конверсии метана//Химическая промышленность. — 1989. — №7. — с.59

3. Крейндель Э.М. Конверсия метана природного газа. Л.:-1964.

4. Г.С. Яблонский. Кинетические модели гетерогенно-каталитических реакций. Элементы теории кинетики сложных химических реакций. Глава 1. В сб.: Химическая и биологическая кинетика / Под ред. Н.М. Эмануэля, И.В. Березина, С.Д. Варфоломеева. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983.

5. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справ. изд./Д.Ю. Гамбург, В.П. Семенов, , Л.Н. Смирнова; Под ред. Д.Ю. Гамбурга, Н.Ф. Дубовкина. — М.: Химия, 1989.

………..

Страницы: | [2] |