Введение
Азотное производство играет важнейшую роль в современной химической промышленности. Стоит заметить, что соединения азота применяются как при получении органических, так и неорганических веществ. Особую статью в азотной промышленности составляет производство аммиака. Именно при «участии» этого ценнейшего компонента производятся удобрения, азотная кислота, взрывчатые вещества, хладоагенты и многое другое. При всей своей полезности аммиак является довольно сильным ядом, несмотря на то что применяется в медицине в виде нашатыря. Сам аммиак как вещество впервые был обнаружен в конце XVIII века. Описал его как отдельное вещество англичанин Джозеф Пристли. Спустя 11 лет французом Клодом Луи Бертолле был изучен химический состав этого вещества. Необходимость получения аммиака в промышленных количествах стала остро возникать в конце XIX века, когда стали истощаться месторождения чилийской селитры, из которой в основном получали азотные соединения. Именно «щелочной воздух» стал самым перспективным компонентом для производства различных химических соединений, которые оказали огромное влияние на разные стороны жизни человека: от военного дела, до сельского хозяйства. Но эта проблема была решена только в начале XX столетия, когда появился способ производства аммиака путем прямого синтеза из азота и водорода. Таким образом, от возникновения проблемы до ее решения прошел довольно длительный период, в ходе которого было сделано несколько открытий, позволивших «сказку сделать былью».
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. В основу производства аммиака положены принцип циркуляции, согласно которому процесс идет непрерывно, причем остатки исходных компонентов отделяются от конечного продукта и используются вновь, непрерывности: процесс синтеза происходит без остановки, принцип теплообмена, а также принцип цикличности. Как видно, все эти принципы между собой тесно взаимосвязаны. конверсия метан природный газ
Целью проведения данного проекта является изучение стадии производства аммиака (паровой и паро-воздушной конверсии природного газа), выявления и поиска закономерностей и особенностей, для того чтобы улучшить эффективность проведения процесса.
Для достижения поставленной цели были проведены аналитический обзор научной и патентной литературы, обоснование технологических и географических параметров, в котором более подробно рассмотрены способы производства, обоснование сырья, энергоресурсов, мощности производства, и т.д. А также были проведены обоснования необходимости производства данного вида продукции и объема производства.
Помимо этого, выполнены термодинамический и кинетический анализы, в ходе которых был выведен оптимальный режим проведения процесса. Рассчитаны основной аппарат проведения процесса, выбор, обоснование и расчет вспомогательных аппаратов, материальный и энергетический балансы, рассмотрены технологическая схема, перспективы производства в современных условиях, анализ экологической безопасности.
Анализированы полученные данные и сделаны выводы о возможных способах улучшения процесса паровой конверсии природного газа.
1. Анализ известных в промышленности, научно-химической и патентной литературе технологий
На протяжении последних столетий развитие мировой экономики определяется наличием доступных и удобных для использования энергоресурсов. В течение почти всего XX века роль основного мирового энергоресурса играла нефть.
Несмотря на огромные усилия в области альтернативных источников энергии, их вклад в мировую энергетику не превышает 1% и по всем серьезным прогнозам даже к концу столетия не превысит нескольких процентов. Из-за низкой плотности потока солнечной энергии на земной поверхности ни солнечная энергетика, ни тем более производство «возобновляемого биотоплива» сельскохозяйственными методами при нынешнем уровне энергопотребления не смогут дать серьезного вклада в мировую энергетику.
Природный газ является дешевым и удобным сырьем для перерабатывающей промышленности, но доля природного газа в России, используемого в качестве сырья для переработки, не превышает 1,5%, остальная часть сжигается, в качестве топлива. Необходимость в новых инновационных технологиях, а также повышение доли газа, подвергающейся химической переработке, в сочетании с возможностью аккумулирования капиталов от экспорта энергоносителей, позволяет Российской промышленности стать мощным катализатором инновационных процессов в стране. Основной применяемый в настоящее время в промышленных масштабах путь переработки природного газа - его предварительная конверсия в смесь оксида углерода и водорода (синтез-газ). На получение синтез-газа затрачивается от 50 до 75% энергии и общей стоимости всего производства.
Кроме глобального решения энергопотребления человечества должна быть рассмотрена и энергетическая эффективность переработки природного
газа во вторичное сырье. Главным фактором, определяющим жизнедеятельность отрасли и конкурентоспособность продукции, является уровень сырьевых и топливно-энергетических затрат в производстве продукции.
Значительная часть производственного потенциала перерабатывающей отрасли России характеризуется низким техническим уровнем, неудовлетворительными параметрами ресурсосбережения, не обеспечивающих необходимых предпосылок для выпуска конкурентоспособной продукции. Поэтому проблема рационального использования сырьевых ресурсов приобретает особую значимость, как фактор определенной компенсации опережающих темпов роста цен и тарифов на продукцию естественных монополий. /1/
1.1 Способ конверсии природного газа
Конверсия природного газа в настоящее время является основным методом получения водорода и синтез-газа (смеси Н2 и СО). В зависимости от используемого окислителя и аппаратурного оформления различают высокотемпературную кислородную конверсию, каталитическую парокислородную конверсию в шахтных печах и каталитическую пароуглекислотную конверсию в трубчатых печах. /2/
Автором Ласло Чернафельди /3/ был показан метод конверсии природного газа. Сущность состоит в том, что способ осуществляется путем пропускания газа в смеси с кислородом через плазменную струю, а так же с целью удешевления процесса, исходный газ делят на два потока в весовом соотношении 18-25 :75-82, первый из которых направляют на образование плазменной струи, а второй смеси с кислородом подают на конверсию в плазменную струю, образованную первым потоком и второй поток смешивают с кислородом в соотношении 0,15-1 : 1-1,2.
Ещё один способ получения синтез-газа был предложен российскими учеными /4/, который включал в себя каталитическую конверсию природного газа в присутствии двухслойного никельсодержащего катализатора с использованием, в нижнем по ходу газа слое, никель-алюмохромового катализатора, отличающийся тем, что в верхнем по ходу газа слое используют высокоогнеупорные корундовые шары в количестве 20 - 2% от объема катализатора.
1.2 Конверсия природного газа
Конверсия метана, являющегося основным компонентом природного газа, представляет собой наиболее экономичный способ получения азотоводородной смеси. Окисление метана (основного компонента углеводородных газов) при получении синтез газа осуществляется по реакциям:
СН4 + 0,5О2 = СО + 2Н2 ДH= -35,6 кД (1.1)
СН4 + Н2О = СО + 3Н2 ДН = 206,4 кДж (1.2)
СН4 + СО2 = 2CO + 2Н2 ДН = 248,3 кДж . (1.3)
Реакции (1.1) и (1.3) протекают с увеличением объема. Так как следующие за конверсией метана процессы (очистку конвертированного газа, синтез) целесообразно вести при повышенном давлении, то для снижения затрат на сжатие предпочтительно конверсию метана проводить также под давлением.
Способ получения углеводородов и аммиака и, более конкретно, способ оптимизации производства углеводородов и аммиака с использованием объединенной установки синтеза углеводородов и установки синтеза аммиака представили Джулиан Грэм (Вандербийлпарк, З.А.), Тиндалл, Барри Антони (Сасолбург, З.А.) /5/. Этот процесс уменьшает выброс CO2 в атмосферу и требует только одного участка риформинга и одного блока разделения воздуха для обоих процессов. Удаление водорода из процесса синтеза углеводородов до того, как синтез-газ поступает в реактор Фишера-Тропша, также снижает отношение Н2 / СО синтез-газа, что приводит к селективному выбору лучшего углеводорода..
Авторы /6/ предложили способ, отличающийся тем, что в качестве источника водорода для процесса очистки природного газа от сернистых соединений используют аммиаксодержащий продувочный газ цикла синтеза аммиака, нагрев смеси природного и продувочного газа осуществляют в змеевике конвективной зоны печи первичного риформинга, очистку газа от сернистых соединений проводят при низкой температуре не менее 230°С, загрузку катализатора гидрирования и поглотителя сернистых соединений производят комплексно в один аппарат, с использованием низкотемпературного катализатора гидрирования серосоединений и низкотемпературного поглотителя серосоединений, утилизацию тепла дымовых газов печи первичного риформинга осуществляют в дополнительных змеевиках конвективной зоны за счет подогрева природного газа и конденсата отпарной колонны, огневой подогреватель перед отделением сероочистки используют для пуска агрегата с “холодного” состояния.
1.3 Способ приготовления катализатора для конверсии природного газа
Процессы конверсии метана водяным паром и диоксидом углерода без катализаторов протекают с очень малой скоростью и требуют очень высоких температур (1300-1500°С).
Основным способом интенсификации химико-технологических процессов является применение катализаторов, поэтому в промышленных условиях конверсия природного газа чаще всего осуществляется с использованием катализаторов. В результате многочисленных исследований было установлено, что каталитическими свойствами по отношению к этой реакции обладают хром, молибден, вольфрам, железо, кобальт и никель, однако наиболее активными из них оказались никелевые катализаторы.
Активную часть катализатора наносят на поверхность таблетированного высокопористого инертного носителя. При приготовлении нанесенных катализаторов в качестве носителя используется высокопрокаленный оксид алюминия -Al2O3.
Способ приготовления катализатора для конверсии природного газа изобретен авторами /7/, отличающийся тем, что осуществляют совместное измельчение и перемешивание оксида алюминия с твердым гидроксидом калия в течение 45-60 мин с последующим затворением измельченной смеси водой, прокаливание гранул перед пропиткой носителя проводят при температуре 1200-1250°С в течение 4-6 ч, а гидроксид калия используют в количестве 2-5% от массы исходного сырья.
1.4 Способ получения водорода паро-углекислотной конверсией природного газа
Авторами /8/ был представлен способ получения водорода , отличающийся тем, что углекислый газ получают смешиванием монооксида углерода после стадии разделения с воздухом, подогревом полученной смеси при повышенном давлении и температуре на 50-100°С ниже температуры самовоспламенения этой смеси. И перед подачей в реакционную камеру углекислотно-паровой конверсии подогрев смеси углеводородного сырья, углекислого газа и воды проводят до 300-700°С в теплообменнике за счет тепла охлаждаемых продуктов окисления монооксида углерода.
1.5 Способ получения синтез-газа
Авторы /9/ предложили способ получения синтез-газа путем паровой или паро-воздушной каталитической конверсии углеводородного сырья, отличающийся тем, что каталитическую конверсию осуществляют в реакторе радиально-спирального типа, в котором в кольцеобразное пространство, заполненное никелевым катализатором с размером гранул 0,2-7 мм. Процесс конверсии проводят под давлением 0,1 - 12 МПа при температуре 600ч1100°С с подводом тепла извне, необходимого для проведения процесса конверсии, а также процесс конверсии осуществляют в две ступени, при этом тепло для проведения процесса на первой ступени подводят конвертированным газом после второй ступени, а тепло для проведения процесса на второй ступени подводят теплоносителем извне.
1.6 Способ преобразования энергии
Столяревский А.Я. /10/ предложил Способ преобразования энергии, отличающийся тем, что сжатый воздух, отбираемый из компрессора, используют для проведения паровоздушной конверсии природного газа в адиабатическом реакторе конверсии, при которой получают газообразное топливо, а по меньшей мере часть тепловой энергии, вырабатываемой в теплообменнике, используют для получения водяного пара, смешиваемого со сжатым воздухом перед паровоздушной конверсией природного газа, другую часть тепловой энергии используют для отпуска потребителям водяного пара или горячей воды, а получение водяного пара в теплообменнике уменьшают при снижении нагрузки электросети.