Температурный режим паровоздушной конверсии поддерживают изменением расхода и состава входного потока сжатого воздуха, а подачу сжатого воздуха, отбираемого из компрессора, распределяют между камерой сгорания и адиабатическим реактором конверсии путем применения запирающего и/или регулирующего элемента.
1.7 Система газификации с переработкой сырья и переформулированием газа
Авторы /11/ предложили изобретение обеспечивает систему, предназначенную для полной конверсии углеродсодержащего сырья в синтез-газ и шлак. Система включает в себя первую камеру для испарения исходного сырья, создания первичной камере газа (в отходящие газы); вторую камеру для дальнейшего преобразования обработанного сырья в вторую камеру газ (синтез-газ) и остатка; газ переформулирован в зоны для обработки газа. Основная камера состоит из прямых или косвенных возможностей добавки исходного сырья для того чтобы отрегулировать содержание углерода исходного сырья.
Система также включает систему управления для использования с системой газификации для мониторинга и регулирования различных стадий процесса для обеспечения эффективного и полного преобразования углеродсодержащего сырья в продукт синтез-газа.
В настоящее время наиболее рентабельным способом производства водорода является паровая конверсия метана. Согласно данным Минэнерго США, в 1995 году стоимость водорода для условий большого завода составляла $7 за ГДж. Это эквивалентно стоимости $0,24/л бензина при стоимости природного газа $2,30/ГДж (80 дол/1000 нм3). Производство водорода электролизом воды на основе современных технологий оценивается по затратам от $10 до $20 за ГДж в зависимости от стоимости электроэнергии и капитальных вложений в электролизеры.
Выбор технологии производства водорода зависит от стоимости природных углеводородов и, по мере увеличения их стоимости, будет расти доля альтернативных, и, в первую очередь, ядерных технологий.
В настоящее время в ряде стран: США, Англии, Японии, России проводятся исследования для увеличения общего кпд производства. Это достигается путем изменения некоторых параметров: температуры, давления, соотношения реагентов, время прохождения реакций; а также приготовлением катализатора для конверсии природного газа.
2. Технико-экономическое обоснование выбора сырья, энергоресурсов, географической точки строительства, мощности производства
2.1 Технико-экономическое обоснование сырья
Применение того или иного вида сырья обусловлено его стоимостью и доступностью (наличием) в данном регионе, практической возможностью построения наиболее экономичной технологической схемы и ее аппаратурного оформления. Поскольку реальные условия строительства заводов производства аммиака в различных регионах отличаются большим разнообразием, мировая азотная промышленность отличается широкой гаммой перерабатываемого сырья, применяемых технологических схем и аппаратуры.
Сырьем для получения аммиака является азотоводородная смесь состава N2 :Н2 = 1:3. Ресурсы атмосферного азота практически неисчерпаемы, поэтому производство аммиака определяется в основном способом производства водорода. Водород для синтеза аммиака может быть получен:
Разделение обратного коксового газа
Газификацией твердого топлива
Конверсией природного газа
Крекингом метана
Электролизом воды
Если взять в качестве сырья отходящие газы коксовой промышленности, то потребуется очень тщательная очистка, так как конвертируемые газы сильно загрязнены, их примеси приносят вред катализаторам. Это дорогостоящий способ извлечения водорода. Также водород можно получить из так называемой смеси природного газа и нефти, но с таким газом очень трудно работать, необходимы дополнительные очистные сооружения, что также ведет к большим затратам.
Технологическая схема производства аммиака зависит, прежде всего, от сырья, из которого получается конечный продукт. Дело в том, что, в отличие от азота, водород в чистом виде в природе практически не существует, а выделять его из воды - довольно трудоемкий и энергозатратный процесс. Поэтому в качестве сырья для производства аммиака в основном используются углеводороды, содержащие природный газ. В настоящее время именно природный газ является одной из основ аммиачной промышленности. Прежде чем попасть в колонну синтеза газ проходит несколько стадий обработки.
В основном в качестве исходного сырья используется природный газ. Он должен соответствовать стандарту ГОСТу 5542 - 87
Таблица 2.1 - Характеристика сырья /13/
|
Требуемые показатели качества и технологические параметры, характеризующие сырье |
Нормы и параметры ( по ГОСТу, ОСТу, СТП, ТУ, Регламенту) |
Область применении изготавливаемой продукции |
|
|
Теплота сгорания низшая, МДж/м3(ккал/м3) при 20 °С; 101,325 кПа |
31,8 (7600) |
Используется на технологию и топливо |
|
|
Область значений числа Воббе (высшего). МДж/м3, (ккал/м3) |
41,2 - 54,5 (9850 ч 13000) |
||
|
Допустимое отклонение числа Воббе от нормального значения, %, не болле |
± 5 |
||
|
Массовая концентрация меркоптановой серы в г/м3, не более |
0,036 |
||
|
Объемная доля кислорода, %, не более |
1,0 |
||
|
Массовая концентрация сероводорода, г/м3, не более |
0,02 |
||
|
Масса механических примесей в 1 м3, г; не более |
0,001 |
||
|
Интенсивность запаха газа при объемной доле 1% в воздухе, балл, не менее |
3 |
2.2 Обоснование энергоресурсов
При производстве аммиака расходуется значительная часть энергии, в процессах которые проходят при высоких температурах и давлении. Несмотря на это эти производства стали более энергосберегающими благодаря усовершенствованию применяемых технологий.
Таблица 2.2 - Характеристика энергоресурсов
|
Наименование энергоресурсов |
Требуемые показатели качества и технологические параметры |
Нормы и параметры по ГОСТу и ОСТу |
Область применения |
|
|
Согласно регламенту ТР-1-11-1: 1. Вода демине-релизованная |
рН Элктропроводность, мкСм/см, не более Массовая доля кремния в пересчете на SiO2, мг/дм3, не более Массовая доля железа, общ. (Fe3+ + Fe2+) мг/дм3, не более Массовая доля аммиака (NH4+)мг/дм3, не более Массовая доля меди, общ. (Cu2+), мг/дм 3, не более |
6,8ч 7,8 5,0 0,02 0,03 1,0 0,02 |
Используется для получения пара |
|
|
Согласно регламенту ТР-03-02-2011: 2. Азот технический газообразный (N2) для технических нужд |
Объемная доля азота, %, не более Объемная доля кислорода, %, не более Точка росы, не выше |
99,9 0,1 Минус 40 |
Используется для продувок и опрессовок |
|
|
Согласно регламенту: ЗАО «Сибур-Химпром» 3. Водород (Н2) со стороны |
Содержание водорода, % об., не менее Содержание окиси углерода, % об., не более Содержание СО2, % об., не более Содержание метана, % об., не более |
98,0 1,0 0,9 0,1 |
Используется для восстановления катализатора НТК |
|
|
4. Азот газообразный (N2) для технических нужд |
Объемная доля азота, %, не менее Объемная доля кислорода, %, не более Точка росы, не выше |
98,5 1,5 Минус 40 |
Используется для технических нужд (обдув термопар и термокарманов) |
Рациональное использование вторичных энергоресурсов (утилизация тепла) в процессе производства почти полностью обеспечивает процесс паром и механической энергией. Это дает возможность строить агрегаты аммиака по энерготехнологическому принципу, приводящему к органическому слиянию химии с энергетикой. Так как завод находится рядом с рекой Камой - источника водоснабжения, прекрасной строительной индустрией города, то одновременно с интенсификацией производственных мощностей ведется планомерная работа по расширению и улучшению природоохранных объектов. Внедрение современных видов оборудования и методов очистки сточных вод позволили сократить объем, и улучшить качество стоков, сбрасываемых в реку Каму по содержанию нефтепродуктов, сульфидов, фенолов и прочих органических загрязнений. /13/
2.3 Выбор географической точки строительства
Для обоснования географической точки строительства необходимо наличие следующих факторов:
1.Водный фактор. Вода в конверсии метана играет решающую роль (источник пара), следовательно предприятие должно находится вблизи больших объемов водных ресурсов.
2. Энергетический фактор. Суммарная потребность в энергоресурсах вследствие больших объемов производства очень значительна. Поэтому дальнейшее развитие энергоемких производств наиболее эффективно в восточных районах, прежде всего в Сибири, на базе имеющихся там богатых и дешевых энергоресурсов.
3. Наличие квалифицированных кадров
4. Земельный фактор. Нужно выбирать место расположения производства паровой конверсии метана вблизи предприятий по производству аммиака, чтобы не тратить время на перевозку продуктов конверсии.
5. Сырьевой фактор. Близость к месторождению и добыче природного газа.
6.Транспортный фактор. Близость к транспортным путям, чтобы обеспечить быструю доставку природного газа
7.Климатический фактор. Благоприятные климатические условия
8. Наличие потребителей. /14/
Всеми этими качествами обладает АО «ОХК «Уралхим» обладает АО «ОХК «Уралхим»
2.4 Обоснование мощности производства
Производственная мощность предприятия (цеха или производственного участка) характеризуется максимальным количеством продукции соответствующего качества и ассортимента, которое может быть произведено им в единицу времени при полном использовании и основных производственных фондов в оптимальных условиях их эксплуатации.
Мощность производства определяется потребностью в данном продукте, наличием и запасами сырья, возможностью оборудования на данном этапе развития.
При выборе мощности производства руководствуются следующими параметрами: наличие спроса на данный вид продукции; наличие малоограниченного источника сырья; техническое совершенствование данного агрегата.
Расчетная мощность производства аммиака определяется по следующей формуле:
М = q·Tэфф.·n (2.1)
где n - число аппаратов (1);
q - производительность аппарата (1360 т/сут);
Тэфф - эффективное время работы оборудования, сут.;
В свою очередь эффективное время работы оборудования вычисляется по формуле:
Тэфф. = Ткал. - ТППР (2.2)
где Ткал. - календарное время работы оборудования (365 суток)
ТППР - время простоя оборудования в планово-предупредительном ремонте (30 суток).
На заводе по производству аммиака АО «Уралхим» проектная мощность 1360 т/сут, а текущая мощность - 1725 т/сут. /13/
Тогда, М = 1725·(365 - 30)·1 = 577875 т/год
3. Теоретическая часть. Термодинамический (статический) и кинетический анализ и физико-химическая оптимизация основного химико-технологического процесса
3.1 Термодинамический (статический) анализ процесса
Целью термодинамического анализа является нахождение условий, при которых процесс протекает с максимальным выходом продукта, а также позволяет найти зависимость равновесной степени превращения от параметров протекания процесса (Т, Р, соотношения пар: газ)
В процессе конверсии метан окисляется водяным паром, диоксидом углерода или кислородом по следующим основным химическим реакциям:
СН4 + Н2О = СО + 3Н2 - 206,9 кДж (3.1)
СН4 + СО2 = 2СО + 2Н2 - 248,1 кДж (3.2)
СН4 + 0,5О2 = СО + 2Н2 + 35,6 кДж (3.3)
Помимо этого могут протекать побочные реакции:
СО + Н2О = СО2 + Н2 + 41,0 кДж (3.4)
СН4 = С + 2Н2 - 74,9 кДж (3.5)
С + Н2О = СО + Н2 - 131,3 кДж (3.6)
Предварительно определим термодинамическую вероятность протекания реакций (3.1) - (3.5). Для этого из литературы /15/ возьмём термодинамические данные для веществ, участвующих выше в приведённых реакциях.
По данным, представленным в таблице 3.1, находим изменения термодинамических свойств реакций (3.1) - (3.5).
Таблица 3.1 - Термодинамические свойства веществ, участвующих в процессе конверсии метана
|
Вещество |
а |
b103 |
c106 |
c10-5 |
|||
|
CН4 |
-74,85 |
186,6 |
14,318 |
74,67 |
17,43 |
- |
|
|
Н2О |
-241,84 |
188,723 |
30,204 |
9,93 |
1,11 |
0,33 |
|
|
СО |
-110,52 |
197,907 |
26,15 |
8,74 |
1,92 |
-0,46 |
|
|
Н2 |
0 |
130,58 |
28,79 |
0,28 |
1,17 |
0,50 |
|
|
СО2 |
-393,51 |
213,8 |
44,14 |
9,04 |
0,85 |
-8,54 |
|
|
О2 |
0 |
205,06 |
31,46 |
3,39 |
- |
-3,77 |
|
|
С |
0 |
5,73 |
8,58 |
- |
- |
- |
При средней температуре процесса паровой конверсии 1000 К рассчитаем основные термодинамические характеристики. Результаты расчётов представлены в таблице 3.2:
Таблица 3.2 - Основные термодинамические характеристики реакций конверсии метана