К.т.н. Мещеряков Г.В.

«Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева»

Новомосковский институт (филиал)

Использование паровой конверсии в производствах

аммиака и метанола

Конверсия природного газа является основным промышленным способом получения водорода и синтез-газа для производства аммиака, метанола, высших спиртов и т.д.

81 % синтез-газа используется в производстве аммиака, 12,7 % в производстве метанола. [1] При производстве аммиака в настоящее время используется паро-кислородная, паро-кислородно-воздушная и двухступенчатая, состоящая из паровой и воздушной, конверсии. В производстве метанола применяют паро-кислородную и двухступенчатую (паровую и паро-кислородную) конверсии. [2] В составе природного газа, добываемого на территории России, количество метана колеблется от 87 % до 98 %, гомологов метана от 0,4 % до 5,54 %, остальное составляет диоксид углерода, инерты (азот и аргон) и соединения серы. [3, 4, 5]. В связи с этим в процессе этих конверсий протекают следующие реакции:

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂ - 202 кДж (1)

CH₄ + 0,5 O₂ = CO + 2H₂ + 35 кДж (2)

CO + H₂O = CO₂ + H₂ + 41 кДж (3)

Реакции окисления гомологов метана, которые входят в состав природного газа, протекают аналогично.

При паровой конверсии протекают реакции 1 и 3. Как видно из этих реакций при паровой конверсии происходит значительное поглощение тепла, что требует подвода дополнительного количества тепла, и увеличение объема газовой смеси.

При паро-кислородной, паро-воздушной и паро-кислородно-воздушной конверсии протекают реакции 1, 2, 3. Конверсии проводятся автотермически и объем газовой смеси после конверсии также увеличивается.

Синтез аммиака и метанола проводится при повышенных давлениях, поэтому конверсию природного газа из-за увеличения объема газовой смеси экономически целесообразно проводить при давлениях как можно более близких к рабочим давлениям основного синтеза. В настоящее время используются конверсии природного газа при 2, 3 и 4 МПа. Повышение давления приводит к снижению степени конверсии природного газа. Для повышения степени конверсии процесс проводят при более высоких температурах.

Необходимую для синтеза метанола и аммиака степень конверсии в паровой конверсии невозможно получить при повышенных давлениях, так как при высоких температурах из-за разницы давлений внутри и снаружи реакционных труб происходит их разрушение. Решить эту проблему можно за счет создания одинаковых давлений как внутри труб, так и в радиантной зоне конвертора.

Температурный режим паровых реакторов поддерживается сжиганием природного газа с воздухом в радиантной зоне печи. При этом часть образовавшейся энергии теряется с дымовыми газами.

Кроме этого, в состав дымовых газов входит значительное количество водяного пара. Отношение воды в дымовых газах к количеству природного газа, поступающего на собственно конверсию, составляет 0,9. Использование этого пара в процессе конверсии позволит резко повысить экономические показатели процесса, за счет снижения расхода пара, подаваемого в катализаторную зону конвертора.

Для использования дымовых газов в процессе паровой конверсии необходимо удалить из их состава азот, окислы азота, соединения серы.

С этой целью на горелки трубчатой печи надо подавать не природный газ, а газ после сероочистки и сжигать его не с воздухом, а с кислородом.

Дымовые газы с таким составом можно не выбрасывать в атмосферу, а подавать в реакционную часть трубчатой печи, предварительно смешав с природным газом, поступающим на конверсию, и с водяным паром, обеспечивающим соотношение CH₄ : H₂O, равным 1:(3¸4). Упрощенная схема такого реактора приведена на рис.1.

Природный газ после очистки разделяется на два потока. Первый (меньший) поток направляется в соотношении с кислородом 1:2 в радиантную секцию трубчатого реактора конверсии метана на сжигание. Смесь дымовых газов, природного газа и водяного пара подается на никелевый катализатор в трубное пространство конвертора, где и происходит паровая конверсия природного газа.

Рис.1. Трубчатый реактор конверсии природного газа с использованием

дымовых газов: 1 – камера сгорания природного газа; 2 – камера смешения продуктов сгорания с водяным паром; 3 – камера смешения парогазовой смеси после межтрубного пространства с 70 % природного газа и оставшимся количеством водяного пара, необходимого для процесса конверсии

Достоинства предлагаемого реактора:

1) высокая степень конверсии природного газа;

2) меньший расход водяного пара, чем в печи паровой конверсии;

3) отсутствие дымовых газов.

К недостаткам реактора можно отнести сложное аппаратурное оформление (трубчатый реактор).

Литература:

1. Получение продуктов основного органического синтеза из простейших соединений углерода.// Локтев С.М. и др. Новые материалы и технологии. Вып.13. М.: ВНИТИЦентр, 1985. – 134 с.

2. Мельников Е.Я. Справочник азотчика. Справочник: в 2-х томах. – Т.1 – М.:Химия, 1967. – 492 с.

3. P.J. Byznejz, P.J.Gohz, R.T. Hasham. Ind. Eng. Chem. 1932, v. 24, p. 1129.

4. Патент RU 2235889 10.09.2004.

5. Янковский Н.А. Аммиак «Вопросы технологии» Донецк. ЧИП «Новая печать». ООО «Лебедь», 2001 – 497 с.