Каталитические процессы конверсии метана

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН 

Каспийский  государственный университет технологии и инжиниринга имени Ш. Есенова 

Институт  Нефти и газа 
 

Кафедра «Химия и химическая технология» 
 

По дисциплине: Современные проблемы нефтепереработки и нефтехимии   
 
 
 

РЕФЕРАТ 

Тема: Каталитические процессы конверсии метана 
 

выполнила: магистрант гр. ХТНВ-10-1 Атантаева А.А

проверил: проф. Батманов К.Б 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

АКТАУ-2011 

Содержание

Введение........................................................................................................3

1.Процессы переработки метана………………………………………………4

2. Каталитическая конверсия метана………………………………………….5

3.Термодинамика и кинетика процесса конверсии метана

с водяным паром..................................................................................................8

4. Катализаторы  конверсии метана...................................................................10

4.1 Катализаторы  конверсии метана ГИАП-8, ГИАП-25,

  ГИАП-36Н…………………………………………………………………….11

4.2 ДКР-1………………………………………………………………………12

Заключение…………………………………………………………………….13

Список  использованной литературы………………………………………..14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

     В настоящее время конверсия метана является основным промышленным методом  получения водорода и технологических  газов для синтеза аммиака, спиртов  и других продуктов. Известны различные  способы конверсии метана. От метода конверсии зависят как технологическая, так и энергетическая схемы производства аммиака в целом. Для выбора оптимального варианта необходимо знать состав конвертированного газа, его энтальпию и эксэргию.

     Расчет  равновесных составов конвертированного  газа на основе известных методик  требует использования ЭВМ и  соответствующего программного обеспечения. Для упрощения этой задачи целесообразно  построить номограммы для определения  содержания отдельных компонентов  в конвертированном газе, а также  номограммы для нахождения его энтальпии  и эксэргии. В литературе приведены  номограммы только для паровой конверсии  метана, однако, имеется возможность  построения подобных номограмм и  для других способов конверсии. [1]

     Конверсия метана, являющегося основным компонентом природного газа, представляет собой наиболее экономичный способ получения азотоводородной смеси. Крупнейшие газовые месторождения имеются на Украине, Северном Кавказе, в Средней Азии, Поволжье, Сибири и других районах страны.

     Природный газ бесцветен, не имеет запаха, значительно  легче воздуха, горюч и взрывоопасен. При транспортировке по трубопроводам  в природный газ добавляют  меркаптаны, обладающие резким запахом, что позволяет легко обнаружить утечку газа, но создает дополнительные трудности при его переработке, так как меркаптаны — серосодержащие соединения, а сера является ядом для  всех катализаторов производства аммиака. [1] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 Процессы переработки метана

     Многочисленные  синтезы на основе метана представляют огромный практический и теоретический  интерес, так как позволяют получать ценнейшие органические соединения из природного газа практически без  какой-либо предварительной переработки. Уже в настоящее время освоено  промышленное производство большого количества важных продуктов из метана, в частности  из него получают хлорсодержащие растворители, сероуглерод, синильную кислоту. В  условиях пиролиза метана получают ацетилен и этилен. Каталитическая конверсия  метана водяным паром является основным методом производства водорода и  синтез-газа (смесь СО и Н₂ в различных соотношениях). В свою очередь, синтез-газ в процессе Фишера-Тропша может быть превращен в различные кислородсодержащие соединения (метанол, формальдегид, ацетальдегид, уксусную кислоту, этиленгликоль), олефины, индивидуальные углеводороды, моторные топлива и другие продукты. В 1987 году в Новой Зеландии фирмой "Mobil Oil" был пущен в эксплуатацию завод по производству метанола и жидких углеводородов из продуктов паровой конверсии метана. Это свидетельствует о начале процесса переориентации ведущих нефтеперерабатывающих компаний на ненефтяное сырье.

     Новые нетрадиционные методы получения синтез-газа из метана, такие, как электрохимическое  окисление или конверсия с  углекислым газом в термодиффузионном  реакторе, находятся в стадии исследовательской  проработки.

     Несмотря  на многообразие имеющихся теоретических  возможностей превращения метана, наибольший интерес исследователей и производителей в последнее время привлекают следующие процессы:

1. получение синтез-газа;
2. прямое каталитическое превращение метана в этилен - окислительная конденсация метана;
3. прямое каталитическое окисление метана в кислородсодержащие продукты - спирты и формальдегид.

     В промышленной практике получили распространение  следующие методы конверсии метана: каталитическая конверсия и высокотемпературная (некаталитическая) конверсия. По первому  методу конверсию можно проводить  в одну и две ступени (соответственно одноступенчатая и двухступенчатая  каталитическая конверсия). [2]

     Разработка  процесса прямого каталитического  окисления метана в кислородсодержащие продукты началась еще в начале XX столетия. Несмотря на то что этот процесс  термодинамически возможен при атмосферном  давлении и комнатной температуре, до сих пор не удалось подобрать  эффективные катализаторы. Поэтому  в настоящее время этот процесс  проводят без катализатора при высоких  давлениях, однако выходы полезных продуктов  невелики. Следовательно, данный процесс  не является в настоящее время  перспективным для промышленной реализации.

     2 Каталитическая конверсия метана 

     Каталитическая  конверсия метана может быть осуществлена либо в смеси метана с водяным  паром, либо в смеси метана с водяным  паром и кислородом.

     В связи с тем, что реакция конверсии  метана с водяным паром сильно эндотермична, для ее осуществления  требуется подвод тепла. В промышленности этот процесс проводится в трубчатых  печах. В трубы пожаропрочной  стали загружается никелевый  катализатор, снаружи трубы обогреваются топочными газами. Такой метод  конверсии нашел применение в  тех случаях, когда требуется  получить технический водород с  минимальным содержанием азота. Процесс ведется при температуре 800 — 850°С на выходе из слоя катализатора. К 1 м³ природного газа добавляют обычно 2—2,5 м³ водяного пара. Остаточное содержание, метана в конвертированном газе составляет 1 — 2%.

     Преимущество  этого метода заключается в том, что для обогрева труб могут быть использованы любые горючие газы, в том числе отходы производства. Недостатком этого метода являются большие капитальные затраты  на сооружение установок и необходимость  использования высококачественных легированных сталей.

     Если  требуется получить смесь водорода с азотом, например для синтеза  аммиака, метан конвертируют смесью водяного пара и воздуха, обогащенного кислородом. Часть метана сжигают  в реакционной зоне, в результате выделяется тепло, необходимое для  протекания эндотермической реакции (3) взаимодействия метана с водяным  паром. Процесс ведется в конверторами шахтного типа при температуре 800 — 900°С. Остаточное содержание метана в  конвертированном газе составляет не более 0,5%. В настоящее время азотоводородную  смесь получают в промышленности одноступенчатой или двухступенчатой  конверсией метана.

     Одноступенчатая конверсия метана. В зависимости от схемы производства аммиака конверсия природного газа проводится при действии на него водяного пара и кислорода или воздуха, обогащенного кислородом. Конверсия природного газа в присутствии водяного пара и кислорода применяется в тех случаях, когда конвертированный газ используется либо в синтезе метанола и высших спиртов, либо в производстве аммиака, в технологической схеме которого предусмотрено определение промывки газа жидким азотом.

     Для получения аммиака в производствах, имеющих станцию медно-аммиачной  очистки газа от окиси углерода, применяется конверсия метана с  водяным паром и воздухом, обогащенным  кислородом. Процесс конверсии метана осуществляется в аппаратных шахтного типа на никелевом катализаторе при  температуре 850°С. Технологическая  схема одноступенчатой конверсии  природного газа подробно описана в  последующих главах памятки. Конверсия  метана может происходить не только в присутствии водяного пара и кислорода, но и двуокиси углерода по реакции (4). В этом случае конвертированный газ имеет повышенное содержание окиси углерода, что весьма целесообразно при синтезе метанола и высших спиртов. Путем изменения соотношения водяного пара и двуокиси углерода в исходной газовой смеси можно изменить соотношение водорода и окиси углерода в конвертированном газе до 3.

     Двухступенчатая конверсия метана. В тех случаях, когда имеются дешевые источники тепла для обогрева реактора, азотоводородную смесь для синтеза аммиака получают методом двухступенчатой конверсии природного газа. Технологическая схема процесса представлена на рис. 3. [3] 

     Рис 3. Технологическая  схема двухступенчатой  конверсии метана:

     1 – трубчатая печь; 2 – конвертор метана  второй ступени; 3 – увлажнитель; 4 – котел-утилизатор; 5, 9 – парогазосмесители; 6 – двухступенчатый  конвертор окиси  углерода; 7 – пароперегреватель; 8 - теплообменник; 10 –  аппарат для очистки  от соединений  серы. 

     Природный газ под избыточным давлением 0,7 — 0,8 ат поступает в теплообменник 8, в котором подогревается до температуры 380°С за счет тепла газов, исходящих после конверсии окиси углерода. Из теплообменника природный газ подается в аппарат 10, заполненный поглотителем на основе окиси цинка, для связывания соединений серы. Очищенный газ смешивается в аппарате 9 с водяным паром, нагретым до 380°С в пароперегревателе 7 за счет тепла газа после конверсии СО. Парогазовая смесь (отношение пар : газ =5 : 1) с температурой 380°С поступает в трубчатую печь 1, снабженную подвешенными трубами, изготовленными из специальной жаропрочной стали. В трубах размещается никелевый катализатор общим объемом 7,5 м³. Снаружи трубы обогреваются топочными газами, образующимися при сжигании какого-либо газа. Парогазовая смесь проходит через катализатор сверху вниз, при этом температура постепенно возрастает с 400 до 800°С. Степень превращения метана в первой ступени достигает 70%. Конвертированный газ после первой ступени поступает в конвертор шахтного типа 2, куда добавляется воздух. Остаточный метан почти полностью реагирует на никелевом катализаторе при температуре 850 — 900°С. Конвертированный газ после второй ступени содержит до 0,5% метана. Газ из конвертора метана поступает в увлажнитель 3, затем в котел-утилизатор 4 и далее (при 400°С) в конвертор 6.

     В последнее время находят применение усовершенствованные трубчатые  печи с двойными трубами. Катализатор  помешается в кольцевом сечении, образованном внутренней и наружной трубами. Греющие газы подаются с  внешней стороны наружной трубы. Природный газ вместе с паром  проходит через катализатор сверху вниз, а полученный конвертированный газ — по внутренней трубе снизу  вверх. Такая конструкция аппарата позволяет улучшить условия теплопередачи  и увеличить температуру в  слоях катализатора, не повышая температуру  стенок труб. [3]