microbik.ru
1 2 ... 5 6
Министерство химической промышленности


Научно-исследовательский институт технико-экономических исследований


Г. Вакк, В.П. Семенов

КАТАЛИТИЧЕСКАЯ КОНВЕРСИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ В ТРУБЧАТЫХ ПЕЧАХ

(учебное пособие для рабочих профессий)

Москва 1979

УДК 665.644.041.544 (075)

Вакк Э.Г., Семенов В.П. Каталитическая конверсия углеводо­родов в трубчатых печах (учебное пособие для рабочих профессий). М., НИИТЭХИМ, 1979.

В пособии содержатся краткие сведения о процессе получения технологического газа каталитической конверсией углеводородов в трубчатых печах для синтеза аммиака. Рассмотрены теоретические основы процесса, промышленные технологические схемы; назначение, устройство и работа основных аппаратов; особенности эксплуата­ции трубчатых печей; возможные неполадки в работе агрегата и способы их устранения. Кратко освещены вопросы техники безопас­ности.

Учебное пособие утверждено объединением Союзазот и пред­назначено для преподавателей курсовой сети, ведущих обучение ра­бочих на предприятиях химической промышленности, а также может быть использовано квалифицированными рабочими для самостоятель­ной подготовки.

Отзывы и предложения следует направлять по адресу: 257000, г. Черкассы, ул. Шевченко, 205, Отделение НИИТЭХИМа, отдел раз­работки учебных пособий и оказания методической помощи в под­готовке и повышении квалификация рабочих кадров.







Рис.19. Шахтный реактор паровоздушной конверсии агрегата АМ-70:

а) общий вид:

1-корпус; 2-верхний штуцер с пробкой; 3-высокоглиноземистый огнеупорный торкретбетон; 4-теплоизоляционный торкребетон; 5-верхний штуцер с пробкой; 7-сборный газоход из глиноземистых блоков; 8-решетка из огнеупорного кирпича; 9-металлическая сетка из жаропрочной проволоки диаметром 3 мм, 21/2 меш; 10-нижняя горловина выхода газа; 11-нижний боковой штуцер с пробкой; 12-штуцеры термопар; 13-верхняя горловина входа парогазоазотной смеси из выносной камеры сгорания; 14-слой из высокоглиноземистых шаров диаметром 38 мм ; 15-катализатор;

б)сборный газоход и решетчатая кирпичная насадка из высокоглиноземистых материалов:

1,2,3,4,9-фасонные огнеупорные блоки сборного газохода; 5,8-огнеупорные кирпичи специальной формы; 6,7-огнеупорные кирпичи насадки и верхней решетки;

в)компоновка смесителя, реактора, передаточного и секционных коллекторов трубчатой печи:

1-передаточный коллектор; 2-выносной смеситель; 3-загрузочный люк шахтного реактора; 4- шахтный реактор; 5-котел-утилизатор; 6-секционные коллекторы трубчатой печи.

ВВЕДЕНИЕ

Широкое применение удобрений в сельском хозяйстве, и в частности азотных, приводит к ускоренному развитию отечественной азотной промышленности. В 1970 году наша страна произвела 7630 тыс.тонн аммиака, который является основным компонентом в производстве азотных удобрений, а в 1980 году его будет выпущено более 15 млн. тонн.

Аммиак синтезируют из азота и водорода при температуре около 500 С и давлении до 300 ат в присутствии катализатора. Источником азота является воздух, который вводят на одной из стадий производства аммиака. В отечественной азотной промышленности широкое распространение получил метод производства водорода и водородсодержащих технологических газов, основанный на взаимодей­ствии углеводородов (от метана до легких бензинов) с водяным паром на никелевых катализаторах под давлением до 40 ат в трубчатых реакторах.

Современные агрегаты производства аммиака имеют производи­тельность от 600 до 1500 тонн. Для построения схем аммиачных агрегатов применяется энерготехнологический принцип, который предусматривает производство практически всей энергии, необходимой для работы установленного оборудования внутри агрегата. Управле­ние агрегатами строится по принципу объединения всех технологи­ческих и энергетических стадий и блоков в единую одноагрегатную систему.

ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА КОНВЕРСИИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ

Паровая и пароуглекислотная конверсия метана в трубчатых ре­акторах может быть описана следующими стехиометрическими уравне­ниями реакций:



При получении технологического газа для синтеза аммиака кон­версию ведут в две стадии. В трубчатом реакторе осуществляют про­цесс взаимодействия углеводородов с водяным паром, причем выби­рают такие условия, чтобы содержание остаточного метана в сухом конвертированном газе составляло 8-10%.

В шахтном реакторе проводят конверсию остаточного метана во­дяным паром и кислородом воздуха. При этом кислород реагирует с водородом, метаном и окисью углерода по следующим уравнениям:



Суммарное тепло, выделяющееся в результате приведенных ре­акций, должно быть достаточным для протекания эндотермической реакций взаимодействия оставшегося метана с водяным паром по уравнению (1).

В шахтный реактор подают количество воздуха, позволяющее получить технологический газ с отношением ( СО2 + Н2) : N2 равным

3,05-З,1 и конечной температурой, при которой содержание остаточ­ного метана равнялось бы заданному 0,3-0,5 об.%.

Равновесный состав конвертированного газа зависит от тем­пературы, давления процесса, и от состава исходной смеси. Реак­ция конверсии углеводородов идет с увеличением объема погло-

щением тепла. Согласно правилу Ле-Шателье химическое равновесие реакций (I) и (2) сдвигается вправо при повышении температуры, уменьшении давления, увеличении мольного отношения пара и двуо­киси углерода к метану в исходной смеси.

Выбранным условиям процесса соответствует определенный со­став газа и для принятой температуры - только одно значение константы равновесия. Состав конвертированного газа должен характе­ризоваться определенными суммой или отношением его компонентов. Эту характеристику называют стехиометрическим показателем кон­версии (S ).

В производстве аммиака S = (Н2 + СО2) : N2 = 3,05 – 3,1.

Скорость взаимодействия метана и других углеводородов с во­дяным паром и двуокисью углерода в свободном объеме без катали­затора очень мала. В статических условиях при температуре ?00°С и пребывании смеси газов, состоящей из одного объема метана и двух объемов водяного пара, в зоне нагрева в течение трех часов степень превращения метана составляет всего 3% от равновесной. В промышленном трубчатом реакторе конверсия метана до получения смеси, близкой к равновесной, должна осуществляться в течение 1,0-1,5 секунды, то есть при значительно большей скорости про­цесса. Для увеличения скорости взаимодействия углеводородов с водяным паром и двуокисью углерода применяют катализаторы.

Каталитическая конверсия углеводородов водяным паром явля­ется гетерогенным каталитическим процессом, протекающем на гра­нице раздела твердой (катализатор) и газообразной (смесь угле­водородов, водяного пара, водорода и окислов углерода) фаз. На­чалу химических реакций взаимодействия углеводородов с водяным паром предшествует концентрирование реагентов у поверхности ка­тализатора (адсорбция).

Наибольшей каталитической активностью в реакциях взаимодей­ствия углеводородов с водяным паром и двуокисью углерода облада­ет катализатор, содержащий никель. Содержание никеля в различ­ных катализаторах колеблется от 3 до 40 вес.%. Применяют два ос­новных способа приготовления катализаторов.

По первому способу соединения никеля и промоторов (активи­рующих и стабилизирующих добавок) смешивают с порошкообразным носителем и образующуюся однородную массу формуют экструзией или таблетированием в полусухом или сухом состоянии. По второму каталитически активные вещества наносят на сформованный и прокаленный инертный носитель путем двух-, трех- и четырехкратного пропитывания его растворами солей никеля и промоторов. В качест­ве носителей применяет чистую окись алюминия либо с добавками окислов других металлов. Готовый катализатор прокаливают при температуре 400°С для перевода солей никеля в окислы.

Никелевые катализаторы конверсии углеводородов должны обла­дать высокой активностью, стабильностью, механической и термиче­ской прочностью. Срок службы катализаторов трубчатой конверсии метана при правильной эксплуатации достигает трех и более лет. В настоящее время в отечественной промышленности для трубчатых пе­чев и шахтных реакторов применяют катализаторы, представленные в

таблице I.

Производительность реактора характеризуется линейной объем­ной или эффективной скоростью. Объемная скорость - это отношение объема исходного сухого природного газа, подводимого в единицу времени, к объему загруженного в реактор катализатора (м3/(м3.ч), или ч 1). Эффективная скорость - это отношение объема исходного сухого природного газа, подводимого в единицу времени, к сумме поверхностей гранул катализатора ( м3/(м3.ч ), или м/ч). Величина эффективной скорости дает возможность при расчете производитель­ности реактора учитывать размеры и форму гранул катализатора»

Активность никелевых катализаторов конверсии при температу­ре ?50-8Э0°С достаточно велика. При объемных скоростях порядка 4000 ч""^ на гранулах катализатора достигается степень превраще­ния углеводородов, близкая к расчетной равновесной. Скорость хи­мических реакций не лимитирует процесс конверсии. В трубчатых печах лимитирующими стадиями являются подвод реагентов и тепло­передача.

Скорость подвода реагентов ограничена гидравлическим соп­ротивлением слоя катализатора, которое не должно превышать 4-6 ат. Скорость теплопередачи ограничена главным образом механическими свойствами сталей, из которых изготовлены реакционные трубы. Мак­симальная рабочая температура стенок реакционных труб современ­ник трубчатых печей не должна превышать 900-930°С, а тепловые потоки - ккал/(м2*ч).

Химический состав и основне свойства промышленных катализаторов конверсии природного газа Таблица 1.


Марка

Формула гранул

Размеры D x H x d мм

Химический состав на прокаленное вещество, вес. %

Насыпная плотность, кг/л

Удельная поверхность,

м²/г

Пористость, %

Средняя механическая прочность, кгс/см²

Термостойкость, Кт

Темп. начала реакции на восстановленном катализаторе, ˚С

Темп. прокаливания носителя катализатора ˚С


№ ТУ

NiO

Cr2O3

Al2O3

CaO

MqO

SiO2

Fe2O3

TiO2

BaO

ГИАП-3-6Н

кольца

К 15(15х15х5)




























1,4-1,60

2-2,5

33

400-600 (от К-15 до К-20)

3-15

420-450

1400

ТУ 6-03-313-71

К 20(20х18х7)

6-12

-

88-94

-

-

-

-

-




























цилиндры

11х12




















































ГИАП-16(марка 1)



кольца

От 14х10х6

до 16х12х7

25±2

-

51-55

7-11

6-10

-

-

-

0,8-1,2

1,0-1,3

40

20-40

600

20

400-500

400

ТУ 6-03-352-73

ГИАП-16(марка 2)



кольца

От 14х10х6

до 16х12х7

25±2

-

61-65

7-11

-

-

-

-

0,8-1,2

1,0-1,3

40

20-40

600

20

-

-

ТУ 6-03-352-73

ГИАП-8

цилиндры

15х15

6-8

-

90-94

-

-

-

-

-




1-1,25

5-5

53

180

20

-

1340-1380

ТУ 6-03-382-75

ГИАП-14

цилиндры

15х15

-

5-8

92-95

-

-

-

-

-




1-1,15

8

53

200

25

-

1340-1380

ТУ 6-03-27-26-78

С-15-1

кольца

16х16

-

6

94

-

-

-

-

-




























С-11-2s

кольца

16х10х6

23-27

-

62-64

10-11

0,5

-

-

-




0,9

67,2

37

454

16

400-500

-

Поставщик – фирма “Си-Си-Ай”

С-11-4

кольца

19х19х7

17

-

86

8,8

-

-

-

-




0,83

79,3

40

460

6

-

С-11-9

кольца

16х8х6

13х17

-

81-85

0,1

1,5

-

-

-




1,2

7,6

36

880

15

-

23-1''''

кольца

От16х 6,4 х 6,4 до19х19х8

9-12

-

78-81

-

-

Не более 0,1







1,15

-

-

68∕60'

20

-




Поставщик – фирма “Каталко”

23-2''

кольца

От16х 6,4 х 6,4 до19х19х8

6-9

-

89-93

0,1

0,1

0,1

0,1

0,05




1,0

1-2




27''' 68

-

-

-

54-1'''''







19-25

-

58-70

10-16

-

не более 0,2

не более 0,05

-







-




-

-

-

-


следующая страница >>