Совершенствование технологии паровой конверсии метана

ВВЕДЕНИЕ 7
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10
1.1 Обзор технологий получения водорода 10
1.2 Катализаторы паровой конверсии 16
1.3 Оборудование для проведения процесса паровой конверсии метана...….17
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО ПРОИЗВОДСТВА 26
2.1 Химические и физико-химические основы производства 26
2.2 Физико-химические и теплофизические свойства исходных веществ, промежуточных, целевых и побочных продуктов 39
3 ПАТЕНТНАЯ ЧАСТЬ 40
4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО ПРОИЗ -ВОДСТВА 49
4.1 Основные стадии и технологические операции…………………………...49
4.2 Характеристика сырья, целевых и побочных продуктов, вспомогательных материалов и энергоносителей…………………………………………………50
4.3 Описание технологической схемы…………………………………………50
4.4 Аналитический контроль производства……………………………………55
5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО ПРОИЗ -ВОДСТВА 57
5.1 Материальный баланс технологического узла 57
5.2 Расчеты и выбор технологического оборудования………………………..61
5.3 Расчет количества технологического оборудования……………………...77
5.4 Механический расчет основного аппарата………………………………...77
5.5 Тепловой баланс реактора…………………………………………………..79
6 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСТАНОВКИ ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНА 83
6.1 Импортозамещение катализатора LK 817 83
6.2 Импортозамещение катализатора HTZ 5 86
6.3 Импортозамещение адсорбентов на КЦА 88
6.4 Новое техническое решение для очистки котлов-утилизаторов…………91
ВЫВОДЫ ПО ПРОЕКТУ………………………………………………...……..95
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 97
Приложение 1 Реактор
Приложение 2 Схема установки

Весь текст будет доступен после покупки

В настоящее время паровая конверсия природного газа является основ-ным методом промышленного производства водорода. Несмотря на многооб-разие имеющихся возможностей превращения природного газа, такой способ производства водорода - один из самых востребованных в современной хи-мической промышленности.
Водород необходим для термокаталитического преобразования сырья, то есть для гидрогенизационных процессов: гидроочистка с целью облагора-живания керосина, дизельного топлива, бензина, масел; гидрообессеривание с целью снижения содержания серы в тяжелых сернистых нефтепродуктах; гид-рокрекинг с целью глубокого превращения тяжелого остаточного сырья в светлые фракции.
За последние годы наблюдается значительно быстрое развитие гидрогенизационных процессов. Это напрямую связано с повышением требо-ваний к качеству товарных нефтепродуктов, снижением стоимости производ-ства водорода и созданием высокоактивных катализаторов. Установки для получения водорода конверсионным методом из природного газа в большин-стве случаев входят состав нефтеперерабатывающих комплексов.
Потребность в водороде, как в сырье для гидрогенизационных процес-сов, только растет. Водород производится из природного газа под воздействи-ем высоких температур, катализатора и водяного пара. В случае отсутствия природного газа, в качестве сырья используются сжиженные углеводородные газы и прямогонный бензин.
Вторым источником водорода на НПЗ являются установки каталитиче-ского риформинга прямогонной бензиновой фракции, предназначенные для повышения октанового числа бензина. Водород в технологии риформинга бен-зина получается в качестве побочного продукта в ходе процесса ароматизации углеводородов (около 2% массы от переработанного на каталитическом ри-форминге сырья). Полученный таким образом водород полностью потребляет-ся в ходе других процессов. Таким образом, увеличение мощности производ-ства водорода, является важным элементом в стратегии развития гидрогениза-ционных процессов.
В 2024 году в России было произведено 2 407 133 тыс. куб. м. водоро-да. В январе-мае 2025 года было произведено 1 003 624 тыс. куб. м., что на 3.3% выше аналогичного показателя предыдущего года. В мае 2025 года было произведено 211 294 тыс. куб. м., что на 2.2% выше показателей мая 2024 го-да
Характерной чертой отечественного рынка водорода является то, что крупнейшие производители данной продукции являются одновременно и ее основными потребителями. Порядка 90% получаемого в России водорода приходится на внутризаводское потребление.
Помимо предприятий, осуществляющих гидрогенизационные превра-щения сырья, водород так же используют и другие предприятия. Например, лидерами по потреблению водорода являются производители аммиака. В России работают 28 аммиачных установок, использующих 2,3 млн. т (55%) водорода. Около 560 тыс. т (13%) водорода расходуется на получение мета-нола. Потребление водорода будет увеличиваться главным образом за счет нефтепереработки.

Весь текст будет доступен после покупки

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Обзор технологий получения водорода

Водород получают различными способами, которые можно сгруппиро-вать следующим образом:
- физические;
- электрохимические;
- химические.
К физическим методам относятся те процессы, в которых исходное сы-рье (газовая смесь) уже содержит свободный водород и требуется тем или иным физическим путем освободить его от остальных компонентов. В част-ности, из нефтезаводских газов, представляющих собой смесь углеводородов с водородом, водород извлекается с помощью физических методов: глубоко-го охлаждения; абсорбции; адсорбции; диффузии через мембраны с избира-тельной проницаемостью для водорода. Указанные методы можно использо-вать не только для выделения водорода из нефтезаводских газов, но и для вы-деления его в различных процессах производства водорода.
В электрохимических методах выделение водорода из его химических соединений осуществляется разложением последних под действием электри-ческого тока.
Довольно широко используется в промышленности метод получения водорода (и одновременно кислорода) электролизом воды. Электролитом служит водный раствор KOH (350-450 г/л), давление в электролизерах ? от атмосферного до 4МПа. Однако производительность электролизных устано-вок невелика (4-500 м3/ч), и суммарный объем производства водорода дан-ным способом не превышает 10%. В основе процесса лежит реакция:
2 H2O = 2 H2 + O2
Чистая вода практически не проводит тока, поэтому к ней прибавляются электролиты (обычно КОН). При электролизе водород выделяется на катоде. На аноде выделяется эквивалентное количество кислорода, который, следова-тельно, в этом методе является побочным продуктом.
Получающийся при электролизе водород очень чист, если не считать примеси небольших количеств кислорода, который легко удалить пропуска-нием газа над подходящими катализаторами, например над слегка нагретым палладированным асбестом. Поэтому его используют как для гидрогенизации жиров, так и для других процессов каталитического гидрирования. Водород, получаемый этим методом довольно дорог.
Для разложения чистой воды при комнатных условиях требуется напряжение 1,24 вольта. Величина напряжения зависит от температуры и дав-ления, от свойств электролита и других элементов электролизера. В промыш-ленных и опытно-промышленных установках реализован КПД электролизера по энергии 70?75%, в том числе для электролиза под давлением. Паровой электролиз ? это разновидность обычного электролиза. Часть энергии, необ-ходимой для расщепления воды, в этом случае вкладывается в виде высоко-температурного тепла в нагрев пара (до 900°С), делая процесс более эффек-тивным.
Вследствие потерь напряжения, а также ввиду того, что выход водорода по току менее 100%, практический расход электроэнергии будет несколько выше. Обычно расход электроэнергии составляет 5,0 – 5,9 кВт·ч/м3 водорода, что соответствует выходу по энергии 50 – 60%.
Технологическая схема производства водорода и кислорода элек-тролизом воды сравнительно проста. Кроме основной стадии разложения во-ды она включает несколько вспомогательных стадий, необходимых для обес-печения питания электролизеров постоянным током, для очистки питающей воды и приготовления элект¬ролита. При повышенных требованиях к чистоте газов электро¬лиза схема дополняется стадиями очистки водорода и кислорода от щелочного тумана и взаимных примесей и осушки газов для удаления паров воды, унесенных из электролизеров и образовав¬шихся при каталитической очистке. Ниже описаны два наиболее характерных варианта технологической схемы электролиза воды: примерная промышленная схема производства большой мощности с использованием крупных фильтрпрессных электролизеров ФВ-500 (на 500?650 м3/ч водорода), работающих при не-большом избыточном давлении, и схема средних и малых установок электро-лиза воды, обычно работающих под давлением 10 ат и, как правило, снабжен-ных оборудованием для каталитической очистки и осушки газов. Однако пер-вый вариант схемы не исклю¬чает возможности каталитической очистки и осушки газов. И наоборот, во втором варианте схемы эти стадии могут отсут-ствовать, если в них нет необходимости.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Крейндель, Э.М. Конверсия метана природного газа / Э.М. Крейндель. - Л.: 1964.- 352с.
2. Яблонский, Г.С. Кинетические модели гетерогенно-каталитических реакций. Элементы теории кинетики сложных химических реакций. Глава 1. В сб.: Химическая и биологическая кинетика / Под ред. Н.М. Эмануэля, И.В. Березина, С.Д. Варфоломеева. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983.- 224с.
3. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, при-менение: Справ. изд. / Д.Ю. Гамбург, В.П. Семенов, Л.Н. Смирнова; Под ред. Д.Ю. Гамбурга, Н.Ф. Дубовкина. – М.: Химия, 1989.- 672с.
6. Яблоков, А. В. Атомная мифология: Заметки эколога об атомной индустрии. – М.: Наука, 1997. 271 с.
7. Сосна, М.Х.. Нонограммы для определения состава газа конверсии метана / М.Х. Сосна, Б.М. Энтин, И.Л. Лейтес // Химическая промышлен-ность. – 1989. - №7. - с.59
8. Пономарев-Степной Н.Н. Атомно-водородная энергетика – пути развития / Н.Н. Пономарев-Степной, А.Я. Столяревский //Энергия. – № 1. – 2004. – С. 3 - 9.
9. Пономарев-Степной. Н.Н. Водородная экономика и будущее человечества /Н.Н. Пономарев-Степной, В.П. Пахомов //В мире науки. – № 7. – 2006.
10. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (Роспатент). [Электронный ресурс]: база данных содержит сведения о всех патентах поступающей в фонд Роспатента. -Режим доступа: http:// www.fiрs. ru
11. Баратов, А.Н. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : 2 кн. : справ. издание / А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко, Г. Н. Кравчук. - М. : Химия, 1990. – 496 с.
12. Розанов, С. И. Общая экология: Учебник для технических направлений и специальностей. – СПб.: Лань, 2001. – C. 99 - 100.
13. Пригожин. И. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур / И. Пригожин, Д. Кондепуди – М.: Мир, 2002. – C. 30.

Весь текст будет доступен после покупки