Розділ 24. Розрахунок паро-вуглекислотної конверсії природного газу

Для одержання вихідного газу і його підготовки для синтезу метанолу використовують паро - вуглекислотну конверсію природного газу. На рисинку 1 надано енерготехнологічну схему агрегату синтезу метанолу, частина якої відноситься до стадії паро-вуглекислотної конверсії. Природний газ із заводського колектора під тиском біля 12 атм проходить загальний витратомір і розподіляється на два потоки. Перший потік змішують з продувними газами синтезу метанолу у співвідношенні приблизно 8 : 1 і направляють в сепаратор 1 для відділення від рідких вуглеводнів. Після сепаратора природний газ поступає на стиснення в відцентровий компресор 3, звідки при температурі 110°С і тиску 30 атм подається у вогневий підігрівач 4. Із підігрівача газ при температурі 400°С поступає на гідрування сіркоорганічних сполук в реактор 5, заповнений алюмо-кобальт-молібденовим каталізатором, а потім на поглинання сірководню у адсорбер 6, заповнений поглиначем на основі оксиду цинку.

Вміст сірковмісних сполук після адсорбера не повинно перевищувати 0,5 мг/м³. Очищений природний газ змішують з двооксидом вуглецю (змішувач на схемі на вказаний) у співвідношенні СО₂ : СН₄ = 0,2 і з водяною парою у співвідношенні Н₂О : СН₄ = 4,0. Двооксид вуглецю перед дозуванням в природний газ стискають компресором 8. Водяну пару після спрацьовування в турбінні 37 поступає на конверсію із парового колектора під тиском 40 атм.

Отриману парогазову суміш при температурі 360°С направляють в підігрівач 18, звідки вона при температурі 540°С і тиску 25 атм через розподільчі колектори попадає в реакційні труби, встановлені в радіаційній камері трубчатої печі 19.

Рисунок – Принципова енерготехнологічна схема виробництва синтезу метанолу в агрегаті потужністю 900 т на добу:

1 – сепаратор; 2 – парова турбіна; 3 – турбокомпресор природного газу; 4, 32 – вогневі підігрівачі; 5- реактор гідрування сірковмісних сполук; 6 – адсорбер; 7, 9 – парові турбіни; 8 – компресор вуглекислого газу; 10 – димова труба; 11 – димосос,

12 – підігрівач топкового газу; 13 – економайзер; 14 – трубні пучки пароутворення;

15 – допоміжний котел; 16 – парозбірник; 17 – пароперегрівач; 18 – підігрівач парогазової суміші; 19 – трубчата піч; 20 – горілки трубчатої печі і допоміжного котла; 21 – котел-утилізатор конвертованого газу; 22 – підігрівач деаерованої живильної води; 23 – економайзер; 24 – установка деаерації; 25 – насос питної води; 26 – турбіна насоса питної води; 27 – повітряні конденсатори; 28 – сепаратор синтез-газу; 29 – сепаратор; 30 – повітряний холодильник колони синтезу; 31 – колона синтезу метанолу;

33 - турбокомпресор циркуляційного газу; 34 – підігрівач синтез-газу;

35 – турбокомпресор синтез-газу; 36 – парова турбіна циркуляційного компресора;

37 – парова турбіна компресора синтез-газу.

В реакційних трубах, заповнених нікелевим каталізатором, відбувається паро-вуглекислотна конверсія природного газу. Конвертований газ виходить із шару каталізатора при температурі 850 – 870°С і тиску 18 атм. Вміст залишкового метану і двооксиду вуглецю не перевищує 3 і 12% об. (в перерахунку на сухий газ), стехіометричний показник процесу (Н₂ - СО₂) : (СО + СО₂) = 2,0 – 2,2.

Вологий конвертований газ із трубчатої печі попадає в котел-утилізатор 21, охолоджується приблизно до 280°С, проходить послідовно підігрівач деаерованої води 22 і хімічно очищеної води (перед деаерацією) 23, у яких охолоджується відповідно до 120 і 95°С. Потім газ остаточно охолоджується і відділяється від конденсату у повітряному конденсаторі 27 і сепараторі 28. Сухий очищений синтез-газ при 35-40°С і 18 атм поступає у відцентровий компресор 35, виходить із нього при 55 атм, змішується з циркуляційним газом, що поступає від компресора 33, і через теплообмінник 34 і вогневий підігрівач 32 направляється на синтез метанолу в колону 31.

Другий потік природного газу із заводського колектора після витратоміра змішують з продувними і танковими газами синтезу метанолу у співвідношенні відповідно 1 :2,3 :1 і направляють на спалювання в горілки вогневих підігрівачів 4 і 32, підігрівач топкового газу 12, горілки труб трубчатої печі і допоміжного котла 20, а також пускового котла (на схемі не вказано). Паровий конденсат із сепаратора 28 поступає у відділення хімічної підготовки води, куди подають також конденсат від парових турбін і додаткову свіжу воду. Хімічно очищена води проходить підігрівач 23, установку деаерації 24, насос живильної води 25, підігрівач 22 і при температурі 240°С поступає в економайзер (водопідігрівач) 13, розташований в конвективній камері трубчатої печі.

Із економайзера вода при температурі близько 250°С стікає в парозбірник 16, звідки частина її поступає в котел-утилізатор 21, а залишкова кількість – в пучок пароутворення 14 конвективної камери печі і у допоміжний котел 15. Насичена пара із котла 21, пучка пароутворення 14 і котла 15 повертається в парозбірник 16 при температурі близько 300°С і тиску 100 атм. Пара із парозбірника поступає в пароперегрівач 17, із якого при тиску 104 атм і температурі близько 480°С подається на парову турбіну 37 компресора свіжого синтез-газу. Після турбіни пару тиском 40 ати направляють в загальний колектор, із якого вона далі поступає на парові турбіни 2, 7, 9, 26, 36.

Продукти синтезу через теплообмінник 34 і повітряний холодильник 30 попадають в сепаратор метанолу-сирцю 29. Газ із сепаратора направляють на стиснення в циркуляційний компресор 33. Димові гази із конвективної зони трубчатої печі при температурі не вище 200°С димососом 11 викидаються в атмосферу через димову трубу 10.

Описана схема конверсії і енергопостачання в поєднанні з синтезом метанолу при тиску 50 атм дозволяє різко знизити вартість метанолу порівняно зі старими схемами виробництва.

Основним компонентом природного газу є метан. Тому основні процеси, що перебігають при конверсії, можна описати наступними реакціями:

CH₄ + H₂O ↔ CO + 3H₂ (1)

CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂ (2)

CH₄ + CO₂ ↔2CO + 2H₂ (3)

Завдяки реакціям (1) і (3) підтримують необхідне для синтезу метанолу співвідношення CO і H₂. З точки зору термодинаміки реакція (3) є залежною - (3) = (1) - (2). і рівновага процесу описується системою 2 рівнянь:

(4)

Склад конвертованого газу для синтезу метанолу

задається співвідношенням, що називається функціоналом f :

(5)

Початковий і кінцевий склад газової суміші, а також парціальний тиск її компонентів при встановленні рівноваги описуються рівняннями, що наведені в таблиці.

Умовні позначення:

–об’єм відповідно СН₄, СО₂ в вихідному газі, м³.

N - співвідношення пара/метан на вході; Р - тиск процесу, атм;

x - ступінь перетворення CH₄ за реакцією (1), частка;

y - ступінь перетворення СО за реакцією (2), частка.

Таблиця – Розрахункові рівняння складу газової суміші

Компонент	Об’єм, м3		Рівноважний тиск компонентів
	вихідний	рівноважний
СН4
H2О
СО	-
СО2
H2	-
Всього	Σ

З врахуванням виразів парціального тиску з таблиці рівняння

(4) і (5) набувають вигляду:

₍₆₎

₍₇₎

₍₈₎

Значення констант рівноваги К₁ и К₂ визначаються за формулами:

; (9)

. (10)

Мета роботи: реалізація в середовищі MathCad розрахунку витрати вуглекислого газу, рівноважних (практичних) ступенів перетворення і складу газової суміші.

Вихідні дані

Об’єм сухого метану, м³: – 1000. Тиск процесу, атм: Р – 1.

Співвідношення пара/метан на вході в конвертор: N – 1.3.

Температура конверсії, К: Т – 1100. Значення функціоналу: f – 1.35.

Алгоритм розрахунку

1. Розрахувати константи К₁ и К₂ за формулами (9) і (10): Т1=Т2=Т.

2. Задати начальні наближення x = 0.8, y= 0.1, Rco₂ = 0,1^..

3. Вирішити систему рівнянь (6) – (8) відносно x, y і Rco₂. за допомогою операторів Given і Find, між якими вводяться ці рівняння

Присвоїти вектору рішення функцію Find: Z:=Find(x, y, Rco₂). Привласнити x:=Z₀ y:=Z₁ Rco₂:=Z₂. Зауваження: для деяких значень начальних наближень система рішення не має.

4. Розрахувати рівноважний склад вологого і сухого конвертованого газу (м³, %) за формулами таблиці і представити у матричному вигляді.

5. Зробити розрахунок для f=2 і значень технологічних параметрів згідно вищенаведеного опису технологічної схеми.