Контрольная работа по "Химии"

Синтез-газ  из углеводородных газов (природного, попутного, газов переработки других топлив) является основным источником получения аммиака и метанола.

В настоящее  время в России почти весь аммиак (98%) получают из природного газа. По используемому  окислителю и технологическому оформлению можно выделить следующие варианты процесса получения водород-содержащих газов: высокотемпературная кислородная конверсия, каталитическая парокислородная конверсия в шахтных реакторах, каталитическая пароуглекислотная конверсия в трубчатых печах.

Окисление метана (основного компонента углеводородных газов) при получении синтез-газа протекает по следующим основным суммарным реакциям:

 

СН₄ + Н₂0 ↔ СО + ЗН₂   ΔН = 206,4 кДж  (1)

СН₄ + 0,50₂ → СО + 2Н₂ ΔН= -35,6 кДж (2)

СН₄ + СО₂ ↔ 2СО + 2Н₂ ΔН = 248,3 кДж.(3)

 

Несмотря  на существенно различные требования к конвертированному газу, все его разновидности могут быть получены каталитической конверсией углеводородов с водяным паром, диоксидом углерода, кислородом и воздухом.

Паровую конверсию предварительно очищенного от серы с помощью ZnO или цеолитов природного газа проводят на никелевом катализаторе при 900-1000°С. При более низкой температуре не достигается равновесие в первой из приведенных выше реакций. Однако высокая стоимость перегретого пара, образование избыточных количеств CO₂ являются существенными недостатками этого способа переработки. Но, несмотря на это, процесс паровой конверсии все еще считается наиболее экономически эффективным вариантом для крупнотоннажных (750 тыс. т/год) установок производства метанола, имеющих одну технологическую линию и рассчитанных на использование в качестве сырья газа по низкой или умеренной цене.

Процесс парциальной окислительной  кислородной конверсии чаще проводят при повышенных давлениях. Так в пилотных реакторах без пара при давлении 3 МПа температура процесса превышает 1000°С. Процесс ведется на различных катализаторах, нанесенных на носители. К недостаткам метода парциального окисления следует отнести высокую стоимость кислорода (около 50% общей стоимости получения синтез-газа), взрывоопасность, возможность разрушения катализатора за счет локальных перегревов, возможность образования углерода, что приводит к отравлению катализаторов коксом.

В последнее время для получения  синтез-газа все большее внимание уделяется процессам некаталитического парциального окисления углеводородов кислородом, в частности кислородом воздуха в химических реакторах, созданных на базе ракетных технологий.

Основным недостатком процесса некаталитического парциального окисления  метана является необходимость использования  не оптимальных для получения  синтез-газа по реакции (2) технологических режимов из-за конкуренции нескольких реакций. Это обстоятельство приводит к тому, что процесс необходимо вести при малом коэффициенте избытка окислителя, при котором выход синтез-газа не достигает максимально возможного и, кроме того, необходимо принимать дополнительные меры для подавления высокого выхода альтернативной реакции с получением углерода

СН₄=С+2Н₂, ΔН=+74,8 кДж/моль С

Недостатком процесса парциального окисления  метана кислородом воздуха является также получение «бедного», разбавленного  азотом воздуха синтез-газа. Так состав синтез-газа при парциальном окислении метана воздухом более чем в 5 раз разбавлен азотом по сравнению с составом синтез-газа, получаемого при парциальном окислении метана чистым кислородом. Это усложняет технологическую схему получения из «бедного» синтез-газа любых целевых продуктов, увеличивает объемы и металлоемкость оборудования и значительно увеличивает стоимость оборудования, что является существенным недостатком процесса парциального окисления метана кислородом воздуха.

В последние годы возросло внимание к углекислотной конверсии метана в связи с поисками новых способов получения водорода из синтез-газа. Известен так называемый процесс Калкор - конверсия природного или нефтяного газа в присутствии СО₂ на катализаторах. Получают СО и Н₂ с примесью СН₄ не менее 0,1%. Однако большой трудностью промышленной реализации приведенной выше реакции (3) является зауглероживание металлических катализаторов, хотя оба компонента реакции дешевы. Кроме того, выход водорода в реакции 3 сравнительно мал.

Большие трудности в практической реализации всех способов конверсии  метана связаны со значительными  тепловыми эффектами процессов. Эндотермичность реакций (1) и (3) и экзотермичность реакции (2) создают проблему подвода или отвода тепла. Одним из путей решения проблемы, связанной с подводом и отводом тепла при получении синтез-газа, является разработка комбинированной конверсии метана.

Известны также способ и устройство смешанного риформинга СН₄+O₂+Н₂О в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора, в котором газообразные компоненты предварительно подогревают и инжектируют в зону реакции за период, меньший чем время самовоспламенения, т.е. меньше чем 9 миллисекунд со скоростью от 8 до 333 м/с. Полученный синтез-газ охлаждают и направляют для дальнейшей переработки.

Основным недостатком изобретения  по патенту является необходимость  использования катализатора.

2. Описать методы очистки азотоводородной смеси от диоксида углерода и сероводорода.

Для удаления из азотоводородной смеси оксидов углерода применяют абсорбционные, адсорбционные и каталитические методы очистки.

Очистка газа от диоксида углерода. Способ очистки от СО₂ определяется технологией производства. Сначала широкое распространение получила водная очистка под давлением. Основной ее недостаток — большой расход электроэнергии вследствие низкой растворимости СО₂ в воде. Как правило, после водной промывки требуется доочистка газа другими способами, например растворами щелочи.

Наиболее  широко применяют процессы очистки  газов от СО, растворами моноэтаноламина (МЭА) и поташа (К₂С0₃). Эти хемосорбенты обладают высокими емкостью и селективностью. Их недостаток — большой расход теплоты на 1 м³ очищаемого газа при высокой концентрации диоксида углерода в исходной смеси. В связи с этим на некоторых установках для очистки газов с высоким содержанием С0₂ используют органические растворители: пропилен- карбонат («флюор-процесс»),         N-метилпирролидон («пуризол»), диметиловый эфир («селексол»), захоложенный метанол («ректизол»).

Разработаны и внедрены процессы очистки растворами алка- ноламинов в органических растворителях (для повышения концентрации активного компонента в растворе). Нашли применение процесс «амизол» (раствор диэтаноламина и моноэтаноламина в метаноле) и др.

Во всех перечисленных методах очистки  газов, за исключением абсорбции раствором NaOH, в качестве побочного продукта получают диоксид углерода, который находит широкое использование, например, в производстве карбамида.

В отечественной  азотной промышленности наибольшее распространение получили процессы очистки от С0₂ растворами моноэтаноламина и горячими активированными растворами поташа.

Очистка газа от оксида углерода. После удаления диоксида углерода конвертированный газ поступает на очистку от СО. Ранее для очистки от оксида углерода широко применялась абсорбция медно-аммиачными растворами. Этот способ очистки отличается невысокой интенсивностью и сложностью поддержания технологического режима. В современных агрегатах получила распространение промывка газа жидким азотом. В этом процессе одновременно с оксидом углерода жидкий азот растворяет метан и аргон, в результате получается азотоводородная смесь, тщательно очищенная от каталитических ядов и инертов. Содержание оксида углерода в такой смеси не превышает 20 см³/м³.

Метанирование. Тонкую очистку азотоводородной смеси от СО и С0₂ на современных установках синтеза ведут каталитическим гидрированием этих соединений до метана в агрегате метанирования. Процесс основан на следующих реакциях:

С0 + ЗН₂↔СН₄ + Н₂0         ΔН = —206,4 кДж

С0₂ + 4Н₂ ↔ СН₄ + 2Н₂0 ΔН =  —165,4 кДж

0,50₂ + Н₂ ↔ Н₂0              ΔН = —241,6 кДж.

Гидрирование  осуществляют на никельалюминиевом катализаторе при 250—350 °С. В этих условиях реакции необратимы и идут до конца с выделением большого количества теплоты. Катализатор выпускают в виде таблеток размером от 4—5 до 8—10 мм.

Процесс метанирования отличается простотой, легкостью управления, хорошо сочетается со схемой синтеза аммиака.

 

3. Рассчитать расход колчедана, содержащего 40% S на 1 тонну серной кислоты, если потери S и SO₂ в производстве серной кислоты по 3%, а степень абсорбции 98%.

Решение в тетради

 

4. Сколько тонн 76% Н₂SО₄ можно получить из 16 тонн пирита. Степень превращения пирита 80%.

Решение в тетради

 

5. Составить материальный баланс производства 10т ТiО₂. Состав ильменитовой руды (%масс.): FеТiО₃ – 70%; Fe₂О₃ - 29%; другие примеси – 1%. Степень превращения FеТiО₃ 81%. В производстве используется 76%-ная серная кислота.

Решение в тетради

6. Подсчитать теоретическое количество воздуха, которое необходимо подать в печи для сжигания серы. Сырьем для производства серной кислоты служит сера 1-го сорта следующего состава: S – 98,2%; As – 0,01%; H₂O – 1,5%; зола – 0,29 %. Обжиговый газ содержит 18% (об.) SO₂.

Решение в тетради

 

   1.Сжигание серы.

При  получении  обжигового  газа  путем   сжигания   серы   отпадает необходимость очистки от примесей. Стадия подготовки будет включать  лишь осушку газа и утилизацию кислоты. При сжигании серы протекает необратимая

экзотермическая реакция:

S + O2 = SO2                          (1)

с выделением очень большого количества  теплоты: изменение Н= -362,4 кДж/моль, или в пересчете на единицу массы 362,4/32=11,325 кДж/кг = 11325 кДж/т S.

Расплавленная жидкая сера, подаваемая на сжигание, испаряется  (кипит) при температуре 444,6 °С; теплота испарения составляет  288  кДж/кг.  Как видно  из  приведенных  данных,  теплоты  реакции  горения  серы   вполне достаточно для испарения исходного сырья, поэтому взаимодействие  серы  и кислорода происходит в газовой фазе (гомогенная реакция). Сжигание  серы  в  промышленности  проводят  следующим  образом.  Серу предварительно расплавляют (для этого  можно  использовать  водяной  пар, полученный при утилизации теплоты основной реакции горения серы). Так как температура плавления серы сравнительно низка,  то  путем  отстаивания  и последующей фильтрации от серы легко отделить  механические  примеси,  не перешедшие в жидкую фазу, и получить исходное сырье  достаточной  степени чистоты. Для сжигания расплавленной серы  используют  два  типа  печей  – форсуночные и циклонные. В них необходимо предусмотреть распыление жидкой серы для  ее  быстрого  испарения  и  обеспечения  надежного  контакта  с воздухом во всех частях аппарата. Из  печи  обжиговый  газ  поступает  в  котел-утилизатор  и  далее   в последующие аппараты.

Концентрация  диоксида серы в обжиговом  газе  зависит  от  соотношения серы  и  воздуха,  подаваемых  на   сжигание.   Если   воздух   берут   в стехиометрическом количестве, т.е. на каждый моль серы 1 моль  кислорода, то при полном  сгорании  серы  концентрация  будет  равна  объемной  доле кислорода в воздухе Сso2.max=21%. Однако обычно воздух берут  в  избытке, так как в противном случае в печи будет слишком высокая температура. При адиабатическом сжигании серы температура  обжига  для  реакционной смеси  стехиометрического  состава  составит  ~  1500°С.  В  практических условиях возможности повышения температуры в  печи  ограничены  тем,  что выше 1300°С быстро разрушается футеровка печи  и  газоходов.  Обычно  при сжигании серы получают обжиговый газ, содержащий 13 – 14% SO2.