Способы получения синтез газа реферат

Гнитиёв Павел Александрович

Факультет: Физико-металлургический

Кафедра: Техническая теплофизика

Специальность: Промышленная теплотехника

Усовершенствование тепловых параметров получения синтез-газа для производства метанола

Научный руководитель: к.т.н., доц. Бирюков Алексей Борисович

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Первым способом получения синтез-газа была газификация каменного угля, которая была осуществлена еще в 30-е годы XIX века в Англии с целью получения горючих газов: водорода, метана, монооксида углерода. Этот процесс широко использовался во многих странах до середины 50-х годов XX века, а затем был вытеснен методами, основанными на использовании природного газа и нефти. Однако в связи с сокращением нефтяных ресурсов значение процесса газификации снова стало возрастать.

Производство синтез-газа является важным элементом современной технологии химического синтеза. Увеличение конкурентоспособности продукции может быть достигнуто как за счет роста общего уровня ресурсоэнергосбережения, так и за счет эффективного внедрения новых разработок в направлении получения синтез-газа. В данной работе предложена схема получения синтез-газа из природного газа путем комбинирования паровой и кислородной конверсий.

1. Обзор известных технологий синтеза.

В промышленном масштабе для производства синтез-газа используют три основных метода:
1. Конверсия природного газа водяным паром и кислородом.
   (Реакция взаимодействия метана с водяным паром проводится в присутствии никелевых катализаторов (Ni-Al₂O₃) при повышенных температурах (800-900 °С) и давлении, В качестве сырья вместо метана может быть использовано любое углеводородное сырье.)
2. Окисление тяжелого мазута.
3. Газификация каменного угля.

При различных методах получения синтез-газа образуется газ с различным соотношением СО/H₂. Конверсия природного газа водяным паром -1:3, кислородом — 1:2, остальные 1:1. Соотношение СО/H₂ имеет большое значение для дальнейшей переработки синтез-газа. Например, для синтеза метанола требуется синтез-газ с соотношением СО/H₂ = 1:2.

2. Описание предложенной технологической схемы получения синтез-газа.

В отделение для получения синтез-газа поступает природный газ, в количестве 2711 м 3 /ч и с температурой 20 °С. Проходя через теплообменник ТО11, газ нагревается до температуры 90 °С. После чего, природный газ попадает в газо-газовый теплообменный аппарат. В нем происходит кислородная конверсия природного газа в объеме 1289 м 3 /ч из другого потока. Находясь в трубном пространстве, которое омывается продуктами конверсии, природный газ нагревается до температуры 300 °С и затем поступает в десульфуратор для очистки от серы. Проходя через первый теплообменник ТО11, природный газ отдает часть тепла вновь поступившему газу и его температура падает с 300 °С до 250 °С.

В один из теплообменных аппаратов, расположенный в камере неполного сжигания, подается пар для подогрева, после чего этот пар разделяется на два потока, в соотношении 9:1. Первая часть потока пара (90%) поступает непосредственно в эжектор №1, в качестве эжектирующей среды. Вторая часть пара (10%) смешивается в смесителе с природным газом, и образованная смесь направляется в тот же в эжектор №1, в качестве эжектируемой среды, в котором происходит полное смешивание природного газа с остаточной частью пара. Данная смесь с температурой 229 °С и давлением 9,5 атм. попадает в теплообменник ТО10, где подогревается до температуры 697 °С и поступает в теплообменный аппарат для дополнительного нагрева. После чего смесь с высокой температурой и давлением в 9 атм. следует в первый реактор НИАП-03-01, где протекает реакция паровой конверсии природного газа по уравнению:

Прореагировавшая смесь с давлением 8,05 атм. направляется во второй реактор НИАП-03-01, в который дополнительно подается окислитель (О₂) для парокислородной конверсии продуктов реакции, так как паровая конверсия природного газа протекает с поглощением тепла, а кислородная — с его выделением. Реакция протекает по уравнению:

Комбинирование двух способов конверсии, паровой и кислородной, позволяет эффективнее и более полно производить разложение природного газа на его составляющие, а значит можно говорить о сокращении затрат на производство синтез-газа.

На выходе из второго реактора мы получаем смесь, состоящую из газов СО и Н₂, по сути синтез-газа, а так же побочных продуктов СО₂ и Н₂О, которые необходимо удалить перед последующей переработкой синтез-газа. Весь объем газа 10750 м 3 /ч, с температурой 750 °С и давлением 7,2 атм. направляется в теплообменник Т010 для нагрева следующей порции смеси природного газа и пара.

Продукты сгорания, получаемые при кислородной конверсии природного газа в камере неполного сжигания, направляются в десульфуратор. Пройдя очистку от серы продукты неполного сжигания, имея температуру 350 °С и с расходом в 4250 м 3 /ч, смешиваются с полученным ранее синтез-газом в эжекторе №2. Окончательная смесь проходит через теплообменник ТО9, охлаждаемый технической водой, для понижения температуры синтез-газа до уровня 30 °С. Проходя ряд теплообменников, мы отбираем физическое тепло от синтез-газа и передаем его для вновь поступившей смеси природного газа и пара, тем самым повышая степень использования теплоты.

По прохождению газом цепочки теплообменников, мы имеем синтез-газ с давлением 3,9 атм. и в объеме 15000 м 3 /ч. Полученный синтез-газ необходимо направить на участок очистки от СО₂ и Н₂О, после чего он поступит на участок получения метанола.

Ниже, на рис. 1, приведена схема получения синтез-газа из природного газа путем паровой и кислородной конверсии.

Рисунок 1 – Технологическая схема получения синтез-газа.

Выводы

Таким образом, в данной работе предложена ресурсоэнергосберегающая схема производства синтез-газа и представлена конкретная технологическая схема, позволяющая получать 15000 м 3 /ч синтез-газа при переработке 4000 м 3 /ч природного газа.

Список источников

1. Бекиров Т.М. Первичная переработка природных газов / Бекиров Т.М. // Химия – 1987. — 256 с.
2. Богомолов А.И., Гайле А.А., Громов В.В. Химия нефти и газа / Богомолов А.И., Гайле А.А., Громов В.В. // Химия – 1995. — 448 с.
3. Катализ в Cl-химии / Под ред. Л. Кайма. Л.: Химия, 1987. — 296 с.
4. Патент 2052492 РФ. Способ получения синтез-газа и газификатор вертикального типа / С. Р. Исламов, С. Г. Степанов, А. Б. Морозов, О. С. Пивоваров, В. А. Збруев. — Опубл. 20. 01.1996 г. в БИ № 2. — 4 с.
5. Шелдон Р. А. Химические продукты на основе синтез-газа: Пер. с англ. М.: Химия. — 1987.
6. Синтез-газ
7. В.И. Мурин, Н.Н. Кисленко, Ю.В. Сурков и др. Технология переработки природного газа и конденсата. Справочник / В.И. Мурин // Недра — 2002. — 517 с.
8. Караханов Э. А. Синтез-газ как альтернатива нефти. / Караханов Э. А. // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 6. С.69.
9. Катализ в С1 – химии. / Под ред. Л. Кайма. Л.: Химия, 1987. 296 с.
10. Арутюнов, В. С. Окислительная конверсия природного газа /РАН; Отв. Ред. А. Л. Лапидус. — М.: КРАСАНД, — 2011

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: январь 2013 года.

Источник

Синтез-газ: способы получения, производство, состав и применение

Состав синтез-газа. Способы его получения: газификация каменного угля, конверсия метана, парциальное окисление углеводородов. Его применение в химической промышленности. Принципы зеленой химии. Биоразлагаемые полимеры. Производство полимолочной кислоты.

Рубрика	Химия
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	21.12.2016
Размер файла	30,5 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Синтез-газ: способы получения, производство, состав и применение

История человечества знает довольно много примеров, когда в силу необходимости рождались кардинально новые подходы к решению существующих жизненно важных проблем. Например, в Германии в промежуток между первой и второй мировыми войнами, лишенной доступа к крупным нефтяным источникам, назревал серьезный дефицит топлива, которое было необходимо для функционирования гражданской и военной техники.

Располагая существенными запасами ископаемого угля, Германия начала искать пути его трансформации в жидкое топливо, пригодное для двигателей внутреннего сгорания. Эта проблему удалось решить благодаря усилиям превосходных химиков, из которых отдельного упоминания заслуживает Франц Фишер, директор Института кайзера Вильгельма по исследованию угля.

В 1926 году Ф. Фишер и Г. Тропш опубликовали работу «О прямом синтезе нефтяных углеводородов при нормальном давлении», где сообщалось, что при восстановлении монооксида углерода водородом при нормальном атмосферном давлении в присутствии катализаторов при температуре в 270 градусов по шкале Цельсия можно получить жидкие и твердые гомологи метана.

Так на свет появился знаменитый способ синтеза углеводородов из монооксида углерода, называемый с тех пор методом Фишера-Тропша. Благодаря данному методу смесь водорода и угарного газа в различных соотношениях может легко быть получена как из каменного угля, так и из любого другого сырья, содержащего углерод. Полученную в результате данного процесса смесь газов начали называть синтез-газом.

1. Состав синтез-газа

Как мы уже упомянули выше, в состав синтез-газа входят такие вещества как CO и H₂. В зависимости от метода получения синтез-газа соотношение CO:Н₂ в нем варьируется от 1:1 до 1:3. В прямой зависимости от применяемого сырья и метода его соотношение компонентов в синтез-газе изменяется в широких пределах. Как правило, процентное содержание веществ в сыром неочищенном синтез-газе следующее:

Стоит заметить, что данное соотношение является весьма приблизительным, поскольку повышением температуры в процессе синтеза можно увеличить количество СО, а увеличив давление можно повысить содержание Н₂и СН₄.

Также, помимо данных веществ синтез-газ может содержать и другие вещества — инертные газы (N₂) и серосодержащие соединения (H₂S), если исходное сырье содержало серу. От не нужного присутствия в синтез-газе таких веществ как углекислый газ и сера избавляются путем очистки селективными растворителями.

2. Способы получения синтез-газа

Первым известным человечеству способом получения синтез-газа была газификация каменного угля. Данный способ был осуществлен в Англии еще в 30-е годы XIX века, и во многих странах мира до 50-х годов XX века. Впоследствии данная методика была вытеснена методами, основанными на использовании нефти и природного газа. Однако в связи с существенным сокращением мировых нефтяных ресурсов, значение процесса газификации каменного угля снова стало возрастать. К тому же, благодаря такому необходимому процессу как переработка ТБО, ученые научились добывать синтез-газ из новых, нетрадиционных источников.

Сегодня существуют три основных метода получения синтез-газа.

1. Газификация угля. Данный процесс основан на взаимодействии каменного угля с водяным паром и происходит по формуле:

Данная реакция является эндотермической, и равновесие при температуре 900-1000 по шкале Цельсия сдвигается вправо. Разработаны различные технологические процессы, использующие парокислородное дутье, благодаря которому наряду с упомянутой реакцией параллельно протекает экзотермическая реакция сгорания угля, которая обеспечивает необходимый тепловой баланс. Ее формула:

синтез газ углеводород полимер

2. Конверсия метана. Данная реакция взаимодействия водяного пара и метана проводится при повышенной температуре (800-900 градусов) и давлении при присутствии никелевых катализаторов (Ni-Al2O3). Формула данного процесса:

Также в качестве сырья в данном способе вместо метана можно использовать любое сырье, содержащее углеводород.

3. Парциальное окисление углеводородов. Данный процесс, происходящий при температурах выше 1300 градусов заключается в термическом окислении углеводородов. Формула данной реакции:

Данный способ применим к любому сырью, содержащему углеводороды но наиболее часто используется высококипящая фракция нефти — мазут.

3. Производство синтез-газа

Сегодня производство синтез-газа постоянно совершенствуется, поскольку востребованность данного сырья неизменно растет с каждым годом. В настоящее время учеными разрабатываются проекты подземной газификации угля, то есть планируется, что получение синтез-газа будет происходить непосредственно в пласте угля глубоко под землей. Интересен тот факт, что подобную идею уже высказывал известнейший русский ученый Д.И. Менделеев, причем более 150 лет назад.

Также благодаря современным разработкам сегодня синтез-газ научились получать газификацией не только угля и нефти, но и более нетрадиционных источников углерода, вплоть до бытовых и сельскохозяйственных отходов. Таким образом, сегодня мусороперерабатывающие заводы способны добывать такое ценное сырье как синтез газ в процессе утилизации отходов.

4. Применение синтез-газа

Сегодня синтез-газ используется в химической промышленности для получения различного сырья. Кроме этого, он также используется в качестве экологически чистого источника тепла и энергии. Сжигая синтез-газ можно получить достаточно большое количество тепла, которое можно использовать в самых различных целях.

Кроме этого, синтез газ используется в качестве исходного сырья для метилового спирта и синтетического жидкого топлива, которое по своим характеристикам ни в чем не уступает традиционному.

Сложившийся образ химии как науки, приносящей неисчислимые бедствия человечеству и разрушающей природу, к сожалению, имеет под собой определенные основания. Проблемы чистоты воздуха, воды и сохранения природы — насущные проблемы человечества, а для жителей городов и мегаполисов эти проблемы возрастают многократно. Коптящие заводские трубы, факелы, «лисьи хвосты», выбросы ТЭЦ и автомобилей — это все из нашей реальной жизни. Человечество, через два столетия развития современной химии и через сто лет промышленного ее применения, пришло к той незримой черте, когда очевидны стали две истины: 1) без химии (читайте: без новых материалов, эффективных лекарств, средств защиты растений, список можно продолжать до конца страницы) человек не может обойтись и 2) химическое производство в современном виде дальше существовать не должно. Что-то должно быть сделано, чтобы превратить химию и химическую промышленность из монстра, которым пугают депутатов парламентов и маленьких детей, в отрасль с человеческим лицом. Однако, чем была бы наша жизнь без химии? Смогло ли без нее выжить человечество, развиваться цивилизация?

Ответы на эти вопросы ясны: без современных материалов, красителей, средств защиты растений, лекарств это было бы невозможно. Так появилась «зеленая» химия (в английском варианте — «green chemistry»)

Чтобы сделать химию «зеленой», нужны новые технологии, новые материалы, новые энергоносители, так что разработки ученых-специалистов в области «зеленой» химии исключительно востребованы в настоящее время.

«Зеленая» химия — это не раздел химии, а новый способ мышления в химии. В общем, это и не только химия, хотя без глубоких знаний химии и химической технологии здесь не обойтись. Многие ошибочно считают, что «зеленая» химия и экология — это одно и то же. Напротив, конечная цель «зеленой» химии — свести на нет усилия экологов по удалению тех вредных выбросов, которые являются основной проблемой практически всех химических (и не только химических) производств. Если экологи пытаются обезвредить последствия, создаваемые химией, то задача «зеленой химии» — обеспечить такие производства, в которых такие последствия вообще отсутствуют. Пути, по которым уже сейчас движется зелёная химия, можно сгруппировать в три большие направления:

1) новые пути синтеза (часто это реакции с применением катализатора);

2) возобновляемые исходные реагенты (то есть полученные не из нефти);

3) замена традиционных органических растворителей.

«Зеленая» химия — это новая философия химии, новый язык, помогающий взглянуть на химическую отрасль не с позиций утилитарных (получение прибыли, производство продуктов, которые имеют спрос), хотя это тоже важно, но и с позиций гуманитарных. В этом смысле, принципы «зеленой» химии все чаще обсуждаются в контексте концепции устойчивого развития. В последнее время прорабатываются вопросы, связанные с «устойчивостью», долговременностью технологий и процессов, даже продуктов. Основные положения концепции устойчивого развития базируются на простой и очевидной идее, высказанной Брундтландом: удовлетворение потребностей нынешнего поколения должно осуществляться таким образом, чтобы не ограничивать и не подвергать опасности возможности удовлетворения потребностей будущих поколений. В противном случае, нынешнее поколение, т.е. мы с вами, уподобимся Хроносу, который пожирал своих детей.

Что касается связи «зеленой» химии и устойчивости развития действительно, концепция устойчивого развития включает в список основных вопросов, которые должно будет решать человечество, следующие:

· источники энергии и новые топлива;

· пища, включая питьевую воду;

· глобальные климатические изменения;

· проблема загрязнения воздуха, воды (мировой океан, моря, озера, реки, подземные источники) и почвы;

· проблема ограничения производства и потребления токсических и вредных продуктов.

Из этого списка видно, что только проблема регулирования народонаселения остается в стороне от химии, хотя уровень жизни и здоровье населения, проблемы детства и старости так или иначе связаны с химией. Как не вспомнить Михайло Васильевича Ломоносова: «Широко распростирает химия руки свои в дела человеческие». Так, поиск новых источников энергии, энергоносителей и топлив уже давно находится в центре внимания химии (переработка природного газа, особенно в жидкие продукты, диметиловый эфир как альтернатива дизельному топливу, фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии, наконец, водородная энергетика). Проблемами питания и пищи химики занимаются с незапамятных времен, вспомним гидрогенизацию жиров, синтетические витамины, биологически активные добавки и синтетическую пищу, а проблема создания и потребления генетически модифицированных продуктов до сих пор не сходит с первых страниц газет и новостных программ. Глобальные изменения климата также, по сути, связаны с физико-химическими процессами, и научиться управлять этими процессами — ближайшая цель ученых. Ничего, кроме химии, не работает, когда стоят задачи очистки воздуха, воды или почвы от летучих и растворенных органических и неорганических веществ. Наконец, поиск новых безвредных (по меньшей мере, для человека, а по большей мере, для значительной части окружающей природы) средств защиты растений, стимуляторов роста и т.д. — это ли не задача химии?

5. Принципы зеленой химии

Принцип 1. Лучше предотвращать образование выбросов и побочных продуктов, чем заниматься их утилизацией, очисткой или уничтожением.

Следует сказать, что использование каталитических технологий дает огромное число примеров, иллюстрирующих практически все 12 принципов, но катализ и его преимущества легли в основу отдельного принципа (принцип 9). Вместе с тем, первый принцип наглядно иллюстрируется многочисленными примерами процессов и производств, особенно органического синтеза, в которых вредные реагенты заменяются в последнее время на менее вредные, более эффективные, дающие меньше побочных продуктов, либо такие побочные продукты, которые легче утилизируются. Например, вместо фосгена (СОС1₂) в качестве карбонилирующего агента в некоторых процессах используют диметилкарбонат (СН₃О)₂С=O, который получают по реакции :

Тот же диметилкарбонат начали применять и как метилирующий агент альтернативный метилхлориду и диметилсульфату.

Точно также в процессах восстановления органических соединений использование водорода представляется экологически более оправданным, чем применение LiAlH₄, NaBH₄, муравьиной кислоты и др. восстановителей, которые дают побочные продукты, требующие утилизации.

Аналогичная ситуация возникает в процессах окисления: очевидно, что использование стехиометрических реагентов, таких как КМnO₄, СrO₃, К₂СrО₄, К₂Сr₂О₇, NaClO₃, NaCIO, органические гидропероксиды и других, менее привлекательно, чем пероксида водорода, закиси азота или воздуха (кислорода). Другое дело, что не всегда удается получить желательный продукт, используя воздух для окисления. Примеры каталитических процессов с участием таких «зеленых» (хотя и бесцветных) окислителей будут рассмотрены далее.

Даже замена хроматов и перманганатов качестве окислителя на гипохлорит натрия в окислении спиртовой группы вне которых стероидах в карбонильную группу является иллюстрацией вышеизложенного принципа, поскольку из гипохлорита в качестве побочного продукта образуется хлорид натрия, не являющийся, в отличие от соединений хрома, например, вредным веществом.

Принцип 2. Стратегия синтеза должна быть выбрана таким образом, чтобы ВСЕ материалы, использовавшиеся в процессе синтеза, в максимальной степени вошли в состав продукта.

Здесь следует в вести понятие атомной экономии или атомной эффективности, предложенные в разных модификациях Б. Тростом и Р. Шелдоном. Полнота использования исходного вещества называется атомной эффективностью, и этот показатель можно использовать как меру «зелёности» химического производства:

Атомная эффективность = Кол-во атомов в продуктеЧ 100%/Кол-во атомов в исходных веществах.

Естественно, процесс в одну стадию А+В=С (например, полимеризация этилена) гораздо эффективнее, чем А+В=С (нужный продукт) + D (побочный продукт). Идею атомной эффективности Р. Шелдон выражал через Е-фактор, который показывает количество потерь накилограмм продукта.

Кол-во тонн продуктов

Соотношение, кг (Е) побочный продукт/нужный продукт

Источник