Материал: ОХТ в вопросах и ответах Ч2

Вопрос. Какие существуют решения по усовершенствованию производ-

ства серной кислоты?

Ответ. Одним из наиболее эффективных решений по значительному улучшению технико-экономических показателей производства серной кислоты является повышение единичной мощности системы. Как известно,

повышение единичной мощности системы в 2-3 раза позволит снизить удельные капитальные затраты на 15-20%, при этом производительность труда возрастёт примерно в 2 раза. В настоящее время типовой является система производительностью 1000 т/сутки серной кислоты. В ближайшие годы можно ожидать ввода в действие систем мощностью 2000 и даже

3000 т/сутки.

Другим важным мероприятием может стать увеличение давления процесса. Реакция окисления диоксида серы сопровождается уменьшением объёма и согласно принципу Ле-Шателье увеличение давления благопри-

ятствует смещению равновесия в правую сторону и позволяет достигать более высоких значений степени переработки сырья. Дополнительным ар-

гументом в пользу применения повышенного давления является возмож-

ность перестройки традиционной ресурсо-энергосберегающей системы в систему энерго-технологическую. Такая система полностью снабжает себя энергией и дополнительно выдает на сторону энергетический пар. Приме-

ры эффективной работы сернокислотных систем имеются в зарубежной практике.

Следующее важной направление в усовершенствовании производ-

ства серной кислоты состоит в замене воздуха, используемого на стадиях сжигания серосодержащего сырья и окисления диоксида серы, кислородом или воздухом, обогащенным кислородом. Расчёты показывают, что приме-

нение технического кислорода или воздуха, обогащенного кислородом,

позволит примерно в 4-5 раз увеличить интенсивность этих стадий.

21

3. ХТС производства аммиака

Вопрос. Какие реакции образуют химическую схему ХТС производства аммиака?

Ответ. Химическая схема представляет собой последовательность основ-

ных химических реакций, осуществляемых для переработки азотоводород-

ной смеси в аммиак:

Все реакции каталитические, из них (1), (3) и (4) – обратимые, реак-

ция (1) – эндотермическая, остальные реакции – экзотермические.

Вопрос. Что представляет собой операционная модель ХТС производства аммиака?

Ответ. Операционная модель ХТС производства аммиака представляет собой последовательность технологических операций переработки азото-

водородной смеси в аммиак.

Производство аммиака описывается следующей операционной схе-

мой:

1) перевод всех серосодержащих соединений, отравляющих катали-

заторы, в сероводород путём их каталитического гидрирования;

2)очистка природного газа от сероводорода;

3)паровая конверсия метана;

4)воздушная конверсия метана (служит для окончательного превра-

щения метана в Н2). Одновременно в производство вовлекается азот, вхо-

дящий как основной компонент в состав воздуха и необходимый для син-

теза аммиака;

22

5)конверсия оксида углерода СО с водяным паром;

6)вывод СО2 как побочного продукта из реакционной смеси;

7)очистка газа от оксидов углерода. После стадий 5 и 6 остаётся не-

большое количество СО и СО2, которые мешают дальнейшим превраще-

ниям азотоводородной смеси в аммиак. Удаляют оксиды углерода путём их каталитического гидрирования;

8)синтез аммиака из практически чистой азото-водородной смеси;

9)утилизация отдувочных газов из отделения синтеза аммиака.

Вопрос. Что представляет собой функциональная схема ХТС производства аммиака?

Ответ. Функциональная схема ХТС производства аммиака представляет собой последовательность основных отделений (подсистем) производства аммиака и соответствует приведённым выше химической и операционной схемам (рис. 3.1). Цифрами на схеме обозначены подсистемы ХТС.

Рис. 3.1. Функциональная схема ХТС производства аммиака:

1 – подсистема очистки природного газа от серосодержащих соединений; 2 – подсистема паровоздушной конверсии метана; 3 – подсистема конверсии оксида углерода водяным паром; 4 – подсистема очистки азотоводородной смеси от оксидов углерода;

5 – подсистема синтеза аммиака

Вопрос. Почему необходима очистка природного газа от серосодержащих соединений?

Ответ. Природный газ изначально содержит примеси серосодержащих со-

единений: меркаптаны (RSH), тиофен (гетероциклическое соединение

C4H4S), сероуглерод (CS2), сульфиды (R2S), сероводород (H2S) и др. Кроме того, перед транспортировкой по трубопроводам природный газ дополни-

тельно одорируют, добавляя этилмеркаптан, обладающий сильным запа-

23

хом. Одорирование придаёт специфический запах природному газу, что необходимо в целях безопасности.

Для очистки от серосодержащих соединений можно использовать сорбционные методы, но различные компоненты удаляются разными спе-

цифичными сорбентами. Чтобы избежать многоступенчатой сорбционной сероочистки (минимизировать затраты), все серосодержащие соединения природного газа переводят в одну форму – их гидрируют до сероводорода:

RSH + H2 = H2S + RH;

C4H4S + 4H2 = H2S + C4H10;

CS2 + 4H2 = 2H2S + CH4 и т.д.

Водород для гидрирования используется из азотоводородной смеси.

После операции гидрирования природный газ, содержащий серу в виде

H2S, направляется на стадию собственно сероочистки.

Вопрос. Как осуществляется очистка природного газа от сероводорода?

Ответ. Очистка природного газа от сероводорода проводится путём хими-

ческой адсорбции на оксиде цинка ZnO:

ZnO + H2S = ZnS + H2O.

Это гетерогенный процесс, протекающий в системе «газ–твёрдое», с

образованием твёрдого продукта реакции и описываемый моделью «сжи-

мающееся ядро». Процесс проводится при 520 690 К и лимитируется внутренней диффузией.

Вопрос. В чём заключаются термодинамические закономерности процесса паровой конверсии метана?

Ответ. Реакция конверсии метана с водяным паром является обратимой и эндотермической:

CH4 + H2O CO + 3H2 Qp

24

Согласно принципу Ле Шателье увеличение температуры благоприят-

но влияет на равновесие и приводит к увеличению равновесной степени превращения хр. Температура, необходимая для полного превращения ме-

тана составляет 1300 К. Реакция конверсии метана сопровождается по-

вышением объёма реакционной смеси, поэтому с ростом давления равно-

весие сдвигается в сторону исходных веществ. Сдвиг равновесия в сторону продукта можно осуществить путём использования избытка второго реа-

гента λ (в данном случае водяного пара по отношению к CH4). Практически полное превращение метана xр = 99 % может быть достигнуто при дву-

кратном избытке водяного пара. Характерные зависимости хр(Т), хр(Р),

хр( ) приведены в [3, рис. 2, c. 18].

Вопрос. В чём заключаются кинетические закономерности процесса паро-

вой конверсии метана?

Ответ. Основным понятием кинетики является скорость реакции. Чтобы обосновано судить о том, как и какие параметры влияют на скорость реак-

ции, необходимо иметь её кинетическую модель. Скорость реакции про-

порциональна концентрации метана и описывается кинетическим уравне-

нием 1-го порядка. Тогда для анализа влияния параметров на скорость ре-

акции удобно воспользоваться уравнением (37) или (38) [3, c. 27].

Температура влияет на константы скоростей прямой и обратной ре-

акции, константу равновесия и равновесную степень превращения. С уве-

личением температуры они растут, соответственно возрастает и скорость реакции. Однако из-за ограничений по температуре (материал реактора допускает нагрев не выше 1180 –1200 К степень превращения метана не превышает 75 %.

С увеличением давления скорость реакции сначала растёт в связи с повышением концентрации или парциального давления метана, а затем начинает снижаться из-за значительного уменьшения равновесной степени

25