Шпаргалка по "Химической технологии"

ХТС производства аммиака. Химическая и функциональная схемы. Физико-химические основы, технологическая схема и аппаратурное оформление конверсии метана.

Простой способ связывания азота: аммиачный способ 3H2 + N2 = 2NH3. Водород получают из природного газа, азот – из воздуха. Применение NH3: пр-во удобрений, HNO3, мочевины, аммиачной селитры.

Конверсия метана. Ф-х св-ва процесса: взаимодействие метана с водой – на никельсод. катализаторе.

CH4+H2O=CO+3H2-Q1 – эндо

CO+H2O=CO2+H2+Q2 – экзо

При повышенной температуре и низком давлении.

При полном превращении метана и СО обр-ся 4 моля H2, к к-му д/получения аммиака доб-ся 4\3 моль азота. Оптим - Р – 4 МПа. [pic 1]

Состав исх. смеси:

в пром. условиях р-ция протекает почти до равновесия. При увеличении Р до 4 МПа при стехиом. соотношении пара к газу 2:1 нельзя достичь полного превращения даже при 1300К, при увеличении же избытка пара до 4:1 это достигается. Избыток вод. пара также позволяет избежать обр-я углерода на катализаторе.

Аппаратурное оформление:

Тепловой эффект взаимод-я метана с водой по ур. 6.9 (-206,4 кДж\моль) превышает тепловой эффект р-ции 6.10 (41 кДж\моль). Необходимую теплоту можно подвести ч/з стенки обогреваемых труб, в к-х протекает р-ция, т.е. исп-ть трубчатый р-р. Обогрев осущ-ся сжиганием прир. газа в факельных инжекционных горелках. Температура, необходимая д/полного превращения метана (1300К) ограничена термостойкостью металла, из к-го сделаны трубки, поэтому допуск. нагрев - 1180-1200К, макс. температура на выходе из слоя – 1080-1100К => конверсия метана = 75% => нужна вторая стадия. Вторая ступень – адиабатический р-р (шахтный конвертор), его стенки футерованы бетоном, чтобы не было перегрева. Необх. температуру создают подачей в р-р воздуха, при этом температурный режим обесп-ся подачей кислорода, а шахтный конвертор при этом выделяет азот, который идёт на синтез аммиака. Теплота реакционной смеси утилизируется в котле-утилизаторе.

Физико-химические основы, технологическая схема и аппаратурное оформление конверсии оксида углерода.

Конверсия оксида углерода.

Ф-х св-ва процесса: высокая Т на стадии конверсии метана не позв-ет исп-ть СО для получения водорода. Избирательную конверсию СО при низких Т, исключающую обратное протекание р-ции СО + Н2О <=> CO2 + H2 + 41 кДж, проводят, исп-я специф. действие катализатора. Селективные катализаторы: железохромовый и медьсодержащий (более активный). Первый работает при 600-700К, второй – при 480-530К (дезактивируется при высоких Т). 

Р-цию проводят в р-ре с адиабатич. слоями катализатора с охл. р-ционной смеси м/у ними. В первом слое (р-ре) загружен более термоустойчивый железохромовый катализатор, во втором – высокоактивный медьсодержащий. Соотношение пар:газ = (0,6-0,7:1). Остаточное сод-ие СО не превышает 0,3-0,5%.

В нек-ых схемах промежуточ. охлаждение осущ-ют с помощью впрыска конденсата, и за счёт испарения воды Т м/у слоями снижается. При этом растёт соотношение пар:газ => необх. степень превращения достигается при более высоких Т. Такая схема исп-ся в случае загрузки в оба р-ра железохромового катализатора.

Физико-химические основы, технологическая схема и аппаратурное оформление очистки азотоводородной смеси от оксидов углерода.

Диоксид Углерода.

Ф-х св-ва процесса: конверт. газ сод. 17-18% CO2 и 0,3-0,5% СО. Диоксид абсорбируют 17-19% р-ром NH2CH2CH2OH:

Аппаратурное оформление:

Абсорбер – вертикальный газожидкостной р-р (насадочный/тарельч.), разд. на 2 секции. В нижней секции – осн. поглощение CO2 грубо регенерир. р-ром МЭА , в верхней – доочистка тонко регенерир. р-ром МЭА. Т=330К.

Далее насыщ. р-р, сод. углекислоту, нагревается в рекуперативных ТО и идёт в десорбер. Т десорбции =380-390К. Схема – регенерация с рециклом: чистое выделение, низкий расход сорбента. Чистый СО2 идёт в другие пр-ва (карбамид, угольная к-та). 

Очистка от оксида углерода: МЭА не поглощ. СО => его не выделяют, а превр. в метан в р-ре метанирования (5 на верхнем рис.). Сод. СО мало, его дезактивируют как каталитич. яд р-цией, обрат. р-ции конверсии метана: СО + 3Н2 = СН4 + Н2О. Процесс проводят при 500-550К с исп-ем никелевого катализатора при большом избытке водорода (~75% в азотводородной смеси).

Технологическая схема состоит из реактора метанирования: после стадии МЭА-очистки газ подогревают и направляют в р-р, сод. никелевый катализатор. Т.к. сод. СО мало и адиабатический разогрев сост. ~ неск. десятков градусов, исп-ют однослойный р-р. В синтез-газе, идущем на синтез аммиака, сод. СО не должно превышать 20 ppm. 

Физико-химические основы, технологическая схема и аппаратурное оформление синтеза аммиака.

Ф-х св-ва процесса: N2 + 3H2 = 2NH3 + 103,6 кДж. В кач-ве катализатора исп-ют пористое железо с добавками стабилизирующих и промотирующих агентов (Al, K, Ca). Катализатор устойчив и активен в области 650-830К. Р-ция обратимая, проходит с выделением тепла и уменьшением объёма. Для приближенных расчетов в области 600-900К и при давлении 20-40 МПа исп-ют аппроксимирующ ур-ие:

При атмосферном давлении (0,1 МПа) превращение мало. Область давлений, при к-х превращение >20%, лежит за 20 МПа. Опт. давление – 30-32 МПа. Ниже – низкий выход, выше – затраты на оборудование.

Технологическая схема: д/полноты исп-я АВС исп-ют рецикл. Аммиак выделяют конденсацией в возд. холодильнике, затем – в конденсац. колонне (Т=2-5ºС). На входе в р-р сод. аммиака в АВС – 3%. Р-ционная смесь сод. до 1,4% инерт. в-в (метан etc). Их сод. в циркулирующем газе поддерж. на уровне 16% путём отдувки части газа. Реактор синтеза аммиака: р-ция экзотермическая => надо отводить тепло. Это реализуют либо в трубчатом р-ре с охлаждением, либо в многослойном с промежуточным ТО.

Трубчатый р-р: теплота из р-ционной зоны

отводится к свежей р. смеси. Катализатор в м/трубном пр-ве (рис. 6.44 а, диаграмма). Трубки Фильда: газ поступает во внутр. трубки, затем в кольц. пр-во м/у внутр. и внеш. Нагрев более плавный => лучше режим в слое (6.44 б).

Многослойный р-р: процесс адиабатич. в нескольких слоях с промежут. охлаждением (6.44 в). Во всех реакторах: предварительный нагрев газа в ТО происходит потоком, выход. из слоя катализатора.

Физико-химические основы, технологическая схема и аппаратурное оформление очистки природного газа от соединений серы.

Прир. газ сод. серосодерж. примеси: меркаптаны, тиофен, сероуглерод, сульфиды etc. + этилмеркаптан – им одорируют метан на стадии извлечения в целях безопасности, т.к. есть опасность взрыва. Д/очистки от малых кол-в исп-ся сорбционные методы: серосодерж. в-ва гидрируют водородом.

Водород в виде азот-водородной смеси поступает со стадий конверсий метана и углерода. Процесс идёт при высоких Т, т.к. кобальт-молибденовый кат-р активен при 670К.

Поглотитель оставшегося H2S – ZnO

Исп-ся однослойный абсорбер с неподвижным слоем зернистого поглотителя. Зона сорбции занимает только часть слоя и продвигается по его высоте по мере насыщ-я сорбента серой. Когда конц-я серы в газе на выходе превышает допустимую (~2-3месяца), поток переключают на другой абсорбер, отработанный поглотитель заменяют свежим.

Назначение и технологическая схема энерготехнологической системы.

Энерготехнологическая схема. Сжатие природного газа, воздуха и АВС и циркуляция АВС осущ-ся с помощью мощных турбокомпрессоров. Наиболее энергоёмкий элемент ХТС – компрессор синтез-газа.

В пр-ве аммиака есть высокопотенциальные технологич. потоки: синтез-газ после метанирования, конвертированный и дымовые газы после конверсии метана – но их энергии недостаточно д/обр-ия пара с высокими параметрами. Нужен дополнительный высокотемпературный источник энергии (6 на схеме) – вспомогательный котёл с огневым обогревом от дополнительного энергетич. узла (3), установленного в газоходе (1) после трубчатой печи. Пар, получ. в котлах-утилизаторах в линиях технологич. потоков (4 и 5) и в доп. котле, собирается в паросборнике (2), откуда распр-ся на паровые турбины – приводы компрессоров. Т.о. пр-во аммиака ст-ся автономным по энергетическому пару, но для его выработки, исп-я вторичные энергетические ресурсы, потребляет доп. кол-во природного газа.

Обжиг колчедана: полочный р-р (а)– колчедан на полках, воздух проходит ч/з неподв. слои.

Колчедан кусками; чтобы процесс был непрерыв. – колчедан перемеш. гребками. Минусы: конц. SO2 в обжиговом газе - 8-9%, нельзя исп-ть мелкий колчедан. Печь кипящего слоя (б) – мелкие частицы в псевдоож. слое. Пылеобраз. колчедан на решётке, снизу ч/з распред. решётку под-ся воздух, достаточный д/взвешивания частиц. Нет слипания, хороший контакт с газом, выравнивает темпер. поле по всему слою. Хорошая ТП, конц. SO2 в обжиговом газе - 13-15%. Минус – повыш. запыленность обжиг. газа => нужна тщат. очистка газа в циклоне и на фильтре.

 При обжиге колчедана в изб. кислорода конц-я кислорода в об. газе: b = 0,21-1,3a, где а – конц-ия SO2

Очистка и промывка обжигового газа. Газы обжига колчедана сод. примеси соед-ий F, Se, As + влагу. При горении обр-ся нек-ое кол-во SO3, м.б. оксиды азота => коррозия, каталитич. яд, плохое кач-во продукта. Поэтому примеси удаляют в промывном отделении.

В первой промывной башне (1) обжиг. газ охл-ся от 550-570К до 330-340К, здесь же ловят остатки пыли. Во избежание забивания насадки пылью башню делают полой. Д/частич. поглощения примесей газ орошают 50-60% H2SO4. Разб. к-та обр-ет в башне сернокислый туман с развитой пов-стью, что способствует лучшей абсорбции примесей. Обеспыленный газ отмывается 15-20% к-той от соединений As, F в промывной башне (2), оснащённой насадкой. Частички тумана укрупняются, что облегчает их удаление вместе со сконденсир. влагой в мокром электрофильтре (3). Удаление необходимо, т.к. туман вызывает сильную коррозию. В сушильной башне (4) окончательно удаляют влагу путём орошения конц. к-той – сильным водоотним. агентом. Очищ. газ поступает в турбогазодувку, обесп. его транспортировку ч/з систему. Так в турбогазодувку не попадают корродирующие в-ва + стадии обжига и промывки нах-ся под небольшим разрежением, что способствует более интенсивному закачиванию в систему воздуха, препятствующего попаданию загрязняющих в-в в атмосферу.  

[pic 2]

Производства серной кислоты из колчедана. Химическая и функциональная схемы. Физико-химические основы, технологическая схема и аппаратурное оформление абсорбции триоксида серы.

Основной потребитель серной к-ты: пр-во мин. удобрений, взрывчатых соед-ий, спиртов, ядохимикатов, синт. моющих ср-в, обработка тканей перед крашением, травление металлов, пр-во цветметаллов, пр-во неорг. к-т. Сырьевая база пр-ва серной к-ты: серосод. соед-я. Ок. 80% H2SO4 получают из чистой серы и колчедана, редко из H2S.

Химическая и функциональная схемы:

4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2 (обжиг) – SO2+0,5O2=SO3 (окис)

SO3+H2O=H2SO4 (абсорбция)[pic 3]

Абсорбция триоксида серы. SO3 + H2O = H2SO4 (1) – интенсивно как в ж, так и в г фазе. Может обр-ся олеум: он удобен д/транспортировки, т.к., в отличие от чистой серной, не вызывает коррозию. Олеум – основной объект сернокислотного пр-ва.

Мин. сод. воды в паровой фазе – при конц. к-ты 98,3% => при этой же конц. макс абсорбция SO3 и и мин. обр-ие H2SO4 в паровой фазе. Если поглощать SO3 р-ром меньшей конц. – р-ция (1) будет протекать в пар. фазе => будет сернокисл. туман, к-й будет уходить. Т влияет на скорость абсорбции: с уменьш. Т возр. р-римость газов; при Т<370K SO3 погл-ся ~на 100%. Опт условия: конц. H2SO4 в ж-сти близка к 98,3%, T <350-370K.

Выход. из р-ра газ, сод. SO3, проходит олеумный (1) и моногидратный (2) абсорбер. Вода противотоком под-ся в (2). Т.к. обр-ие серной и поглощ. триоксида – экзотерм. процессы, теплота отводится в холодильник (3) на линии циркуляции. Часть циркул. ч/з (2) к-ты поступает в (1), за счёт интенсивной циркуляции ж-сти абсорбция осущ-ся 20% р-ром SO3 в H2SO4, к-й частично отбирается как продукт – олеум.

[pic 4]

Система ДКДА.

Задача: увеличить степень превращении SO3. Можно за счет нижени темп. в последних слоях реактора или увеличением давления. Но возможность снижения темп. ограничена активностью катализатора, а уеличение давления ксложняет инженерное оформление процесса.

Другой эффективный способ вляется удаление продукта реакции образования SO3. На первой ступени абсорбции удаляется SO3, а остаток SO2 окисляется во втором реакторе, и газнаправяляется на вторую абсорбцию. В отсутствии SO3 окисление SO2 во втором реакторе будет более полным.

Преимущества: бОльшая ст. превращения SO3 (смещение равновесия р-ции путём удаления продукта), меньше непрореаг. SO2, => меньше выбросов в атмосферу. Недостаток: бОльшие эконом. затраты.

(1) – трёхслойный р-р, конц. SO2 в поступ. газе 9,5-10,5%, степ. превр. – 90-95%.

Промежут. абсорбция в олеумном (2) и моногидратном (3) абсорберах => сод. SO3 -

 0,6-1%. Т.к. во второй стадии тепла выд-ся мало, исп-ют второй ТО, расп. после 2-го слоя р-ра (1).

Т.о. общая степень превращения доходит до 99,6-99,8%.

Окисление диоксида серы. [pic 5]

SO2+0.5o2=SO3 – обратимая, экзотермическая, протекает на катализаторе с уменьшением объема. Тепловой эффект реакции при температуре 773К составляет 94.2 кДж/моль.

Равновесная степень превращения:

Так как на Хр давление не сильно влияет, то этот процесс проводят при давлении, близком к атмосферному. Катализаторы окисления SO2 готовят на основе V2O5 с добавкой щелочных металлов. Компоненты реакционной смеси взаим. с катал. и образуют соединения, которые и катализируют реакцию. Рабочий интервал температур – 680-880К, так как при низких температурах активность катализатора плоха, а при более высоких происходит дезактивация. Используют многослойный реактор с адиабатическими слоями катализатора и промежуточным отводом теплоты. Охлаждение между слоями осуществляется с помощью теплообменников или поддувом холодного газа.

Формулировка задач синтеза и анализа ХТС.

Синтез ХТС закючаеся в определении основных технологических операций и и их последовательности, выборе аппаратов и установлении связей между ними, определении параметров и установлении свзей между ними, определении параметров технологических режимов отдельных аппаратов и системы в целом для обеспечения наилучших условий функционирования ХТС.

Задачи синтеза: вид и качество продукта, который необходимо получить; вид, состав и состояние исх. в-в; основные стадии хим-тех процесса переработки сырья в продукты и их хар-ки; возможные аппаратурные решения для осущ. хим-тех проесса

Определить: элементарный состав ХТС (аппараты, машины, устройства); структуру связей между элементами ХТС; режимы отдельных элементов и системы в целом, обеспечивающих необходимые показатели производства и его эффективное функиционирование.

Этапы разработки синтеза: формулировка проблемы, научные исследования, задания на разработку, идея, анализ предположений, исследования и эксперименты, решение и анализ, задание на проектирование, проект, экспертиза, производство.

Анализ ХТС заключается в получении сведений о состоянии ХТС, показателей эффективности ее функционирования, а также влиянии химической схемы, структуры технологическихсвязей, свойств и состояния элементов и подсистем, условий эксплуатации на эти данные.

Первым шагом в анализе ХТС является определение ее состояния. т.е. расчет ХТС. Затемпроводятся расчеты, целью которых является получение технологических показателей, к которым относятся эффективность использования сырь и энергии, экономических показателей, некоторых социальных показателей. Эксплуатационные показатели определяются из реакции системы на те или иные возмущения в ходе процесса.