123450 (592825), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Използвайки парциалните налягания на реакцията на конверсия от табл. 7 ще получим за K3 следното уравнение:
K3 = (α – β)(3α + β)(1 + a + 2α).V
(a – α – β) P
Минималният разход на пара в процеса на парова конверсия на нефтени газове и бензини, под който е възможно закоксуване, се определя като се решат съвместно последното уравнение с уравнения (7) и (8). Тогава ще получим:
K3 = (α – β)(3α + β)(3n + 1).V
(a – α – β) P
Тези уравнения обаче не се отнасят за конверсия на газове, съдържащи ненаситени и ароматни въглеводороди, които на вход в реакторната зона могат да се разпаднат с отделяне на въглерод.
Процесът на парова конверсия се извършва с топлообмен през стените на реактора. Количеството на подаваната топлинна енергия може да се изчисли след като са определени добива и състава на конвертирания газ. Сметките се правят възоснова на първия закон на термодинамиката по уравнението на топлинния баланс:
q = Qн’ + t’.(c’ + ac’) – V.(Qн’’ + c’’t’’)
, където q – топлината подадена отвън в процеса на парова конверсия (ПК) на 1 м3 изходящ газ, kJ/m3; Qн’ – топлината на изгаряне на изходния газ, kJ/m3; Qн’’ – топлината на изгаряне на влажния конвертиран газ, kJ/m3; t’ и t’’ – температура на парогазовата смес на вход в реактора и температура на конвертирания газ на изход от реактора, 0С; c’ – средна топлоемкост на изходния газ и водната пара при постоянно налягане и температура на вход в реактора, kJ/(m3.0C); c’’ – средна топлоемкост на влажния конвертиран газ при постоянно налягане и температура на изход от реактора, kJ/(m3.0C); V – обем на влажния конвертиран газ, получен за 1 м3 от изходния газ, м3; a – обем на водната пара, подавана за 1 м3 от изходния газ, м3.
1.2.2 Режим на процеса
Режимът на паро-каталитичната конверсия на въглеводородите трябва да осигурява получаване на технически водород със съдържание 95 – 98% H2. При по-ниска концентрация се повишават разходите на инсталацията за хидрокрекинг. Производството на водород с висока концентрация изисква големи капита-ловложения и не е оправдано икономически. Технически водород с концентра-ция около 95% водород може да се получи при съдържание в сухия конвертиран газ 2 – 2,5% метан, тъй като в следващите процеси на очистване от CO2 след конверсията на въглеродния оксид и метаниране съдържанието на метана в газа нараства до 4 – 5%. Степента на конверсия на метана в такъв случай е 0,9. Технически водород със съдържание 98% Н2 се получава при съдържание в конверти-рания газ на 1 – 1,3% СН4 или степен на конверсия на метана 0,95.
Водород със съответната концентрация може да бъде получен чрез изменение на налягането, температурата и отношението пара/метан. Връзката между тези параметри е илюстрирана на фигура 1 и 2.
Фиг. 1 Зависимост на конц. СН4 в сухия газ от температурата, на негането, отношението пара/метан в условията на достигнато термодинамично равновесие
Фиг.2 Режими на процеса на ПК на метана, осигуряващи в условията на ТД равновесие получаване на 95% Н2 и 96% Н2 (съответно първата и втора графика; защрихованите об ласти са условията, при които се работи в съществуващи те инсталации)
Както се вижда от фигурите, режимът може да се променя в широки диапазони, но техническите възможности на оборудването, а също и режимите на другите стадии на производство и отделянето на въглерод при определени гранични условия, значително стесняват този диапазон. Резултатите от пресмятането за минимален разход на пара, под които се отделя въглерод, са показани във фи-гура 3.
Фиг. 3 Граници на отделяне на въглерод в процеса на ПК при различни налягания (с непрекъсната – ПК на бензин, прекъсната – ПК на метан)
Разхода на пара за конверсия на метана трябва да е не по-нисък от 2:1, за да се предотврати отделянето на въглерод, но такова отношение не са използва, защото в случай парата трябва да се добавя на стадия на парова конверсия на въглероднидния оксид. В реактора за ПК за излишното количество добавена пара се изразходва допълнителна топлина, но то се възстановява в котел-утилизатора. Подаване на излишък от пара подобрява топлопредаването, затова за 1м3 метан се изразходва не по малко от 3 м3 водна пара, а при налягане 2 МРа са не-обходими 4 – 5 м3.
Режима на ПК е ограничен не само от разхода на пара, но и от температу-рата, налягането. Максималната температура на процеса зависи от качеството на стоманата, диаметъра на реактора, допустимото топлинно напрежение на върху повърхността на реакционните тръби и особено от налягането на процеса. В голяма част от инсталациите температурата на процеса се поддържа в границите 830 – 880 0С. При по-ниска температура е трудно да се получи водород с необходимите качества, а под 750 0С процесът е неефективен. В интервала 750 – 800 0С ПК се осъществява при ниско налягане, но провеждане на процеса при наля-гане под 1,0 МРа е нецелесъобразно.
Изборът на налягане е обусловен най-вече от възможността да се използва топлината от кондензация на нереагиралата пара за регенерация на разтвора в системата за очистване на газа от СО2. При налягане по-ниско от 0,7 – 1,0 МРа, използването на тази топлина е практически невъзможно. Освен това, повишение на налягането се прави с цел понижаване на енергиините разходи от ком-пресиране на газа. Комресирането на суровината, в сравнение с компресирането на водорода, позволява да се съкратят енергиините разходи, пропорционално с увеличение обема на газа в процеса на ПК. Повишеното налягане интензифици-ра масообмена и топлопренасянето в реакторите и топлообменниците. Обикновено ПК на метана се води при налягане 1,2 – 3,0 МРа, без да се взема под внимание, че повишеното налягане премества равновесието на реакцията на ПК към неблагоприятните зони (фиг. 1 и 2).
За достигане на необходимата концентрация на водород при увеличено на-лягане, се увеличава температурата на процеса и разхода на пара. Но повишено-то налягане и температура водят до нуждата от използване на реакционни тръби от високолегирани стомани. Във връзка с това производството на водород в дне-шни дни се осъществява при налягане на по-високо от 2,5 МРа. Границата на во-дене на процеса е обусловена от качеството стоманата на реакционните тръби, данни на фигура 4. В съвременните инсталации, процеса се води при 2,0 – 2,6 МРа, 800 – 880 0С и отношение пара:метан от (4 – 5) : 1.
Ограниченията в съдържанието на Н2, температурата и налягането при избора на режема на ПК на метана важат и за конверсията на нефто-заводските газове и бензини.
Фиг. 4 Ограничение на режима на паро-каталитична конверсия от качеството на стоманата на реакционните тръби
В таблица 9 и 10 са приведени резултатите от ТД изчисления за ПК на нефтозаводски газове с различен въглероден еквивалент n за производство на 95% и 98% водород при 2 МРа и температура 830 и 860 0С (температурата на конвертирания газ на изход от реактора ше е съот-ветно 800 и 830 0С)
Табл. 9 Добив и състав на конвертирания газ от ПК на нефтозаводските газове в условия на достигнато ТД равновесие при 2 МРа и 830 0С
| n | Разход на пара, м3/м3 | Добив на газ, м3/м3 | Състав на сухия газ,% | ||||
| сух | влажен | СО2 | СО | Н2 | СН4 | ||
| Съдържание на Н2 в технически водород 95 – 96% | |||||||
| 1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 | 4,5 6,1 7,6 9,2 10,7 12,2 | 4,1 5,4 6,7 8,0 9,3 1,5 | 7,3 9,6 11,9 14,1 16,4 18,6 | 10,6 11,6 12,1 12,5 12,8 13,0 | 11,1 11,7 12,2 12,5 12,7 12,9 | 75,7 74,1 73,1 72,4 71,9 71,5 | 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 |
| Съдържание на Н2 в технически водород 98% | |||||||
| 1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 | 6,0 8,2 10,2 12,2 14,2 16,2 | 4,3 5,7 7,1 8,5 9,8 11,2 | 8,9 11,8 14,6 17,4 20,1 22,9 | 12,1 13,1 13,7 14,1 14,4 14,6 | 9,6 10,0 10,3 10,6 10,8 10,9 | 77,0 75,6 74,1 74,0 73,5 73,2 | 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 |
Както се вижда в таблица 10 с увеличаване на въглеродния еквива-лент на нефтозаводските газове, расте и разхода на пара за 1 м3 от изходходния газ, но относителния разход на пара расте незначително. По-забележимо (24 – 25%) расте разхода на пара при повишение концен-трацията на Н2 в техническия водород от 95 на 98%.
Табл. 10 Добив и състав на конвертирания газ от ПК на нефтозаводските газове в условията на достигнато ТД равновесие при 2 МРа и 860 0С
| n | Разход на пара, м3/м3 | Добив на газ, м3/м3 | Състав на сухия газ, % | |||||||||||
| сух | влажен | СО2 | СО | Н2 | СН4 | |||||||||
| Съдържание на Н2 в технически водород 95 – 96% | ||||||||||||||
| 1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 | 3,6 4,9 6,2 7,4 8,7 9,9 | 4,0 5,3 6,5 7,8 9,1 10,3 | 6,4 8,4 10,4 12,4 14,4 16,4 | 8,8 9,6 10,1 10,5 10,7 10,9 | 13,3 14,7 14,7 15,1 15,3 15,5 | 75,3 73,6 72,6 71,9 71,4 71,0 | 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 | |||||||
| Съдържание на Н2 в технически водород 98% | ||||||||||||||
| 1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 | 4,9 6,6 8,2 9,9 11,6 13,2 | 4,3 5,6 6,9 8,3 9,7 11,0 | 7,8 10,2 12,6 15,1 17,6 19,9 | 10,5 11,4 11,9 12,2 12,6 12,7 | 11,6 12,2 12,7 13,0 13,1 13,3 | 76,6 75,1 74,1 73,5 73,0 72,7 | 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 | |||||||
С увеличение на въглеродния еквивалент на газа, относителния разход на пара спрямо въглерода, по данни от ТД изчисления, малко се понижава. На практика обаче, поради опасност от отделяне на въглерод на катализатора (особено при нестабилен състав на газа), с увеличавене на въглеродния еквивалент на газа, разхода на пара се повишава. По-високият въглероден еквивалент n на нефтозаводските газове, в сравнение с природния, по-малката им стабилност, водят до необходимост от увеличен разход на пара. Зависимостта на разхода на пара от n на суровината е дадена на фигура 5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
