Использование реакции конверсии водяного газа (WGSR) для удаления СО из водородсодержащего газа установки каталитического риформинга бензиновых фракций | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 27 июля, печатный экземпляр отправим 31 июля.

Опубликовать статью в журнале

Библиографическое описание:

Страхов, Б. Г. Использование реакции конверсии водяного газа (WGSR) для удаления СО из водородсодержащего газа установки каталитического риформинга бензиновых фракций / Б. Г. Страхов, О. В. Хабибрахманова, С. В. Попов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 51 (393). — С. 59-66. — URL: https://moluch.ru/archive/393/86885/ (дата обращения: 19.07.2024).



Рассматривается состав водородсодержащего газа (ВСГ) установки каталитического риформинга бензиновых фракций, в котором возможно присутствие монооксида углерода (СО). Его наличие может быть причиной отравления катализатора низкотемпературной изомеризации. Для удаления монооксида углерода из ВСГ моделируется возможность проведения реакции конверсии водяного газа с использованием системы Honeywell UniSim Design.

Ключевые слова: каталитический риформинг, катализатор, водородсодержащий газ, монооксид углерода, реактор, моделирование, Honeywell UniSim Design.

Введение

На установках каталитического риформинга из прямогонных бензиновых фракций получают дистилляты, используемые как высокооктановые компоненты товарных бензинов, или индивидуальные ароматические углеводороды. Важной особенностью процесса является одновременный синтез водородсодержащего газа, применяемого во многих гидрогенизационных процессах [1].

Основные компоненты, входящие в состав ВСГ, приведены в таблице 1. Результаты промышленных лабораторных анализов показывают на возможность присутствия в ВСГ малых количеств СО (до 0.3 ррм). При использовании такого ВСГ на установке низкотемпературной изомеризации происходит отравление катализатора, следовательно необходим узел очистки ВСГ от присутствия СО или блок метанизации.

Таблица 1

Компоненты смеси ВСГ (используются идентификаторы среды Honeywell UniSim Design )

Для конверсии СО в промышленных масштабах (производство водорода, аммиака и другие) используют реакцию водогазового сдвига (WGS) [2,3]

CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ΔH° = −41kJ/mol

WGSR — гетерогенный экзотермический процесс (при адиабатических условиях происходит разогрев на 10–12 о С на превращенный 1 %об. СО) с эквимолярной реакцией пара и монооксида углерода, константа равновесия которой уменьшается с ростом температуры, и, соответственно, низкие температуры способствуют высоким конверсиям СО, а подача пара в количестве, превышающем стехиометрическое, также увеличивает конверсию СО. Реакция WGS проводится с использованием различных катализаторов на основе оксидов Fe, Cu, Zn, Ce, Cr, Co, Ni и их комбинаций [4–6], в частности при температурах ниже 180 о С на высокоактивном оксидном катализаторе Cu-Zn-Al(Cr).

Удалить присутствие СО в ВСГ также можно с помощью реакции метанирования с потреблением водорода, но этот способ не является предпочтительным.

Цель работы — оценка возможности использовать реакцию конверсии водяного газа (WGSR) для удаления СО из технологического потока ВСГ.

Методы

Проведение исследования основывается на вычислительном эксперименте с использованием моделирующей системы Honeywell UniSim Design [7].

В таблице 2 приведен компонентный состав ВСГ, который ниже используется для двух вариантов расчета — узла паровой конверсии метана и отдельного реактора WGSR. Рассмотрение первого варианта исходит из того, что в составе ВСГ присутствуют метан и монооксид углерода, и их превращения предлагается провести паровой конверсией с использованием известных промышленных катализаторов и технологических режимов аппаратов [2–6]. На целесообразность моделирования второго варианта указывает то, что в ВСГ содержание СО достаточно мало (доли ррм) и имеются промышленные катализаторы низкотемпературной конверсии монооксида углерода.

Таблица 2

Компонентный состав ВСГ (используются идентификаторы среды Honeywell UniSim Design )

Результаты и обсуждение

Узел паровой конверсии метана, присутствующего в ВСГ

На рисунке 1 показана модель типовой технологической схемы узла паровой конверсии метана, сформированная в среде Honeywell UniSim Design.

Технологическая схема узла паровой конверсии метана (распечатка в Honeywell UniSim Design)

Рис. 1. Технологическая схема узла паровой конверсии метана (распечатка в Honeywell UniSim Design)

Входной поток ВСГ смешивается с потоком водяного пара пар-2 ипосле нагрева в печи НХ1–2 до 760 о С подается в равновесный реактор Реформер-2 , в котором протекают реакции:

с константами равновесия:

Технологические режимы и составы потоков реактора Реформер-2 приведены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3

Технологические режимы реактора Реформер-2 (распечатка в среде Honeywell UniSim Design )

Таблица 4

Составы потоков реактора Реформер-2 (распечатка в среде Honeywell UniSim Design )

Далее поток с верха аппарата, пройдя холодильник НХ2–2 и снизив температуру до 427 о С подается в равновесный WGSR реактор Shift -3 , где проводится взаимодействие СО и паров воды:

Оценки равновесных констант скорости имеют вид

Режимы и составы потоков реактора приведены в таблицах 5 и 6.

Таблица 5

Технологические режимы реактора Shift -3 (распечатка в среде Honeywell UniSim Design )

Таблица 6

Составы потоков реактора Shift -3 (распечатка в среде Honeywell UniSim Design )

С верха реактора Shift -3 поток после охлаждения до 36 о С в холодильнике НХ3–2 поступает на выделение из него СО 2 в аппарат Amine Plant -2 . Далее технологический поток нагревается до 260 о С в теплообменнике НХ4–2 и подается в конверсионный реактор Метанатор-2 , где протекают реакции

и происходит полное конвертирование СО.

Режимы и составы потоков этого реактора показаны в таблицах 7 и 8.

Таблица 7

Технологические режимы реактора Метанатор-2 (распечатка в среде Honeywell UniSim Design )

Таблица 8

Составы потоков реактора Метанатор-2 (распечатка в среде Honeywell UniSim Design )

В результате работы узла выход водорода в ВСГ увеличился с 12148 кг/час до 13620 кг/час при полном отсутствии в потоке СО.

Вариант использования WGSR реактора

На рисунке 2 приведена модель WGSR реактора. Расход и состав потока.

Технологическая схема WGSR реактора (распечатка в Honeywell UniSim Design)

Рис. 2. Технологическая схема WGSR реактора (распечатка в Honeywell UniSim Design)

см_поток1–2-2 аналогичны потоку см_поток1–2-2 из рисунка 1. Реактор Shift -2 равновесный, в нем протекает реакция

Для использования термодинамических и кинетических закономерностей реакции конверсии водяного газа в промышленном масштабе для удаления СО из ВСГ необходимо использовать низкотемпературный сдвиг (LTS) при температуре порядка 200 о С с катализатором на основе меди. Типичный состав коммерческого катализатора LTS составляет 32–33 % CuO, 34–53 % ZnO, 15–33 % Al 2O3. Активный каталитический компонент — CuO. Назначение ZnO — обеспечение структурной поддержки и предотвращение отравления меди серой. Al 2 O 3 предотвращает диспергирование и усадку гранул [2–6].

В таблицах 9 и 10 показаны расчетные оценки режимов и потоков рассматриваемого одиночного реактора. При полученных режимах значительно уменьшается содержание СО в ВСГ, но это достигается при низких температурах порядка 20 о С, при этом скорость реакции будет очень низкой для промышленных условий проведения процесса.

Таблица 9

Технологические режимы реактора Shift -2 (распечатка в среде Honeywell UniSim Design )

Таблица 10

Составы потоков реактора Shift -2 (распечатка в среде Honeywell UniSim Design )

Заключение

Проведенный вычислительный эксперимент по расчету вариантов технологической схемы удаления СО из потока ВСГ показал, что при использовании существующих LTS катализаторов промышленное решение возможно только при использовании технологической схемы паровой конверсии метана.

Литература:

  1. Ахметов С. А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа. Санкт-Петербург: Недра, 2006г, — 868 с.
  2. Ильин А. А., Бабайкин Д. В., Смирнов Н.Н, Ильин А. П. Проблемы низкотемпературной конверсии монооксида углерода водяным паром в водород в производстве аммиака // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология, 2013, т. 56 (12), с. 3–14.
  3. Ильин А. А. Исследование зарубежных катализаторов низкотемпературной конверсии монооксида углерода и перспективы модернизации отечественных катализаторов // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева), 2019, т. LXIII, № 2, с. 37–44.
  4. Баронская Н. А. Одностадийный процесс паровой конверсии монооксида углерода: катализаторы и организация катализаторного слоя. — Дисс. канд. техн. наук — Новосибирск, 2008. — 123 с.
  5. Козлов С. П. Численное моделирование химических превращений водородсодержащих газов в микроканалах. — Дисс. канд. ф-м наук — Новосибирск, 2010. — 120 с.
  6. Островский А. С. Математические методы и моделирование при исследовании нестационарных гетерогенно-каталитических химико-технологических процессов. — Дисс. канд. техн. наук — Пермь, 2000. — 129 с.
  7. Honeywell, Unisim Design User Guide, 2013
Основные термины (генерируются автоматически): WGSR, LTS, состав потоков реактора, паровая конверсия метана, таблица, WGS, технологический режим реактора, водородсодержащий газ, водяной газ, каталитический риформинг.


Похожие статьи

Каталитический риформинг | Статья в сборнике международной...

Каталитический риформинг проходит в среде газа с большим содержанием водорода

В зависимости от назначения процесса, режима и катализатора в значительных пределах

Кроме водородсодержащего газа из газов каталитического риформинга выделяют сухой газ...

Расчет скорости выхода метана технологического процесса...

Устойчивое получение CH4 в биореакторах и всего технологического процесса метанового сбраживания органического субстрата зависит от параметров: механико- и физико-химическая характеристика сырья; времени сбраживания; скорости выхода метана; концентрации и...

Катализаторы риформинга | Статья в журнале «Молодой ученый»

Каталитический риформинг | Статья в сборнике международной... Назначение процесса каталитического риформинга, а также требования, предъявляемые к целевому

Необходимое качество продукта достигается путем подбора сырья, катализатора и технологического режима.

Схемы сбора и подготовки газа | Статья в журнале...

Газ собирается для подачи на головную компрессорную станцию, которая транспортирует его по магистральному газопроводу к потребителям. Прежде чем попасть к своему потребителю, весь добываемый природный газ проходит через сложную систему сбора и обработки.

Моделирование и расчет теплового баланса пиролизной установки...

На основе математического моделирования теплового баланса реактора решаются важные задачи энергосбережения и оптимизации

где, — эксергия исходного топлива, кДж/кг. В нашем случае для поддержания температурного режима реактора используется часть биогаза...

Разработка метода повышения энергетической эффективности...

Рассмотрев объемный состав конвертерного газа, который приведен в Таблице 1, можно увидеть, что вторым по содержанию компонентом является диоксид углерода, который по сути является балластом, не участвующим в процессе горения при использовании конвертерного...

Газотурбинная установка замкнутого цикла, работающая на...

Что позволит отработанный газ не сбрасывать в атмосферу, а использовать его повторно, отправляя его в компрессор. Это предотвращает повышение энтальпии в мире, которая напрямую влияет на всемирное потепление.

Анализ систем компенсации давления в реакторной установке...

В состав паровой системы компенсации давления входят компенсаторы объёма

При небольших изменениях температуры изменение давления газа в компенсаторе объёма

Современный технологический процесс нельзя представить без автоматических систем...

Низкотемпературная сепарация природного газа для извлечения...

 На газоконденсатных месторождениях РФ для подготовки газа к дальнему транспорту применяется метод низкотемпературной сепарации (НТС).

Учитывая изложенное ранее была разработана технология подготовки газа на основе 3S сепарации. 3S сепарация (от англ. super...

Похожие статьи

Каталитический риформинг | Статья в сборнике международной...

Каталитический риформинг проходит в среде газа с большим содержанием водорода

В зависимости от назначения процесса, режима и катализатора в значительных пределах

Кроме водородсодержащего газа из газов каталитического риформинга выделяют сухой газ...

Расчет скорости выхода метана технологического процесса...

Устойчивое получение CH4 в биореакторах и всего технологического процесса метанового сбраживания органического субстрата зависит от параметров: механико- и физико-химическая характеристика сырья; времени сбраживания; скорости выхода метана; концентрации и...

Катализаторы риформинга | Статья в журнале «Молодой ученый»

Каталитический риформинг | Статья в сборнике международной... Назначение процесса каталитического риформинга, а также требования, предъявляемые к целевому

Необходимое качество продукта достигается путем подбора сырья, катализатора и технологического режима.

Схемы сбора и подготовки газа | Статья в журнале...

Газ собирается для подачи на головную компрессорную станцию, которая транспортирует его по магистральному газопроводу к потребителям. Прежде чем попасть к своему потребителю, весь добываемый природный газ проходит через сложную систему сбора и обработки.

Моделирование и расчет теплового баланса пиролизной установки...

На основе математического моделирования теплового баланса реактора решаются важные задачи энергосбережения и оптимизации

где, — эксергия исходного топлива, кДж/кг. В нашем случае для поддержания температурного режима реактора используется часть биогаза...

Разработка метода повышения энергетической эффективности...

Рассмотрев объемный состав конвертерного газа, который приведен в Таблице 1, можно увидеть, что вторым по содержанию компонентом является диоксид углерода, который по сути является балластом, не участвующим в процессе горения при использовании конвертерного...

Газотурбинная установка замкнутого цикла, работающая на...

Что позволит отработанный газ не сбрасывать в атмосферу, а использовать его повторно, отправляя его в компрессор. Это предотвращает повышение энтальпии в мире, которая напрямую влияет на всемирное потепление.

Анализ систем компенсации давления в реакторной установке...

В состав паровой системы компенсации давления входят компенсаторы объёма

При небольших изменениях температуры изменение давления газа в компенсаторе объёма

Современный технологический процесс нельзя представить без автоматических систем...

Низкотемпературная сепарация природного газа для извлечения...

 На газоконденсатных месторождениях РФ для подготовки газа к дальнему транспорту применяется метод низкотемпературной сепарации (НТС).

Учитывая изложенное ранее была разработана технология подготовки газа на основе 3S сепарации. 3S сепарация (от англ. super...

Задать вопрос