Вопрос №9

Термодинамические основы производства водорода каталитической конверсией углеводородных газов. Выбор условий проведения процесса. Общие требования к катализаторам химико-технологических процессов.

Конверсию углеводородных газов для получения водорода ведут, применяя в качестве окислителя водяной пар или кислород. Взаимодействие метана с вод. паром, кислородом, диоксидом углерода протекает по след.

Реакциям:

CH₄ + H₂O = CO +3H₂ -206кДж; (1)

CH₄ + 0,5O₂ = CO + 2H₂ + 35кДж; (2)

CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂ – 248кДж; (3)

Далее осуществляется конверсия оксида углерода с водяным паром по реакции:

CO + H₂O = CO₂ +H₂ +41 кДж; (4)

Суммарно процесс конверсии метана с водяным паром протекает в поглощением тепла:

CH₄ +2H₂O = CO₂ + 4H₂ -165кДж; (5)

Синтез-газ, образующийся по реакции (3), применяется для получения метанола и других кислородосодержащих органических соединений.

Синтез-газ, образующийся по реакции 1,2,4 пригоден по составу для синтеза аммиака.

В реальных условиях реакции 1 и 4 являются обратимыми.

Выбор условий проведения процессов. Реакция окисления метана водяным паром протекает со значительной скоростью при 1350^оС. Из-за трудности ведения эндотермического при столь высоких температурах в промышленных условиях процесс паровой конверсии часто ведут на катализаторе. Увеличение соотношения CH₄: H₂O c 1:1 до 1:2 увеличивает конверсию метана. Процесс конверсии выгодно проводить при повышенном давлении для увеличения скорости реакции, так как при этом растет концентрация вещества в единице объёма. При повышенном давлении уменьшаются так же объёмы теплообменных и контактных аппаратов и трубопроводов, что очень важно, учитывая что реакции 1 и 2 протекают с увеличением объёма.

К катализаторам паровой конверсии легких углеводородов предъявляют жесткие требования по термоустойчивости и механической прочности. Оцениваются они по комплексу свойств: активности, прочности, гидравлическому сопротивлению, устойчивости при длительной эксплуатации и др. Хороший катализатор должен работать не менее 4-5 лет. Главной особенностью катализатора является высокая каталитическая активность. Активность никелевого катализатора уменьшается при наличии в газе сернистых соединений.

Итак, конверсия легких углеводородов протекает при 760-900оС(на выходе из реактора), при повышенном (до 4МПа) давлении в присутствии избытка водяного пара.