Стадии 2,3. Конверсия метана

Конверсию метана водяным паром проводят в 2 стадии (ступени) в газовой фазе на никелевом катализаторе. Первая ступень конверсии проводится в трубчатом каталитическом реакторе (рис.2), а вторая – в адиабатическом шахтном реакторе (рис.3). На каждой из двух стадий конверсии возможны реакции:

1) СН₄+Н₂О↔ 3Н₂+СО (Q = –206 кДж/моль)

2) СО+Н₂О↔ Н₂+СО₂ (Q = 41 кДж/моль)

Равновесие в эндотермической реакции 1 при низком давлении и высокой температуре смещено вправо, а в реакции 2 при тех же условиях – влево. Вначале необходимо обеспечить максимальное превращение в реакции (1), поэтому оптимальными являются низкое давление и высокая температура, однако для синтеза в целом низкое давление невыгодно. Расчет показывает, что Р_опт=40 атм.

Соотношение реагентов. Из реакций 1, 2 видно, что стехиометрическое соотношение СН₄ : Н₂О составляет 1: 2. Но термодинамические расчеты показывают, что при этом соотношении под давлением 40 атм даже при 1030⁰С полное превращение метана не достигается. Двойной избыток пара (СН₄: Н₂О=1: 4) повышает равновесный выход до 99%.

Температура Для проведения реакции 1 нужна высокая температура, что обусловлено как термодинамикой, так и кинетикой реакции. Никелевый катализатор конверсии активен при высокой температуре. Реакцию проводят в трубчатой печи, катализатор находится в трубках, а в межтрубном пространстве сжигают природный газ. Материал труб конвертора выдерживает нагрев до 930⁰, при этом максимальная температура в слое катализатора будет ниже 800⁰. Степень превращения при этом составит всего 75%. Следовательно, нужна 2-я ступень конверсии.

Вторую стадию конверсии метана проводят в адиабатическом шахтном реакторе с фильтрующим (неподвижным) слоем Ni катализатора. В реактор подают воздух, служащий источником азота для синтеза аммиака. Его количество рассчитывают так, чтобы в АВС соотношение N₂: Н₂ составило 1: 3. Реакционная смесь содержит Н₂, а также другие горючие газы – метан, СО, которые сгорают, окисляясь кислородом, поступающим с воздухом. Весь кислород воздуха расходуется на горение. В результате температура в реакторе повышается до 1000^оС. Давление в шахтном реакторе снижается до 33 атм из-за потерь на гидравлические сопротивления реакторов и слоев катализатора, к тому же смесь разбавляется инертным газом – азотом. Эти факторы смещают равновесие в реакции 1, и степень превращения достигает 99, 5%. Теплота реакции используется в котлах-утилизаторах для получения пара.