Теоретичне обґрунтування впливу зміни концентрації CO₂ на рівновагу реакції двоступеневої конверсії CO з водяною парою і кінцевий вміст CO в конвертованому газі

Abstract

Водень та його суміші широко використовуються у виробництвах великої кількості важливих хімічних продуктів. Основним сировинним компонентом для промислового отримання водню та його сумішей є природний газ, висока вартість та дефіцит якого в Україні спонукає переходити на альтернативні технології отримання водню або удосконалювати наявні виробництва з метою скорочення споживання природного газу та більш раціонального його використання. У сучасних агрегатах синтезу аміаку після двоступеневої конверсії СО з водяною парою в конвертованому газі залишається 0,45–0,5% об. оксиду вуглецю (ІІ), який у подальшому подається на каталітичне очищення з використанням водню. Тому зменшення вмісту оксиду вуглецю (ІІ) в конвертованому газі спричинить зниження витрати водню на очищення. Крім того, в разі проведення проміжного очищення від оксиду вуглецю (ІV) між першим і другим ступенями конверсії матиме місце отримання додаткової кількості водню і зменшення витрати природного газу, що спричинить певний економічний ефект. На основі кінетичних досліджень реакції конверсії оксиду вуглецю (ІІ) з водяною парою проаналізовано вплив оксиду вуглецю (ІV) на рівноважний ступінь перетворення СО і його рівноважну концентрацію залежно від температури і вмісту CO₂ в реакційній суміші, що подається на другий низькотемпературний ступінь конверсії оксиду вуглецю (ІІ). Також показано вплив зміни співвідношення водяної пари до сухого газу на показники, що впливають на повноту окиснення СО. Результати проведеного всебічного аналізу та розрахунків дозволили запропонувати один із варіантів проведення двоступеневої конверсії оксиду вуглецю (ІІ) з проміжним очищенням від оксиду вуглецю (ІV), що дає змогу підвищити ступінь конверсії СО, отримати додаткову кількість водню для синтезу аміаку і зменшити витрату природного газу.

Hydrogen and its mixtures are widely used in productions of a large number of important chemical products. Natural gas is the main raw material for hydrogen and its mixtures industrial production. Its shortage in Ukraine and high cost leads to use alternative hydrogen technologies or to improve existing flow charts in order to reduce natural gas consumption and to increase the efficiency of the technology. Modern ammonia synthesis units allow to obtain 0.45–0.5% vol of CO in outlet gas mixture after CO shift conversion. Such content is much higher than CO maximum permissible concentration and doesn’t allow to throw exhaust gases in atmosphere. In this case all industrial technologies contain catalytic purification stage that allows to decrease carbon monoxide concentration up to permissible level. Therefore, reducing CO content in the converted gas will cause a reduction in hydrogen consumption. An additional amount of hydrogen can be produced in case of intermediate purification of carbon monoxide between high temperature and low temperature conversions. It leads to a certain economic effect related to a final ammonia price. An influence of CO₂ content on equilibrium CO conversion rate and equilibrium CO concentration depending on temperature and CO₂ content in the reaction mixture was analyzed on the basis of kinetic research. The effect of influence of changing steam/dry gas ratio in CO oxidation is also shown. The results of comprehensive analysis and calculations made it possible to propose one of the variants of CO shift conversion with intermediate purification of carbon monoxide (IV) between high temperature and low temperature conversions. It allows to increase the CO conversion rate, produce additional hydrogen for ammonia synthesis and reduce natural gas consumption.