Способ получения синтетической нефти из природного/попутного нефтяного газа и компактная установка для получения синтетической нефти из природного/попутного нефтяного газа
METHOD OF PRODUCING SYNTHETIC OIL FROM NATURAL / ASSOCIATED GAS AND COMPACT PLANT FOR PRODUCING SYNTHETIC OIL FROM NATURAL / ASSOCIATED GAS

Изобретение относится к нефтехимии, газохимии и касается способа и компактной установки для получения синтетической нефти из природного/попутного нефтяного газа.
Внедрение промышленных процессов производства синтетических жидких углеводородов позволит нефтегазовым компаниям вовлечь в разработку обширные запасы газа, добыча которых ранее считалась экономически нецелесообразной из-за удаленности месторождений от потребителей газа и отсутствия транспортной инфраструктуры. Кроме того, в районах добычи нефти на факелах сжигается огромное количество попутного газа. Это наносит значительный ущерб экологии и экономике добывающих стран. Оптимальным решением данной проблемы могло бы стать размещение малотоннажных производств по переработке природного и попутного нефтяного газа в синтетические жидкие углеводороды непосредственно на объектах нефтегазодобычи.
В качестве сырья при реализации компактных технологий переработки углеводородных газов могут быть также вовлечены попутный нефтяной газ, сланцевый газ и газы, образующиеся при газификации отходов и биомассы.
2
2
2
2
Большинство известных технологических процессов получения синтетических жидких углеводородных продуктов, в том числе топливного назначения, из газообразного углеводородного сырья включают в качестве основных стадий каталитическую конверсию газообразного сырья (паровую, парокислородную или пароуглекислотную) с получением синтез-газа (смеси СО и H с возможными примесями CO, HO, N, Ar и других газов) и последующий каталитический синтез жидких углеводородов из синтез-газа.
Производство синтетических жидких углеводородов (СЖУ) из углеводородных газов является энергоемким процессом и характеризуется высокими капитальными затратами. Последние определяются металлоемкостью оборудования и используемыми материалами, которые, в свою очередь, зависят от параметров технологических процессов переработки (в первую очередь, давление, температура и производительность). Этими факторами в значительной степени определяется и цена получаемого конечного целевого продукта. Поэтому при сравнительной оценке различных вариантов технологических процессов производства синтетических жидких углеводородов важнейшими показателями их эффективности являются расход исходного газа и энергии на производство конечного продукта, а также капитальные вложения на единицу конечного целевого продукта.
2
В настоящее время одним из основных способов получения синтетического моторного топлива является технология "Газ в жидкость" ("Gas-to-Liquids", или "GTL"). Современный процесс GTL в его углеводородном варианте - трехстадийная технология, использующая каталитические реакции. Сначала метан, составляющий основную часть природного и попутного газа, превращают в реакционноспособную смесь оксида углерода и водорода ("синтез-газ"). Для этой цели применяют в основном паровой или автотермический риформинг, реже парциальное окисление. Второй этап - синтез углеводородов из СО и H ("синтез Фишера-Тропша"). На третьей стадии углеводородные продукты доводят до товарного качества - либо с получением компонентов топлив, либо с получением синтетической нефти, пригодной для транспортировки по магистральным нефтепроводам совместно с природной нефтью.
Для обеспечения компактных размеров и снижения капитальных затрат при создании мобильных установок по переработке углеводородных газов в синтетическую нефть технология должна обеспечивать высокую производительность процессов на каждой стадии, а также с целью снижения металлоемкости и габаритных размеров установки - уменьшение числа вспомогательных блоков и операций.
Безопасность транспортировки синтетической нефти по магистральным нефтепроводам совместно с природной нефтью должна быть обеспечена ее составом: отсутствием реакционноспособных олефинов и высоким содержанием изоалканов в составе синтетической нефти.
В технике известны различные установки, основанные на технологии GTL, которые предлагаются для переработки природного/попутного нефтяного газа в синтетическую нефть непосредственно на месторождениях.
В патенте RU 2527536 С1, опубл. 10.09.2014 описан способ переработки углеводородного газа в стабильные жидкие синтетические нефтепродукты и энергетический комплекс для его осуществления. В предложенном способе предполагается осуществлять переработку углеводородного газа следующим образом.
Углеводородный газ поступает на предварительную обработку (сепарирование, осушка, сероочистка, компримирование) в зависимости от его состава и физико-химических свойств. Далее происходит разделение потока подготовленного газа - один из потоков направляется в блок каталитического парового риформинга в качестве сырья, а другой используется для технологических нужд (получение электрической энергии, подогрев реакторов и технологических потоков).
Технологический поток углеводородных газов направляется в газотурбинную установку, где используется для получения электрической энергии, а продукты сгорания используются для обогрева блока каталитического парового риформинга. Переработка сырьевого потока углеводородных газов ведется в блоке каталитического парового риформинга, в котором сырьевой газ смешивается с водяным паром и подается на каталитический слой. Реактор получения синтез-газа представляет собой трубчатую печь риформинга с неподвижным слоем никелевого катализатора.
Полученный синтез-газ охлаждают с помощью системы охлаждения и направляют на мембранный модуль для отделения избыточного количества водорода. Выделенный водород смешивается с продуктами сгорания, полученными на газотурбинной установке, и поступает в форсажную камеру, где происходит дожиг этой смеси. Продукты дожига направляются в межтрубное пространство блока каталитического парового риформинга для его обогрева.
2
Получение синтетических жидких углеводородов проводится в трубчатом реакторе синтеза Фишера-Тропша при температуре 150-300°С и давлении 10-50 атм. Соотношение СО/Н от 1:1 до 1:3. В составе получаемой углеводородной смеси преимущественно содержатся линейные алканы (не менее 80 масс %). Полученные синтетические жидкие углеводороды поступают в блок фракционной конденсации, где из них получают фракции моторного топлива.
Недостатками указанного способа являются:
2+
1. Использование газотурбинной установки накладывает ограничения на состав используемого топлива - при содержании в углеводородном газе жирных компонентов (С) ресурс работы лопаток газовой турбины существенно снижается, что отрицательно скажется на времени работы подобной установки, а поскольку нагрев реактора риформинга происходит только за счет продуктов сгорания технологического потока в газотурбинной установке, то в случае ее непредвиденной поломки процесс не сможет функционировать в стационарном режиме.
2. Процесс парового риформинга, который используется для генерации синтез-газа, протекает с поглощением большого количества тепла (высокоэндотермическая реакция), что приводит к необходимости постоянного обогрева реактора, а, следовательно, дополнительному расходу сырьевого газа на технологические нужды.
2
2
3. Соотношение H/CO в процессе парового риформинга обычно выше 3, что не подходит для проведения синтеза Фишера-Тропша (оптимальное соотношение Н/СО=2,0-2,2) и требует установки дополнительного модуля газоразделения для выделения избыточного количества водорода.
2
4. Мембранная система газоразделения, предназначенная для корректирования соотношения Н/СО в синтез-газе, основана на использовании преимущественно полимерных мембран, которые накладывают существенные ограничения на температуру и давление входящего потока. Таким образом, поток синтез-газа, направляемый на разделение требуется предварительно охладить, что существенно снижает энергоэффективность технологической схемы, поскольку после выделения водорода синтез-газ снова необходимо будет дополнительно подогревать перед реактором синтеза Фишера-Тропша.
5. Использование водорода в качестве технологического газа нерационально, однако в схеме предлагаемой установки, не предусмотрены иные варианты утилизации избыточных количеств водорода.
6. Продукт, получаемый по предлагаемому способу, представляет собой СЖУ с высоким содержанием линейных алканов, несовместимых с минеральной нефтью. Способность таких углеводородов разрушать смолисто-асфальтеновые комплексы в нефти приводит к ее необратимой дестабилизации и выпадению осадка при смешивании с синтетической нефтью. Кроме того, линейные алканы обладают низким октановым числом, что не позволит применять их в качестве моторного топлива без добавления октанповышающих добавок.
Патент RU 2505475 С1, опубл. 17.01.2014 раскрывает способ совместного получения синтетических жидких углеводородов и метанола и установку для его осуществления, интегрированную в объекты промысловой подготовки нефтяных и газоконденсатных месторождений. Получение синтетической нефти проводится следующим образом.
2
5+
Исходное сырье (вода и природный газ) проходят блоки очистки, где приводятся в соответствие с требуемым качеством. После этого природный газ нагревают в секции теплообменников, а затем смешивают с перегретым паром. Полученную смесь с температурой 350-450°С дополнительно подогревают в секции теплообменников за счет тепла дымовых газов печи риформинга до температуры 500-580°С и направляют в реактор риформинга. В качестве способа получения синтез-газа предлагается паровая конверсия. Часть потока природного газа направляют в печь риформинга для использования в качестве топливного газа. Температура в печи риформинга регулируется путем подачи части полученного и предварительно охлажденного синтез-газа в зону реакции. Процесс охлаждения полученного синтез-газа происходит в котле-утилизаторе. Полученное тепло расходуется на получение водяного пара. Охлажденный синтез-газ поступает на сепаратор, где отделяется вода, а затем смесь СО и H разбивают на два потока - один направляют в реактор получения СЖУ, а второй на блок синтеза метанола. Получение СЖУ осуществляют по методу Фишера-Тропша. В качестве катализатора используют кобальтовые или железные каталитические системы. Реактор получения СЖУ снабжен системой рециркуляции непрореагировавшего сырья. Для поддержания постоянного уровня инертных газов в рециркулирующей газовой смеси часть газа сбрасывается в топливную сеть. Оставшийся газ снова направляется на вход реактора, где смешивается со свежим синтез-газом, полученным на блоке риформинга. В данном процессе используется реактор синтеза Фишера-Тропша полочной конструкции. Регулирование температуры в зоне реакции осуществляется за счет подачи холодной газовой смеси по байпасным линиям в реакционное пространство, а также посредством установленных теплообменных конструкций с использованием воды в качестве теплоносителя. Смесь синтетических углеводородов, полученных в ходе реакции, после охлаждения в теплообменнике и отделения газовой фазы на сепараторе направляется на ректификацию, где происходит выделение сжиженных углеводородных газов (СУГ) (пропан-бутан), которые направляют в реактор риформинга совместно с исходным природным газом. Газовая фаза, отделенная на сепараторе, направляется на рецикл в реактор получения СЖУ. СЖУ после ректификации (фракция C) могут быть направлены на смешение с товарной нефтью или стабильным газовым конденсатом, а также переработаны в моторные топлива.
Недостатками указанного способа являются:
2
1. Использование парового риформинга на стадии получения синтез-газа не позволяет получать на выходе соотношение Н/СО менее 3, что приводит к необходимости его корректировки (например, путем выделения излишков водорода на мембране) перед подачей синтез-газа в блок получения СЖУ.
2. Рецикл сырья приводит к усложнению технологической схемы, вследствие необходимости монтажа нескольких дополнительных газовых линий, компрессоров, а кроме того приводит к увеличению количества балластного газа в системе (по сравнению со схемами без использования рецикла), что ведет к увеличению физического размера реактора для сохранения высокой производительности установки.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ получения синтетической нефти из природного/попутного нефтяного газа по технологии GTL, описанный в US 20160168489 А1, опубл. 16.06.2016, раскрывающий способ и установку для переработки природного газа в жидкие синтетические углеводороды по технологии GTL на плавучих нефтекомплексах. Переработку природного газа предлагается вести следующим образом.
2
2
Природный газ поступает в блок риформинга, где из метана, воды и СО, содержащегося в природном газе, получают синтез-газ. Далее синтез-газ поступает в узел подготовки, который состоит из блока отделения воды и блока выделения водорода. В блоке отделения воды, включающем три сепаратора, из смеси газов в несколько стадий отделяется вода. Синтез-газ после стадии отделения воды поступает в блок выделения водорода, включающий экстрактор с мембраной, где выделяется часть Н% для достижения требуемого состава синтез-газа, направляемого в блок синтеза Фишера-Тропша. Соотношение Н/СО, полученное после блока выделения водорода, составляет от 1,0 до 2,5, предпочтительно, около 2,0. Водород, выделенный в блоке выделения водорода, подается в блок риформинга в качестве топлива и в блок гидрооблагораживания для переработки синтетических углеводородов, получаемых на стадии синтеза Фишера-Тропша в блоке синтеза Фишера-Тропша. После отделения водорода и корректировки модуля синтез-газа, поток синтез-газа направляется в блок синтеза Фишера-Тропша. Получение синтетических углеводородов проводится в сларри-реакторе с рециклом непрореагировавшего синтез-газа. В блоке облагораживания с целью гидрирования олефинов, содержащихся в синтетических жидких углеводородах, смешиваются синтетические углеводороды, поступающие из блока синтеза Фишера-Тропша, и водород, выделенный в блоке выделения водорода, с получением синтетической нефти.
Недостатками указанного способа являются:
1. Синтетические жидкие углеводороды, получаемые по предлагаемому способу, содержат в основном линейные алканы, несовместимые с минеральной нефтью. Такой продукт не может транспортироваться совместно с минеральной нефтью, так как большое количество линейных алканов приведет к разрушению смолисто-асфальтеновых комплексов в нефти и, как следствие, к выпадению осадка.
2
2
2
2. Соотношение Н/СО, получаемое после конверсии природного газа, выше 3, что не подходит для проведения синтеза Фишера-Тропша (оптимальное соотношение Н/СО=2,0-2,2), поэтому требуется установка мембранного модуля для отделения водорода и корректировки соотношение Н/СО. Установка такого модуля приведет к увеличению капитальных и операционных затрат установки.
3. В блоке получения синтетических углеводородов по методу Фишера-Тропша предлагается использовать сларри-реактор. Данный тип реактора характеризуют высокими массо-габаритными характеристиками, необходимостью реализации рецикла непрореагировавшего синтез газа и установки систем очистки продукта от катализатора.
Техническая задача заявленной группы изобретений заключается в разработке способа получения синтетической нефти из природного/попутного нефтяного газа и компактной установки для получения синтетической нефти из природного/попутного нефтяного газа, которые позволяют устранить недостатки известных способов и установок.
Технический результат данной группы изобретений заключается в повышении выхода синтетической нефти за счет повышения выхода синтетических жидких углеводородов на стадии синтеза Фишера-Тропша и обеспечении получения из природного/попутного нефтяного газа синтетической нефти, пригодной для транспортировки по магистральным нефтепроводам совместно с природной нефтью.
Технический результат достигается тем, что способ получения синтетической нефти из природного/попутного нефтяного газа, пригодной для транспортировки по магистральным нефтепроводам совместно с природной нефтью, включает смешивание исходного сырьевого газа с водой с получением водогазовой смеси, нагрев водогазовой смеси с последующим смешением перед входом в верхнюю часть реактора риформинга с предварительно подогретым воздухом, обогащенным кислородом, одностадийную каталитическую конверсию парогазовой смеси в процессе автотермического риформинга с получением синтез-газа, охлаждение синтез-газа, компримирование полученного синтез-газа, его предварительный подогрев и одностадийное каталитическое превращение в компактном миниканальном реакторе синтеза Фишера-Тропша в смесь воды и синтетических жидких и газообразных углеводородов, и углекислого газа, охлаждение выходящей из реактора синтеза Фишера-Тропша смеси непрореагировавшего синтез-газа и полученных в процессе Фишера-Тропша воды и синтетических жидких и газообразных углеводородов, и углекислого газа, отделение водородсодержащего газа, представляющего собой смесь газообразных синтетических углеводородов, непрореагировавшего синтез-газа и углекислого газа, от смеси воды и синтетических жидких углеводородов, отделение воды от синтетических жидких углеводородов, смешивание их с частью водородсодержащего газа с получением газожидкостной смеси, предварительный нагрев полученной газожидкостной смеси и одностадийное каталитическое превращение ненасыщенных углеводородов, содержащихся в газожидкостной смеси, в насыщенные углеводороды, отделение синтетической нефти, пригодной для транспортировки по магистральным нефтепроводам совместно с природной нефтью, и представляющей собой смесь насыщенных синтетических углеводородов, синтезированных в реакторе синтеза Фишера-Тропша, и насыщенных синтетических углеводородов, полученных в результате превращения ненасыщенных углеводородов, от непрореагировавшего водородсодержащего газа.
Достижению технического результата также способствует следующее.
В качестве воздуха используют обогащенный воздух с соотношением кислород/азот от 1:0,6 до 1:1,5.
Поток подогретого обогащенного воздуха разделяют на два потока: первый поток смешивают с водогазовой смесью перед входом в верхнюю часть реактора авторемического риформинга, второй поток подают в нижний вход реактора авторемического риформинга. Соотношение между вторым и первым потоком обогащенного воздуха составляет от 1:1,5 до 1:2,3.
Получение синтез-газа осуществляют в реакторе автотермического риформинга штыкового типа в присутствии никельсодержащего катализатора.
2
2
За счет использования для получения синтез-газа процесса автотермического риформинга в присутствии никельсодержащего катализатора, выходящий из реактора 1 автотермического риформинга синтез-газ с соотношением СО/Н от 1:1,8 до 1:2,6 не требует дополнительной подготовки в мембранном или адсорбционном блоке с целью получения оптимального соотношения СО/Н, позволяющего достичь максимального выхода синтетических жидких углеводородов на стадии синтеза Фишера-Тропша.
Получение синтетических жидких углеводородов осуществляют в компактном миниканальном реакторе синтеза Фишера-Тропша в присутствии гибридного цеолитсодержащего высокопроизводительного катализатора.
Поддержание изотермического режима в каналах реактора синтеза Фишера-Тропша производят за счет кипения воды в рубашке охлаждения в режиме «кипение в объеме».
Тепло синтез-газа, выходящего из реактора автотермического риформинга, используют для предварительного нагрева смеси сырьевого газа и воды, а также для последующего предварительного подогрева обогащенного воздуха.
Тепло синтетической нефти, выходящей из реактора гидрирования, используют для предварительного подогрева смеси синтетических углеводородов и водородсодержащего газа.
Тепло смеси продуктов и непрореагировавшего газа, выходящих из реактора синтеза Фишера-Тропша, используют для предварительного подогрева синтез-газа, а тепло воды, выходящей из рубашки охлаждения компактного миниканального реактора синтеза Фишера-Тропша, используют для подогрева синтез-газа перед входом в реактор синтеза Фишера-Тропша.
Водородсодержащий газ, отделенный от жидких продуктов реакции Фишера-Тропша, и непрореагировавший водородсодержащий газ, отделенный от синтетической нефти, полностью обеспечивают потребности способа в топливном газе, используемом для технологических нужд.
Технический результат достигается также компактной установкой для получения синтетической нефти из природного/попутного нефтяного газа, пригодной для транспортировки по магистральным нефтепроводам совместно с природной нефтью, включающей три реактора, последовательно соединенных системой трубопроводов: реактор процесса получения синтез-газа из природного/попутного нефтяного газа методом автотермического риформинга, реактор синтеза Фишера-Тропша для получения синтетических жидких углеводородов с повышенным содержанием изоалканов и реактор гидрирования, при этом верхний вход реактора автотермического риформинга соединен с системой сырьевых трубопроводов, которая включает трубопровод подачи природного/попутного нефтяного газа, соединенный с источником сырьевого газа, входящий в него перед теплообменником нагрева водогазовой смеси трубопровод подачи воды, соединенный с источником воды, и трубопровод для подачи обогащенного воздуха, соединенный с источником воздуха и, включающий последовательно установленный мембранный блок выделения азота для получения обогащенного воздуха и теплообменник для предварительного подогрева обогащенного воздуха, выход из реактора автотермического риформинга трубопроводом соединен со входом сепаратора для отделения воды от синтез-газа, газовый выход которого трубопроводом соединен со входом реактора синтеза Фишера-Тропша, причем на трубопроводе последовательно установлены компрессор, ресивер, теплообменник для предварительного подогрева синтез-газа и теплообменник для подогрева предварительно подогретого синтез-газа, выход из реактора синтеза Фишера-Тропша трубопроводом, на котором установлен теплообменник для охлаждения смеси воды, синтетических жидких и газообразных углеводородов, углекислого газа и непрореагировавшего синтез-газа, соединен со входом сепаратора для разделения смеси газообразных углеводородов, непрореагировавшего синтез-газа и углекислого газа и смеси воды и синтетических жидких углеводородов, жидкостной выход из которого соединен со входом в сепаратор для разделения воды и синтетических жидких углеводородов, при этом выход синтетических углеводородов из сепаратора для разделения воды и синтетических жидких углеводородов последовательно соединен трубопроводом с насосом и входом в смеситель, выход из которого соединен трубопроводом, на котором последовательно установлены теплообменник для предварительного подогрева газожидкостной смеси и теплообменник для подогрева предварительно подогретой газожидкостной смеси, со входом в реактор гидрирования, выход из реактора гидрирования трубопроводом, на котором установлен теплообменник для охлаждения смеси синтетической нефти и непрореагировавшего водородсодержащего газа, соединен со входом в сепаратор для отделения водородсодержащего газа от синтетической нефти, газовый выход которого соединен с трубопроводом топливного газа, а выход синтетической нефти - соединен с трубопроводом для подачи синтетической нефти потребителю.
Указанные отличительные признаки существенны.
Достижению технического результата также способствует следующее.
Трубопровод для подачи обогащенного воздуха после теплообменника для предварительного подогрева обогащенного воздуха разделяется на два трубопровода, один из которых входит в трубопровод водосырьевой смеси, а другой соединен с нижним входом реактора, противоположным входу, соединенному с системой сырьевых трубопроводов.
2
2
Реактор автотермического риформинга представляет собой компактный реактор штыкового типа для получения синтез-газа. За счет использования для получения синтез-газа процесса автотермического риформинга в присутствии никельсодержащего катализатора, выходящий из реактора риформинга синтез-газ с соотношением СО/Н от 1:1,8 до 1:2,6 не требует дополнительной подготовки в мембранном или адсорбционном блоке с целью получения оптимального соотношения СО/H позволяющего достичь максимальный выход синтетических жидких углеводородов на стадии синтеза Фишера-Тропша.
Трубопровод, соединяющий выход из реактора автотермического риформинга со входом сепаратора для отделения воды от синтез-газа, последовательно проходит через межтрубное пространство теплообменника нагрева водогазовой смеси и межтрубное пространство теплообменника для предварительного подогрева обогащенного воздуха.
Водяной выход из сепаратора для отделения воды от синтез-газа соединен с трубопроводом подачи воды в реактор через четырехходовой кран, причем четырехходовой кран также соединен с трубопроводом отвода избыточной воды.
Реактор синтеза Фишера-Тропша представляет собой компактный миниканальный реактор для получения синтетических углеводородов, снабженный охлаждающей рубашкой, при этом вход и выход контура охлаждения реактора синтеза Фишера-Тропша соединены трубопроводом, проходящим через межтрубное пространство теплообменника для подогрева предварительно подогретого синтез-газа, с системой внешнего охлаждения, которая состоит из последовательно установленных аппарата воздушного охлаждения, емкости для сбора воды, насоса и теплообменника для нагрева воды перед подачей в охлаждающую рубашку, соединенных трубопроводом.
Трубопровод, соединяющий выход из реактора синтеза Фишера-Тропша со входом сепаратора для разделения смеси газообразных углеводородов, непрореагировавшего синтез-газа и углекислого газа и жидких продуктов реакции, проходит через межтрубное пространство первого теплообменника для предварительного подогрева синтез-газа.
Газовый выход из сепаратора для разделения смеси газообразных углеводородов, непрореагировавшего синтез-газа и углекислого газа и жидких продуктов реакции соединен с трубопроводом топливного газа и трубопроводом водородсодержащего газа, соединенным со входом в смеситель.
Водяной выход из сепаратора для разделения воды и синтетических жидких углеводородов соединен с трубопроводом подачи воды, на котором последовательно установлены насос откачки воды, четырехходовой кран, ресивер и насос подачи сырьевой воды.
Трубопровод, соединяющий выход из реактора гидрирования со входом в сепаратор для отделения водородсодержащего газа от синтетической нефти, проходит через межтрубное пространство первого теплообменника для предварительного подогрева газожидкостной смеси перед входом в реактор гидрирования.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема предлагаемой компактной установки. На чертеже обозначены потоки: сырьевой газ (природный или попутный нефтяной газ), воздух, азот, вода, водородсодержащий (топливный) газ, синтетическая нефть.
Компактная установка для получения синтетической нефти из природного/попутного нефтяного газа, пригодной для транспортировки по магистральным нефтепроводам совместно с природной нефтью, включает три последовательно соединенных системой трубопроводов реактора: реактор 1 получения синтез-газа из природного/попутного нефтяного газа методом автотермического риформинга, реактор 2 получения синтетических жидких углеводородов с повышенным содержанием изоалканов методом Фишера-Тропша в компактном варианте и реактор 3 гидрирования для получения синтетической нефти. Причем, верхний вход 4 реактора 1 автотермического риформинга соединен с системой сырьевых трубопроводов, которая включает трубопровод 5 подачи сырьевого газа, соединенный с источником сырьевого газа, входящий в него перед теплообменником нагрева водогазовой смеси 6 трубопровод подачи воды 7, соединенный с источником воды, и трубопровод 8 для подачи обогащенного воздуха, соединенный с источником воздуха и, включающий последовательно установленный мембранный блок выделения азота 9 для получения обогащенного воздуха и теплообменник 10 для предварительного подогрева обогащенного воздуха, который после теплообменника 10 разделяют на два трубопровода, один из которых входит в трубопровод водосырьевой смеси, а другой соединен с нижним входом 11 реактора 1 автотермического риформинга, противоположным входу 4, соединенному с системой сырьевых трубопроводов.
Выход 12 из реактора 1 автотермического риформинга трубопроводом 13 соединен со входом сепаратора 14 для отделения воды от синтез-газа, причем трубопровод 13 последовательно проходит через межтрубное пространство теплообменников 6 и 10. Газовый выход 15 из сепаратора 14 соединен с компактным миниканальным реактором синтеза Фишера-Тропша 2 трубопроводом 16, причем на трубопроводе 16 последовательно установлены компрессор 17, ресивер 18, теплообменник 19 для предварительного подогрева синтез-газа, теплообменник 20 для подогрева предварительно подогретого синтез-газа. Водяной выход 21 из сепаратора 14 соединен трубопроводом подачи воды 7 в реактор 1 автотермического риформинга через четырехходовой кран 22, причем четырехходовой кран 22 также соединен с трубопроводом 23 отвода избыточной воды.
Компактный миниканальный реактор синтеза Фишера-Тропша 2 снабжен охлаждающей рубашкой (на чертеже не показано). Выход и вход контура охлаждения реактора 2 соединены трубопроводом 24, проходящим через межтрубное пространство теплообменника 20, с системой внешнего охлаждения, которая состоит из последовательно установленных аппарата воздушного охлаждения 25, емкости 26, насоса 27 и теплообменника 28 для нагрева воды перед подачей в охлаждающую рубашку реактора синтеза Фишера-Тропша 2.
Выход из реактора синтеза Фишера-Тропша 2 трубопроводом 29 соединен со входом сепаратора 30 для разделения смеси газообразных углеводородов, непрореагировавшего синтез-газа и углекислого газа и жидких продуктов реакции, причем трубопровод 29 последовательно проходит через межтрубное пространство теплообменника 19 для предварительного подогрева синтез-газа и через трубное пространство теплообменника 31 для охлаждения смеси воды, синтетических жидких и газообразных углеводородов, углекислого газа и непрореагировавшего синтез-газа. Газовый выход 32 из сепаратора 30 соединен с трубопроводом топливного газа 33 и трубопроводом 34 водородсодержащего газа, который представляет собой смесь газообразных синтетических углеводородов, непрореагировавшего синтез-газа и углекислого газа, соединенным со входом в смеситель 35. Жидкостной выход 36 из сепаратора 30 соединен со входом в сепаратор 37 для разделения воды и синтетических жидких углеводородов. Водяной выход 38 из сепаратора 37 соединен с трубопроводом 7 подачи воды, причем на трубопроводе 7 подачи воды последовательно установлены насос 39 откачки воды, четырехходовой кран 22, ресивер 40 и насос 41 подачи сырьевой воды. Выход 42 синтетических углеводородов из сепаратора 37 последовательно соединен с насосом 43 и входом в смеситель 35. Выход из смесителя 35 трубопроводом 44 соединен со входом в реактор гидрирования 3, причем на трубопроводе 44 последовательно установлены теплообменник 45 для предварительного подогрева газожидкостной смеси и теплообменник 46 для подогрева предварительно подогретой газожидкостной смеси.
Выход из реактора гидрирования 3 трубопроводом 47, проходящим через межтрубное пространство теплообменника 45, соединен со входом в сепаратор 48 для отделения водородсодержащего газа от синтетической нефти, пригодной для транспортировки по магистральным нефтепроводам совместно с природной нефтью, и представляющей собой смесь насыщенных синтетических углеводородов, синтезированных в реакторе синтеза Фишера-Тропша 2, и насыщенных синтетических углеводородов, полученных в результате превращения ненасыщенных углеводородов, причем на трубопроводе 47 установлен теплообменник 49 для охлаждения смеси синтетической нефти и непрореагировавшего водородсодержащего газа. Газовый выход 50 сепаратора 48 соединен с трубопроводом топливного газа 33. Выход 51 синтетической нефти сепаратора 48 соединен с трубопроводом 52 для подачи синтетической нефти потребителю.
Предложенный способ включает автотермическую конверсию природного/попутного нефтяного газа с водяным паром и обогащенным воздухом, получение из синтез-газа в процессе Фишера-Тропша синтетических углеводородов, которые затем направляются на гидрирование для получения стабильной синтетической нефти.
Предложенный способ получения синтетической нефти из природного/попутного нефтяного газа, пригодной для транспортировки по магистральным нефтепроводам совместно с природной нефтью, осуществляется следующим образом.
2
2
4
Природный или попутный нефтяной газ под давлением не менее 0,7 МПа подают в трубопровод 5 сырьевого газа, где смешивают с водой в соотношении 1:(0,6-1,0), подаваемой по трубопроводу подачи воды 7 из ресивера 40 насосом 41 для подачи сырьевой воды, с получением водогазовой смеси. Водогазовую смесь нагревают до температуры 500-600°С в теплообменнике 6 нагрева водогазовой смеси горячим потоком продуктов реакции из реактора 1 автотермического риформинга, смешивают с частью обогащенного воздуха, подаваемого по трубопроводу 8 подачи обогащенного воздуха, и с давлением процесса 0,5-2,0 МПа подают в верхний вход 4 реактора 1 автотермического риформинга. В мембранном блоке 9 из воздуха (II) выделяют азот (III) для получения обогащенного воздуха с соотношением кислород : азот 1:0,6-1,5. Далее обогащенный воздух по трубопроводу 8 подачи обогащенного воздуха, проходящему через теплообменник 10 для предварительного подогрева обогащенного воздуха, где нагревается до температуры 300-400°С, подают в реактор 1 автотермического риформинга, при этом для разделенной подачи трубопровод 8 после теплообменника 10 разделяют на два трубопровода по которым подают обогащенный воздух в верхний вход 4 и нижний вход 11 реактора 1 автотермического риформинга при соотношении верхнего и нижнего потоков (1,5-2,3):1. Процесс автотермического риформинга ведут в реакторе 1 автотермического риформинга в температурном диапазоне 850-950°С в присутствии никельсодержащего катализатора. Получаемый синтез-газ имеет соотношение СО/Н от 1:1,8 до 1:2,6 и суммарное содержание примесей (СО и СН) не более 8 об %.
Продукты реакции из реактора 1 автотермического риформинга после прохождения межтрубного пространства рекуперативных теплообменников 6 и 10 по трубопроводу 13 направляют в сепаратор-конденсатор 14, в котором происходит отделение воды от синтез-газа. Синтез-газ из газового выхода 15 сепаратора 14 по трубопроводу 16 поступает на прием компрессора 17, затем - в ресивер 18, откуда через теплообменник 19 для предварительного подогрева синтез-газа, где поток синтез-газа нагревается до температуры 100-150°С потоком продуктов из реактора 2 синтеза Фишера-Тропша, и теплообменник 20 для подогрева предварительно подогретого синтез-газа, где поток синтез-газа нагревается отходящим водяным паром до температуры на 10-20°С ниже температуры реакции (230-260°С), с давлением 1,5-3,0 МПа поступает в компактный миниканальный реактор 2 синтеза Фишера-Тропша, заполненный гибридным кобальтсодержащим катализатором. Из водяного выхода 21 отделившуюся в сепараторе 14 воду через четырехходовой кран 22 направляют в ресивер 40 или в трубопровод 23 отвода избыточной воды.
Отвод тепла, выделяющегося в ходе реакции Фишера-Тропша, производят кипящей водой, находящейся в охлаждающей рубашке реактора 2 синтеза Фишера-Тропша при температуре ведения процесса 230-260°С. С этой целью циркулирующая вода по трубопроводу 24, соединяющему выход и вход контура охлаждения реактора 2 синтеза Фишера-Тропша, из емкости 26 насосом 27 подается в теплообменник 28, где нагревается до температуры ведения процесса, и подается в контур охлаждения реактора 2 синтеза Фишера-Тропша. При этом давление водяного пара в контуре охлаждения реактора 2 синтеза Фишера-Тропша должно соответствовать давлению насыщенных паров воды при температуре реакции. Водяной пар из рубашки реактора после прохождения межтрубного пространства теплообменника 20 поступает в аппарат воздушного охлаждения 25, где полностью конденсируется и стекает в емкость 26.
Продукты синтеза Фишера-Тропша по трубопроводу 29, проходящему через межтрубное пространство рекуперативного теплообменника 19 и водяной теплообменник 31, где охлаждается смесь воды, синтетических жидких и газообразных углеводородов, углекислого газа и непрореагировавшего синтез-газа, направляют на вход сепаратора 30 для разделения смеси газообразных углеводородов, непрореагировавшего синтез-газа и углекислого газа и жидких продуктов реакции. Газообразные продукты из газового выхода сепаратора 32 отводят частично через трубопровод 33 топливного газа в поток топливного газа и частично через трубопровод 34 водородсодержащего газа в смеситель 35 для смешения с синтетическими углеводородами перед поступлением в реактор гидрирования 3. Жидкие продукты из жидкостного выхода 36 сепаратора 30 направляют в сепаратор 37 для разделения воды и синтетических жидких углеводородов, откуда через водяной выход 38 воду насосом 39 откачивают в трубопровод 7 подачи воды, а синтетические углеводороды через выход 42 синтетических углеводородов насосом 43 подают в смеситель 35.
Смесь синтетических углеводородов и водородсодержащего газа из смесителя 35 по трубопроводу 44, проходящему через первый теплообменник 45 для предварительного подогрева газожидкостной смеси, где их нагревают потоком продуктов из реактора 3 гидрирования до температуры 100-150°С, и теплообменник 46 для предварительного подогрева газожидкостной смеси, где их нагревают до температуры реакции 230-280°С, поступает в реактор гидрирования 3 с остаточным давлением 2,0-2,5 МПа, где в присутствии никельсодержащего катализатора происходит гидрирование непредельных углеводородов, содержащихся в смеси синтетических жидких углеводородов.
После выхода из ректора гидрирования 3 поток синтетической нефти и непрорагировавшего водородсодержащего газа по трубопроводу 47, проходящему через межтрубное пространство теплообменника 45, где он отдает тепло холодному потоку смеси синтетических жидких углеводородов и водородсодержащего газа, и теплообменник 49, где он доохлаждается, и поступает в сепаратор 48 для отделения водородсодержащего газа от синтетической нефти. Водородсодержащий газ через газовый выход 50 сепаратора 48 направляют в поток топливного газа. Поток топливного газа используют для нагрева реакторов и потоков сырья и полупродуктов. Синтетическая нефть, выходящая из сепаратора 48 через выход 51 синтетической нефти, по трубопроводу 52 направляется на смешивание с природной нефтью и транспортируется по магистральным нефтепроводам к местам потребления или переработки.
Состав синтетической нефти, получаемой при использовании предлагаемого способа в предлагаемой установке, характеризуется содержанием более 35 масс % изоалканов и менее 1,0 масс % олефинов и обеспечивает отсутствие рисков ее несовместимости при совместной транспортировке и хранении с природной нефтью.
С помощью предложенной группы изобретений за счет оптимизации условий проведения процессов на стадии автотермического риформинга, синтеза Фишера-Тропша и гидрирования, оптимизации тепловых потоков и повышения термической эффективности способа, вовлечения побочных продуктов процессов на стадии синтеза Фишера-Тропша и гидрирования в сырьевую и энергетическую схему установки, удалось значительно снизить капитальные и операционные затраты на единицу получаемой продукции.
Кроме того, с помощью предложенных способа и установки удалось достичь следующих результатов.
1. За счет использования в качестве сырья обогащенного воздуха снижается содержание азота в синтез-газе до содержания не более 20 об %, что позволяет снизить размеры оборудования и капитальные затраты на строительство установки.
2. За счет разделения потока обогащенного воздуха, поступающего в реактор автотермического риформинга, на два потока, поступающих снизу и сверху реактора, можно гибко регулировать температуру в реакторе, избегая перегревов, что позволяет повысить эффективность процесса получения синтез-газа.
3. За счет использования для получения синтез-газа процесса автотермического риформинга в присутствии никельсодержащего катализатора, используемое сырье любого углеводородного состава не требует проведения предварительного предриформинга углеводородов с числом углеродных атомов 2 и более.
2
2
4. За счет использования для получения синтез-газа процесса автотермического риформинга в присутствии никельсодержащего катализатора, выходящий из реактора риформинга синтез-газ с соотношением СО/H от 1:1,8 до 1:2,6 не требует дополнительной подготовки в мембранном или адсорбционном блоке с целью получения оптимального соотношения СО/H позволяющего достичь максимального выхода синтетических жидких углеводородов на стадии синтеза Фишера-Тропша.
5. За счет использования в реакторе гидрирования в качестве водородсодержащего газа смеси газов, выходящей из реактора синтеза Фишера-Тропша и состоящей из непрореагировавшего синтез-газа, газообразных синтетических углеводородов и углекислого газа, без дополнительного компримирования, получение синтетической нефти из синтетических углеводородов не требует использования чистого водорода и его выделения, что значительно повышает эффективность процесса получения синтетической нефти из синтетических углеводородов.
6. За счет использования водородсодержащего газа, отделенного от жидких продуктов реакции Фишера-Тропша, и непрореагировавшего водородсодержащего газа, отделенного от синтетической нефти, в качестве топливного газа для обеспечения нужд установки, сырьевые углеводородные газы не используются для технологических нужд, что значительно повышает эффективность использования исходного углеводородного сырья.
7. За счет высокого содержания изоалканов (более 35 масс %) и низкого содержания олефинов (менее 1,0 масс %) в синтетической нефти отсутствуют риски несовместимости при ее смешивании с природной нефтью, заключающиеся в выпадении осадков и нарушении коллоидной стабильности такой смеси, что позволяет транспортировать и хранить синтетическую нефть, получаемую на предлагаемой установке, совместно с природной нефтью.
8. Водородсодержащий газ, отделенный от жидких продуктов реакции Фишера-Тропша, и непрореагировавший водородсодержащий газ, отделенный от синтетической нефти, полностью обеспечивают потребности способа в топливном газе, используемом для технологических нужд.