УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА С КАТАЛИТИЧЕСКИМ НАГРЕВАТЕЛЕМ
SYNTHESIS GAS WITH THE CATALYTIC HEATER PRODUCTION INSTALLATION

Изобретение относится к установкам получения синтез-газа паровым риформингом и может найти применение в нефтегазовой промышленности.
Известен способ получения водорода из углеводородного сырья [RU 2394754, опубл. 20.07.2010 г., МПК С01В 3/34, С01В 3/12], осуществляемый на установке, которая включает устройство для получения синтез-газа, состоящее из реактора паровой каталитической конверсии конвекционного типа с горелкой и парового котла-утилизатора, а также устройство для сероочистки сырья, конвертор оксида углерода, охладители-осушители дымового и водородсодержащего газа и узел выделения водорода.
Недостатком данной установки является большая металлоемкость из-за большой площади теплообменных поверхностей реактора и оборудования для рекуперации тепла.
Известен способ комбинированного производства электроэнергии и получения обогащенного водородом газа паровым риформингом углеводородной фракции с подводом тепла посредством сжигания водорода по месту осуществления способа [RU 2425995, МПК F02C 6/04, опубл. 10.08.2011 г.], осуществляемый на установке, включающей реактор получения синтез-газа паровым риформингом (риформер), установленный на линии подачи водорода в качестве топлива в камеру сгорания газотурбинной установки, оснащенный устройством нагрева реакционной зоны, состоящим из внешней установки (устройства) для выделения водорода из синтез-газа, внутреннего устройства для сжигания водорода и системы подачи кислородсодержащего газа с линией ввода воздуха, включающей воздушный компрессор и устройство для циркуляции азота с рекуперационным теплообменником, холодильником, аппаратом воздушного охлаждения, сепаратором и газодувкой.
2
Недостатками известной установки является сложность устройства нагрева из-за большого количества оборудования, а также из-за необходимости использования высоких температур (1000-1200°С) в реакторе вследствие уменьшения глубины конверсии при снижении температуры. При этом получаемый синтез-газ обогащен водородом сверх соотношения Н:СО, оптимального при последующем использовании синтез-газа для синтеза химических соединений (метанола, углеводородов и пр.).
Наиболее близким по технической сущности является система (устройство) нагрева материала для хранения водорода [US 2010/0061926 А1, МПК С01В 3/02, B01J 19/00 опубл. 11.03.2010 г.], которая включает устройство нагрева циркулирующего жидкого флюида-теплоносителя (каталитический нагреватель) за счет каталитического сжигания (окисления) кислородом воздуха части водорода, выделяемого из обратимо гидрируемого (насыщаемого водородом) материала (например, гидрида металла или адсорбента), расположенного внутри резервуара, при нагревании гидрируемого материала нагретым теплоносителем, который пропускают через каналы, расположенные в слое гидрируемого материала, отделенные от последнего теплопроводящей стенкой (перегородкой). Каталитический нагреватель заполнен катализатором окисления, соединен с резервуаром линией подачи части водорода, к которой примыкает линия подачи воздуха с газодувкой, линией подачи нагретого теплоносителя, на которой расположен циркуляционный насос, и линией подачи охлажденного теплоносителя, а также оснащен линией вывода влажного воздуха (отходящего газа), содержащего пары воды, образовавшиеся при окислении водорода.
Недостатками данного устройства при использовании в установке для получения синтез-газа являются: низкая температура нагрева, ограниченная термостабильностью теплоносителя, расход энергии на циркуляцию теплоносителя, взрывоопасность из-за соединения линии подачи воздуха с линией подачи водорода в каталитический нагреватель, что приводит к образованию взрывоопасной смеси водорода с воздухом. Данное устройство не применимо для нагрева реакционной зоны риформера в области температур 700°С и выше.
Задачами изобретения являются: повышение температуры нагрева, снижение расхода энергии и обеспечение взрывобезопасности, а также увеличение выхода и оптимизация состава синтез-газа.
Техническим результатом является повышение температуры нагрева и снижение расхода энергии за счет исключения использования жидкого теплоносителя путем размещения в риформере каталитического нагревателя, отделенного от реакционной зоны водородселективной теплопроводящей перегородкой, а также обеспечение взрывобезопасности устройства за счет подачи кислородсодержащего газа непосредственно в слой катализатора окисления водорода. Дополнительных эффектом является повышение выхода и оптимизация состава синтез-газа за счет удаления из зоны реакции избыточного количества водорода и смещения равновесия химической реакции в сторону образования целевого продукта - синтез-газа.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой установке, включающей резервуар с нагреваемым материалом и устройство нагрева с каталитическим нагревателем, заполненным катализатором окисления, газодувкой и линиями подачи воздуха и вывода отходящего газа, особенностью является то, что в качестве резервуара с нагреваемым материалом установлен риформер с реакционной зоной, заполненной катализатором, каталитический нагреватель размещен в риформере, отделен от его реакционной зоны водородселективой и теплопроводящей перегородкой, оснащен линией ввода кислородсодержащего газа, на которой расположен теплообменник, а на линии вывода отходящего газа размещены теплообменник, холодильник и газодувка, на входе в которую к линии вывода отходящего газа примыкает линия подачи воздуха, а на выходе - линия вывода балансового газа, образуя линию подачи кислородсодержащего газа, при этом риформер оснащен линиями ввода сырьевой смеси и вывода синтез-газа из реакционной зоны, соединенными с рекуперационным теплообменником, перед которым на линии ввода сырьевой смеси установлен холодильник.
Холодильник может быть оснащен системой сепарации и вывода воды. Для подогрева сырья перед входом в реактор на линии вывода отходящего газа может быть установлен дополнительный теплообменник. При недостатке тепла, выделяющегося при окисления водорода для поддержания температуры риформинга, каталитический нагреватель может быть оснащен линией подачи топлива.
Каталитический нагреватель может быть выполнен, например, в виде трубчатых элементов с газопроницаемой стенкой, на которую нанесена водородселективная (например, палладийсодержащая) мембрана, внутри которых размещен катализатор окисления. При этом риформер, теплообменники и газодувка могут быть изготовлены в любом исполнении, известном из уровня техники, работоспособном при термобарических условиях протекающих каталитических процессов.
Размещение в риформере каталитического нагревателя, отделенного от реакционной зоны водородселективой и теплопроводящей перегородкой, позволяет, во-первых, передавать тепло в реакционную зону непосредственно через теплопроводящую перегородку, исключив использование жидкого теплоносителя и насоса для его циркуляции, за счет чего исключить расходование энергии на циркуляцию теплоносителя и повысить температуру нагрева реакционной зоны вследствие отсутствия ограничений по термостабильности теплоносителя, а, во-вторых, позволяет вывести из реакционной зоны через водородселективную перегородку часть водорода, окислить его кислородсодержащим газом, а затем нагреть реакционную зону за счет тепла, выделяющегося при этом. Контакт водорода и кислорода в этом случае происходит в слое катализатора окисления, что исключает опасность взрыва и обеспечивает взрывобезопасность установки.
Кроме того, из-за удаления водорода из зоны реакции, равновесие риформинга смешается в сторону образования целевых продуктов, позволяя повысить глубину протекания риформинга и выход синтез-газа, а также оптимизировать его состав за счет приближения объемного соотношения водород: оксид углерода в синтез-газе к оптимальному соотношению, равному 2:1.
Предлагаемая установка включает риформер 1 с реакционной зоной 2, заполненной катализатором парового риформинга, в котором размещен каталитический нагреватель с водородселективной теплопроводящей перегородкой 3 и катализатором окисления 4, рекуперационный теплообменник 5, а также систему подачи кислородсодержащего газа с газодувкой 6, холодильником 7 и теплообменником 8.
При работе установки водно-углеводородную сырьевую смесь, подаваемую по линии 9, нагревают в холодильнике 7, теплообменнике 5 и направляют в риформер 1, где при контакте с катализатором в реакционной зоне 2 образуется синтез-газ, выводимый через теплообменник 5 по линии 10. Водород из синтез-газа диффундирует через перегородку 3 и в присутствии катализатора окисления 4 контактирует с кислородсодержащим газом, подаваемым по линии 11 с помощью газодувки 6 после нагрева в теплообменнике 8. Тепло, выделяющееся при окислении водорода, нагревает катализатор риформинга в реакционной зоне 2, а полученный отходящий газ выводят по линии 12, охлаждают в аппаратах 8, 7 и смешивают с воздухом, подаваемым по линии 13, для восполнения кислорода, израсходованного на окисление водорода. Балансовый газ выводят по линии 14 после газодувки 6. При необходимости на линии 12 после риформера 1 установлен дополнительный теплообменник 15, а каталитический нагреватель оснащен линией подачи топлива 16 (показано пунктиром).
Таким образом, предлагаемая установка позволяет повысить температуру нагрева, снизить расход энергии и обеспечить взрывобезопасность, а также увеличить выход и оптимизировать состав синтез-газа и может быть использована в промышленности.