СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА
NATURAL GAS PROCESSING METHOD

Предлагаемое изобретение относится к способу переработки природного газа и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности и в промышленности органического синтеза.
Известны способы переработки природного газа, в том числе, метана, паровым риформингом углеводородсодержащего газа с получением водорода (US 4553981, US 6214314, 2001, RU 2357919, 2009, Установка производства водорода, https//pronpz.ru/ustanovki/steam-reformer-unit.html, US 11161738, 2021).
Известны способы переработки природного газа с получением водорода, технологии которого включают процесс получения метанола (US 6214314, 2001, DE 2904008, 1980, RU 2285660, 2006).
2
2
2
Наиболее близким по технической сути является способ переработки природного газа с получением метанола и водорода, включающий паровой риформинг углеводородного сырья при повышенных давлении и температуре с образованием газового потока, содержащего водород, оксиды углерода, метан и непрореагировавший пар (WO 9903807, 1999). При этом образованный конвертированный газ характеризуется величиной функционала f=(H-CO)/(CO+CO) ~2,8-2,94. Полученный газ охлаждают с выделением сконденсированной воды. Сухой конвертированный газ без компримирования направляют на синтез метанола и его выделение, из непрореагировавшего газа выделяют водород.
Непрореагировавший газ перед выделением водорода может предварительно подвергаться конверсии с паром. В этом случае водяной пар дозируется к части непрореагировавшего газа и подвергается конверсии СО. Соотношение пар: газ перед высокотемпературной конверсией СО из-за опасений протекания реакции Будуара с образованием и выделения твердого углерода не должно быть ниже 0,6.
Синтез метанола возможно проводить в одну или более стадий с выделением синтезированного метанола после каждой стадии, причем метанол отделяют от реакционного газа путем промывания холодной водой.
Недостатки известного способа заключаются в подаче всего объема конвертированного газа после конденсации водяного пара на синтез метанола, приводящей к ограничению ассортимента получаемых продуктов. Кроме того, проведение процесса конденсации технологического водяного пара из конвертированного газа требует подачи технологического водяного пара в водород-оксид углеродную смесь после стадии синтеза метанола для проведения высокой и низкотемпературной конверсий оксида углерода, что приводит к повышенным энергозатратам на проведение способа в целом, а использование процесса промывания реакционного газа при выделении метанола холодной водой сопровождается наличием значительного количества воды, подлежащей последующей очистке с образованием трудно утилизируемых отходов.
Таким образом, известный способ недостаточно эффективен.
Техническая проблема настоящего изобретения заключается в расширении ассортимента получаемых продуктов и сокращении энергозатрат.
Указанная проблема решается способом переработки природного газа, заключающимся в том, что природный газ подвергают паровому риформингу при повышенных температуре и давлении с образованием влажного конвертированного газа с температурой 860-830°С и давлением 20-30 атм, затем полученный влажный конвертированный газ подвергают охлаждению до температуры 360-450°С и разделяют на два потока газа, первый из которых направляют последовательно на стадию конверсии оксида углерода, стадию охлаждения и стадию короткоцикловой адсорбции с выделением целевого водорода и газовой фазы, направляемой на паровой риформинг в качестве топлива, а второй поток газа после охлаждения до температуры 30-40°С и выделения влаги направляют либо на стадию получения метанола, либо на стадию получения синтетических жидких углеводородов, причем в случае получения метанола второй поток газа предварительно подвергают компрессии до 50,0-90 атм, при этом первый поток газа перед направлением на стадию конверсии оксида углерода смешивают с отбросным газом процесса получения метанола с обеспечением объемного соотношения в образованной смеси водяного пара и газа не менее 0,6, а в случае получения синтетических жидких углеводородов второй поток газа подвергают синтезу Фишера-Тропша на кобальтовом катализаторе, при этом первый поток газа перед направлением на стадию конверсии оксида углерода смешивают с отбросным газом синтеза Фишера-Тропша с обеспечением объемного соотношения в образованной смеси водяного пара и газа не менее 0,6, причем разделение исходного потока конвертированного газа на два потока газа производят в объемном соотношении первый поток газа ко второму потоку газа в случае получения метанола 1:0,33-0,43, а случае получения синтетических жидких углеводородов 1:0,21 для исключения образования твердого углерода в процессе конверсии оксида углерода.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении реструктуризации технологических потоков в процессе переработки природного газа при минимизации отходов производства.
Сущность описываемого способа заключается в следующем.
Природный газ - метан подвергают паровому риформингу при температуре 800-860°С и давлении 20-30 атм с использованием никелевого катализатора с образованием влажного конвертированного газа с температурой 830-860°С и давлением 20-30 атм и содержащего водород, оксиды углерода, воду, непрореагировавший газ и примеси.
Полученный конвертированный газ подвергают охлаждению до температуры 360-450°С и разделяют на два потока газа.
Первый из которых направляют последовательно на стадию конверсии оксида углерода, стадию охлаждения и стадию короткоцикловой адсорбции с выделением целевого водорода и газовой фазы, направляемой на паровой риформинг в качестве топлива.
Второй поток газа после охлаждения до температуры 30-40°С и выделения влаги направляют либо на компрессию и затем на стадию получения метанола, либо на стадию получения синтетических жидких углеводородов.
Причем, в случае получения метанола второй поток газа предварительно подвергают компрессии до 50,0-90 атм.
Процесс получения метанола возможно проводить по каскадной схеме с 1 -3 ступенями в каскаде или по циркуляционной схеме синтеза метанола.
При этом первый поток газа перед направлением на стадию конверсии оксида углерода смешивают с отбросным газом процесса получения метанола с обеспечением объемного соотношения в образованной смеси водяного пара и газа не менее 0,6.
В случае получения синтетических жидких углеводородов второй поток газа подвергают синтезу Фишера-Тропша на кобальтовом катализаторе. Процесс проводят с использованием проточной схемы синтеза.
При этом первый поток газа перед направлением на стадию конверсии оксида углерода смешивают с отбросным газом синтеза Фишера-Тропша с обеспечением в образованной смеси объемного соотношения водяной пар: газ, равного не менее 0,6.
Причем разделение исходного потока конвертированного газа на два потока газа производят в объемном соотношении первый поток газа: второй поток газа, равном в случае получения метанола 1:0,33-0,43, а случае получения синтетических жидких углеводородов 1:0,21.
При этом, так как степень срабатывания исходного потока меняется в зависимости от выбранной технологии, расчетным путем меняется и соотношение первого и второго потоков таким образом, чтобы соотношение пар: газ в получаемой смеси было не менее 0,6, что исключает образование твердого углерода в процессе конверсии окиси углерода по реакции Будуара.
Ниже приведены примеры описываемого способа.
3
Общая производительность стадии конверсии природного газа - метана в трубчатой печи - 39329 м/час.
Ниже приведен материальный и тепловой балансы трубчатой печи.
3
При этом используют следующие обозначения: Т - температура, °С; Р -давление, атм; V - объемный расход, м/час; составы технологических потоков, % влажного и сухого газа (ВЛ и СУХ); Q, ккал/час - количество переданного тепла.
Первый поток газа с температурой 360°С и давлением 30 атм направляют последовательно на стадию конверсии оксида углерода, стадию охлаждения и стадию короткоцикловой адсорбции с выделением целевого водорода и газовой фазы. Последнюю направляют на паровой риформинг в качестве топлива.
Газ на входе в трубчатый реактор характеризуется следующими показателями.
Пар /газ = 4,5000.
Температура исходной смеси на входе в трубчатую печь = 500,0°С;
Р - давление исходной смеси на входе в трубчатую печь = 30,0 атм;
3
V - объемный расход природного газа на входе в трубчатую печь = 9366,000 м/час
Газ после трубчатого реактора характеризуется следующими показателями.
Q (количество переданного в трубчатой печи тепла на нагрев и проведение эндотермической реакции паровой конверсии) = 28394090,8159 ккал/час.
Пар/газ (соотношение пар: конвертированный газ на выходе из трубчатой печи) = 0,7504.
Температура конвертированного газа на выходе из трубчатой печи = 860,0°С.
Р (давление конвертированного газа на выходе из трубчатой печи) = 27,6 атм.
3
V сг (объемный расход конвертированного газа на выходе из трубчатой печи) = 39329,313 м/час.
Проводят процесс синтеза метанола.
Пример 1.
Используют каскадную проточную схему с одной ступенью
Расчет изотермического каскада
Т (температура синтеза метанола) = 260°С
съем метанола-сырца
1117,7 кг/ч
съем метанола-ректификата
1017,3 кг/ч
содержание метанола в сырце
91.01% масс
съем тепла реакции
0,64227 Гкал/ч
тепло конденсации
0,37619 Гкал/ч
3
3
3
При этом первый поток газа (~30000 нм), содержащий водяной пар (22136 нм), перед направлением на стадию конверсии оксида углерода смешивают с отбросным газом процесса получения метанола (7624 нм с обеспечением объемного соотношения в образованной смеси водяного пара и газа, равного 0.622. Разделение исходного потока конвертированного газа после трубчатой печи на два потока газа производят в объемном соотношении 1:0,33.
Пример 2.
2 ступени каскада.
Суммарные показатели по двум ступеням каскада.
съем метанола-сырца
1966,8 кг/ч
съем метанола-ректификата
1723,9 кг/ч
содержание метанола в сырце
87,65% масс
съем тепла реакции
1,0022 Гкал/ч
тепло конденсации
0,80349 Гкал/ч
Показатели 1-ой ступени каскада
съем метанола-сырца после 1- ой ступени каскада
1229,5 кг/ч
съем метанола-ректификата после 1-ой ступени каскада
1119 кг/ч
содержание метанола в сырце
91,01% масс
съем тепла реакции
0,7065 Гкал/ч
тепло конденсации
0,4138 Гкал/ч
Показатели 2- ой ступени каскада:
съем метанола-сырца
737,39 кг/ч
съем метанола-ректификата
604,95 кг/ч
содержание метанола в сырце
82,04% масс
съем тепла реакции
0,2957 Гкал/ч
тепло конденсации
0,38968 Гкал/ч
3
3
3
При этом первый поток газа (~29000 нм), содержащий водяной пар (21753 нм) перед направлением на стадию конверсии оксида углерода смешивают с отбросным газом процесса получения метанола (6868 нм) с обеспечением объемного соотношения в образованной смеси водяного пара и газа, равного 0,606. Разделение исходного потока конвертированного газа на два потока газа производят в объемном соотношении 1:0,379.
Пример 3.
Расчет изотермического каскада в 3 ступени
Суммарные характеристики работы установки:
съем метанола-сырца
2709,3 кг/ч
съем метанола-ректификата
2298,9 кг/ч
содержание метанола в сырце
84,85% масс
съем тепла реакции
1,2782 Гкал/ч
тепло конденсации
1,0382 Гкал/ч
Характеристики первой ступени каскада
съем метанола-сырца
1341,2 кг/ч
съем метанола-ректификата
1220,7 кг/ч
содержание метанола в сырце
91,01% масс
съем тепла реакции
0,77072 Гкал/ч
тепло конденсации
0,45142 Гкал/ч
Характеристики работы 2 ступени каскада
съем метанола-сырца
804,43 кг/ч
съем метанола-ректификата
659,95 кг/ч
содержание метанола в сырце
82,04% масс
съем тепла реакции
0,32258 Гкал/ч
тепло конденсации
0,42511 Гкал/ч
Характеристики 3 ступени каскада
съем метанола-сырца
563,68 кг/ч
съем метанола-ректификата
418,22 кг/ч
содержание метанола в сырце
74,20% масс
съем тепла реакции
0,18495 Гкал/ч
тепло конденсации
0,1617 Гкал/ч
3
3
3
При этом первый поток газа (~28000 нм), содержащий водяной пар (21012 нм) перед направлением на стадию конверсии оксида углерода смешивают с отбросным газом процесса получения метанола (6360 нм) с обеспечением объемного соотношения в образованной смеси водяного пара и газа, равного 0,612. Разделение исходного потока конвертированного газа на два потока газа производят в объемном соотношении 1:0,429.
Пример 4.
Получение синтетических жидких углеводородов.
Материальный баланс синтеза Фишера-Тропша на кобальтовом катализаторе.
3
Расход свежего газа 7000 нм/час
3
3
3
При этом первый поток газа (~33000 нм), содержащий водяной пар (24764 нм), перед направлением на стадию конверсии оксида углерода смешивают с отбросным газом синтеза Фишера-Тропша (5871 нм) с обеспечением объемного соотношения в образованной смеси водяного пара и газа, равного 0,6367. Разделение исходного потока конвертированного газа на два потока газа производят в объемном соотношении 1:0,212.
Таким образом, описываемый способ позволяет за счет сохранения влаги конвертированного газа и отказа от дозировки водяного пара в водород-оксид углеродную смесь после стадии синтеза органического соединения для проведения конверсии оксида углерода снизить энергетические затраты на проведение процесса в целом в среднем на 15-20% отн., а также расширить ассортимент получаемых продуктов при минимизации отходов производства.