СПОСОБ ПЕРЕОБОРУДОВАНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СЕКЦИИ РИФОРМИНГА УГЛЕВОДОРОДОВ
METHOD FOR CONVERSION AND INCREASING PERFORMANCE OF HYDROCARBON REFORMING SECTION

Область техники
Изобретение относится к области риформинга углеводородов для получения синтез-газа посредством реакции углеводородов с водяным паром на соответствующем катализаторе. Изобретение, в частности, относится к способу переоборудования секции риформинга углеводородов в химических установках.
Уровень техники
Известны химические установки, имеющие секцию риформинга углеводородов. Обычно процесс парового риформинга используется для конверсии углеводорода, например, природного газа, в требуемый синтез-газ.
Известными примерами служат установки по производству аммиака или метанола, в которых секция риформинга вырабатывает так называемый подпиточный газ, подаваемый далее в секцию конверсии.
Процесс риформинга, как известно, следует проводить при очень высоких температурах для достижения высокой эффективности конверсии углеводородов. Обычно отходящий из секции риформинга поток синтез-газа, например, отходящий поток вторичного риформера или автотермического риформера (АТР), имеет температуру примерно 1000°С.
Этот синтез-газ обычно охлаждают до температуры примерно 300-400°С как для регенерации энергии, так и для обеспечения необходимой обработки, например, конверсии сдвига, удаления диоксида углерода или метанации, которая несовместима с высокой температурой газа на выходе секции риформинга.
Широко используемым способом охлаждения синтез-газа и регенерации тепла является получение насыщенного или перегретого пара, который может быть использован в той же установке, например для вырабатывания механической мощности и/или обеспечения теплом других стадий процесса.
Недостатком производства водяного пара, где первичным источником тепла является газ при температуре примерно 1000°С, является низкая эффективность с точки зрения термодинамики. Температура испарения фактически имеет технические ограничения, включая максимальное давление, выдерживаемое оборудованием, и обычно составляет в интервале 300-350°С. Это означает, что тепло передается при большом перепаде температуры, что термодинамически неэффективно.
Способом более рационального использования тепла от синтез-газа является использование синтез-газа в качестве источника тепла для риформера с газовым подогревом (РГП).
РГП является по существу теплообменником, имеющим корпус/оболочку высокого давления, как правило, жаростойкий внутри, что позволяет работать при относительно высоких температурах, и теплообменные элементы, например трубы. Внутри теплообменных элементов находится катализатор для риформинга, через который проходит конвертируемый углеводород, в то время как горячий синтез-газ протекает внутри корпуса снаружи теплообменных элементов.
Например, в известных технологических процессах первая часть конвертируемого углеводородного сырья направляется в первичную или вторичную печь для риформинга, а вторая его часть направляется в РГП. Отходящий поток горячего синтез-газа этой печи для риформинга, получающийся при риформинге первой части сырья, обеспечивает теплом риформер с газовым подогревом (РГП), обеспечивая риформинг второй части сырья.
Этот процесс является термодинамически более эффективным по сравнению с получением водяного пара, поскольку высокотемпературное тепло синтез-газа используется для процесса, проходящего также при высокой температуре, т.е., собственно процесса риформинга.
Установка РГП в технологическом цикле после существующей секции первичного или вторичного риформинга также является известным способом увеличения производительности существующих установок, в частности для синтеза аммиака или метанола. Известно, что секция риформинга является одним из узких мест, ограничивающих повышение производительности, обычно из-за того, что секция риформинга содержит первичный трубчатый риформер, в котором максимальный расход газа в трубах не может быть увеличен сверх определенного предела. Установка РГП, пригодного для конверсии части вновь поступившего углеводородного сырья, удаляет узкое место, образуемое секцией риформинга, с получением большего количества синтез газа и, тем самым, большего количества конечного продукта.
Однако стоимость оборудования РГП высока, поскольку оно должно выдерживать воздействие очень высоких температур и очень агрессивного газа, для чего требуются высококачественные материалы. Более того, введение одного или более РГП, вместе с трубным пучком и корпусом повышенного давления, после существующей секции первичного риформинга или вторичного риформинга, требует модификации системы выходных трубопроводов риформера, сооружения новых фундаментов и удаления или перемещения другого существующего оборудования, установленного в этой зоне. Таким образом, переоборудование или повышение производительности путем установки нового РГП не всегда является привлекательным вариантом с точки зрения расходов.
Способ переоборудования головной секции установки синтеза аммиака раскрыт в WO-A-2015/067436.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении предлагается способ переоборудования химической установки, в основе работы которой лежит риформинг углеводородов и, в частности, способ повышения ее производительности, в котором преодолены упомянутые выше недостатки. В частности, изобретение направлено на создание термодинамически эффективного способа, требующего меньших капитальных затрат по сравнению с известными способами.
Эти задачи решаются способом переоборудования секции риформинга химической установки, в которой:
в секцию риформинга подается первый поток углеводородного сырья, где он конвертируется в по меньшей мере частично конвертированный газ,
установка содержит по меньшей мере одно устройство, используемое в качестве нагревателя или испарителя (парогенератора) текучей среды, и имеющее корпус и несколько первых теплообменных элементов, в межтрубное пространство которого подается по меньшей мере частично конвертированный горячий газ из секции риформинга, и текучая среда нагревается или испаряется внутри первых теплообменных элементов за счет косвенного теплообмена с горячим газом, причем при осуществлении способа:
заменяют первые теплообменные элементы вторыми теплообменными элементами, содержащими катализатор риформинга;
устанавливают питающую линию для углеводородного сырья, обеспечивающую подачу второго потока углеводородного сырья внутрь теплообменных элементов; и
устанавливают линию, приспособленную для отведения от вторых теплообменных элементов потока по меньшей мере частично конвертированного газа, причем
устройство, таким образом, преобразуется в риформер с газовым подогревом.
В предпочтительном применении способ используется в отношении парогенератора.
В литературе риформер с газовым подогревом обычно обозначается аббревиатурой РГП (или GHR от англ. gas heated reformer). В дальнейшем описании, для простоты будет использоваться это обозначение.
В предпочтительном варианте выполнения вторые теплообменные элементы имеют выпуск для по меньшей мере частично конвертированного газа, соединенный с межтрубным пространством устройства, в результате чего газ, получаемый в этих вторых теплообменных элементах, смешивается с газом из секции риформинга, образуя поток по меньшей мере конвертированного газа, отводимого из корпуса устройства.
Предпочтительно, первыми и вторыми теплообменными элементами являются трубы, относящиеся к трубному пучку. Более предпочтительно, как первые, так и вторые теплообменные элементы образованы трубами первого и второго трубных пучков, соответственно, а при осуществлении способа:
извлекают первый трубный пучок из корпуса (межтрубного пространства) устройства, и
вставляют в корпус второй трубный пучок.
Предпочтительно, это устройство, при его переоборудовании из парогенератора в РГП, вытянуто по вертикали. Например, впуск для подлежащих риформингу углеводородов у этого устройства при его вертикальном расположении, находится сверху; в соответствии с настоящим вариантом выполнения, трубы второго трубного пучка предпочтительно имеют верхний впускной конец для углеводорода и открытый выпускной конец снизу для по меньшей мере частично конвертированного газа.
В других вариантах выполнения, теплообменные элементы могут иметь другую форму, например форму пластин.
В предпочтительном варианте выполнения, устройство, переоборудованное в РГП, работает параллельно с существующей секцией риформинга. В соответствии с этим вариантом выполнения, часть углеводородного сырья направляется в существующую секцию риформинга, а другая часть этого углеводородного сырья направляется в упомянутый РГП.
Существующая секция риформинга может содержать, например, первичный риформер и вторичный риформер или РГП.
Производительность секции риформинга, определяемая как количество синтез-газа, которое производит или может произвести эта секция, увеличивается. Поток поступающего углеводородного сырья, направляемый к новому РГП (образовавшемуся в результате модификации существующего устройства), может быть дополнением к максимальной производительности существующей секции риформинга.
Преимущество изобретения возникает за счет использования корпуса существующего устройства, конструкция которого уже предназначена для работы при высокой температуре синтез-газа из секции риформинга.
Благодаря использованию этого существующего корпуса, нет необходимости изменять прокладку высокотемпературных труб, соединяющих риформер с корпусом, строить новые фундаменты, выполняющие функцию опоры для нового РГП, не требуется перемещать или демонтировать существующее устройство.
Упомянутое устройство преобразуется в РГП, обладающий двумя основными преимуществами: в нем используется высокотемпературное тепло конвертированного газа термодинамически более эффективно, что повышает производительность секции риформинга. Экономический выигрыш получается значительным, так как на существующий корпус РГП приходится значительная часть стоимости всего реактора. Более того, изобретение не требует модификаций установки для размещения нового РГП, что сопряжено с еще большими затратами.
Переоборудование не отличается сложностью, поскольку обычно пучки труб закреплены на фланцах устройства, поэтому можно отсоединить и извлечь старый пучок и привинтить на те же фланцы новый пучок, содержащий катализатор. Это обеспечивает оперативность выполнения модификации, исключая длительный и затратный простой установки.
В особенно предпочтительном варианте выполнения, первый трубный пучок и второй трубный пучок имеют один фланец. Благодаря этому, первый трубный пучок и второй трубный пучок могут, соответственно, извлекаться и вставляться в ходе процедуры переоборудования только с одной стороны устройства, например с верхнего конца. Например, первый трубный пучок содержит байонетные трубы.
Химической установкой предпочтительно является установка для синтеза метанола или для синтеза аммиака.
Изобретение исходит из представления, что уже существующее устройство, содержащее "ценный" компонент, т.е., корпус, способный выдерживать высокие температуры, может быть использовано более рационально. Могут сказать, что изобретение снижает паропроизводительность, но этот очевидный недостаток с избытком компенсируется эффективным использованием высокотемпературного тепла для повышения производительности риформинга. Более того, выходной поток конвертированного газа из нового РГП сохраняет высокую температуру, которая обеспечивает вырабатывание пара.
Преимущества изобретения будут более понятны при ознакомлении с приведенным ниже описанием.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 представлена блок-схема секции риформинга с парогенератором;
на фиг.2 представлена секция, показанная на фиг.1, модифицированная в соответствии с изобретением преобразованием парогенератора в РГП.
Подробное описание осуществления изобретения
На фиг.1 показана упрощенная схема секции риформинга в соответствии с уровнем техники, которая может, например, применяться в установке получения аммиака или метанола.
Подводимое сырье 1, содержащее водяной пар и по меньшей мере один углеводород, например природный газ, конвертируется в секции 2 риформинга с получением высокотемпературного конвертированного газа 3.
В секцию 2 поступает топливо F, направляемое, например, к горелкам первичного риформера.
Перед дальнейшей обработкой и конверсией в заданный продукт, конвертированный газ 3 протекает в межтрубное пространство вертикального трубного котла 4, или котла-утилизатора избыточного тепла (WHB - от англ. waste heat boiler).
Котлом 4 является кожухотрубное устройство.
Если говорить более детально, в котле 4 трубный пучок 5 расположен внутри корпуса 6. Трубный пучок 5 содержит несколько байонетных труб 17 и одну трубную доску/плиту 10. Каждая байонетная труба 17 образована отводящей трубой и возвратной трубой, коаксиальной с отводящей трубой, так, что вход и выход трубного пучка расположены с одной стороны, а трубный пучок закреплен на единственной трубной доске 10, в соответствии с известным вариантом выполнения, содержащим средства (не показаны) для отделения входящего потока от исходящего потока.
Эта конструкция с байонетными трубами и единственной трубной доской обеспечивает простоту извлечения трубного пучка из корпуса. Действительно, можно открыть корпус 6, отвинтив болты на фланце 10, и извлечь трубный пучок 5, т.е., сборку 17 труб и связанные с ней доску 10 и крышку 16.
В трубный пучок 5 подается вода 7, и в нем образуется поток 8, содержащий пар и воду. Охлажденный газ 9, выходящий из межтрубного пространства, передается к соответствующим дальнейшим стадиям обработки, например, для очистки и конверсии.
На фиг.2 показана секция риформинга, модифицированная в соответствии с изобретением. Устройство 4 преобразовано извлечением трубного пучка 5 из корпуса 6 и введением в корпус 6 нового трубного пучка 11. Этот новый трубный пучок 11 имеет трубную доску 18 и трубы 12, содержащие катализатор риформинга (например, тот же катализатор, что используется в секции 2 риформинга).
Дополнительный поток la углеводородного сырья направлен в трубы 12. Этот поток 1а может сформировать часть источника углеводородов, который также подает поток 1 в секцию 2.
Предпочтительно, благодаря добавлению потока 1а, общее количество углеводорода, который может быть конвертирован в системе на фиг.2, больше того, что могло быть конвертировано в системе на фиг.1, т.е., производительность риформинга увеличивается. Другими словами, модифицированная секция риформинга, согласно изобретению, в состоянии осуществлять обработку потока 1а в дополнение к потоку 1 и, следовательно, обладает повышенной производительностью.
Устройство 4, первоначально предназначенное для работы в качестве парогенератора, при этом преобразуется в РГП 40. Следует заметить, что сохраняется первоначальный корпус 6, что дает существенное сокращение расходов по сравнению с установкой нового риформера с газовым подогревом (РГП).
Более подробно, каждая из труб 12 имеет впускной конец 13 для потока 1а и противоположный выпускной конец 14 для конвертированного газа, связанный с межтрубным пространством устройства 40. В результате, конвертированный газ, вырабатываемый внутри труб 12, смешивается с входящим горячим газом 3 и может быть извлечен из устройства 40 через выпуск 9 для конвертированного газа из межтрубного пространства.
Входящий газ 3 (из секции 2 риформинга) предпочтительно распределяется в межтрубном пространстве посредством распределителя 15 с отверстиями, входит в нижнюю часть корпуса 6 и протекает вверх вдоль трубного пучка 11, выделяя тепло, необходимое для реакции парового риформинга, и выходит в верхней части корпуса 6 через выпуск 9.
Температура конвертированного газа 9, покидающего РГП 40, еще относительно велика и, при необходимости, этот газ может быть использован для получения пара перед необходимыми операциями обработки.
Новый трубный пучок 11 может быть прикреплен болтами к тем же имеющимся фланцам 10, и операция замены пучка 11 на конвертирующий пучок 12 оказывается относительно простой.
В некоторых вариантах выполнения, установка содержит несколько парогенераторов, например два парогенератора, установленные после секции риформинга, которые могут быть реконструированы, как было описано выше. Например, обычная схема построения включает два вертикальных котла, установленных в технологическом потоке после вторичного риформера, причем оба вертикальных котла реконструированы в РГП, как было описано выше.