СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА
METHOD FOR CONTROLLING SYNTHESIS GAS PRODUCTION PROCESS

Изобретение относится к технологии получения синтез-газа из углеводородных газов (УВГ) - метана, природного газа, попутных нефтяных газов (ПНГ), каменноугольных и сланцевых газов и др. - путем их парциального окисления для целевого использования в качестве промежуточного продукта в различных нефте- и газохимических производствах.
2
н2
со
н2
co
Синтез-газ, представляющий собой смесь водорода (Н) и монооксида углерода (СО), широко применяется в качестве сырья для химической промышленности в технологиях получения водорода, метанола, моторных топлив и других товарных продуктов. Требования к составу синтез-газа определяются параметрами технологических процессов конверсии синтез-газа, предназначенного для получения конкретных товарных продуктов. Например, в технологиях получения водорода для увеличения его выхода желательно добиваться максимального отношения объемных концентраций компонентов синтез-газа С/С, при этом рабочие давления процессов находятся в диапазоне 1,0-3,0 МПа. Для получения метанола желаемое отношение объемных концентраций компонентов синтез-газа С/C≈2,1-2,4 при рабочих давлениях в диапазоне 5,0-10,0 МПа.
Важнейшим химическим соединением, входящим в состав УВГ и определяющим в конечном итоге балансовые соотношения продуктов парциального окисления, является метан. Объемная концентрация метана, имеющего наибольшее водородное число среди входящих в состав УВГ химических соединений, может варьироваться в широких пределах от 20 до 95 об. % в зависимости от типа УВГ, характеристик месторождений УВГ и других факторов. Поэтому и соотношение компонентов синтез-газа, и массовое содержание синтез-газа по отношению к балластным газам (водяной пар, двуокись углерода, азот и его окислы) в продуктах парциального окисления УВГ может значительно изменяться. Таким образом, синтез-газ может иметь различный качественный и количественный состав, поэтому режимы его получения должны быть управляемыми для получения желаемых соотношений компонентов.
Известны различные технологии получения синтез-газа. Одним из перспективных и находящих все более широкое применение способов его получения является метод парциального окисления УВГ кислородом, обогащенным кислородом воздухом или воздухом при давлениях 0,2-10,0 МПа и расходе кислорода 0,2-0,4 от стехиометрии (1,0), реализуемый в реакторах парциального окисления - газогенераторах синтез-газа.
Управление технологическим процессом получения синтез-газа заданного состава состоит в стабилизации параметров номинального режима парциального окисления в реакторах, а управляющими воздействиями на процесс являются массовые расходы подачи реагентов (УВГ и окислителя) в реактор. При этом требуемую производительность реактора по синтез-газу и желаемое соотношение его компонентов в традиционных способах управления поддерживают путем подачи постоянных массовых расходов реагентов в строгом соответствии с их расчетными количествами.
Одним из основных параметров, характеризующих технологический режим парциального окисления УВГ, является коэффициент избытка окислителя, рассчитываемый по формуле
c
o
m0
m0
где m - массовый расход УВГ, m - массовый расход окислителя; K - стехиометрическое значение соотношения компонентов для пары окислитель - УВГ (например, для пары кислород - ПНГ это значение, изменяющееся в зависимости от концентрации метана в ПНГ, составляет K=2,9-4,2).
Как правило, , где  - значение коэффициента избытка окислителя в номинальном режиме, который выбирается по данным предварительных термодинамических расчетов для конкретной пары окислитель - УВГ, исходя из условий обеспечения заданного состава синтез-газа в номинальном режиме, предотвращения сажеобразования, ограничения температуры газа на выходе реактора и других факторов.
Известны способ и устройство для получения синтез-газа (пат. РФ 2191743, опубл. 27.10.2002 г.). Способ получения синтез-газа включает смешивание углеводородного сырья с воздухом в соотношении, соответствующем коэффициенту избытка окислителя  меньше 1, принудительное воспламенение воздушно-углеводородной смеси и парциальное окисление углеводородного сырья кислородом воздуха в реакционной зоне, охлаждение с последующим выводом продуктов процесса, содержащих синтез-газ. Парциальное окисление углеводородного сырья проводят в проточной камере горения, при этом принудительное воспламенение проводят при коэффициенте избытка окислителя =0,6-0,7, и после прогрева проточной камеры горения соотношение кислорода к углеводородному сырью доводят до уровня, соответствующего значению =0,30-0,56. Устройство для получения синтез-газа включает камеру парциального окисления углеводородного сырья кислородом воздуха, смеситель. Также оно снабжено системой предварительного подогрева реагентов и регулятором расхода углеводородного сырья. Как следует из описания данного способа и описания самого устройства, процесс получения синтез-газа фактически не управляется. Настройка параметров режима парциального окисления осуществляется вручную через регулятор расхода подаваемого на смешение с окислителем углеводородного сырья.
Другим примером регулирования процесса получения синтез-газа является устройство по пат. РФ №2535121 и способ получения синтез-газа, реализуемый в этом устройстве согласно пат. РФ №2521377. Сущность способа в том, что с целью обеспечения максимальной гомогенизации реакционной смеси осуществляют идеальное смешивание УВГ с окислителем в специализированных технологических узлах установки. Узел ввода реагентов содержит регулятор-расходомер, обеспечивающий в ручном режиме подачу рассчитанного количества УВГ.
Установка работает следующим образом: окислитель готовят смешением обогащенного кислородом воздуха с водяным паром. Воздух поступает в аппарат обогащения воздуха кислородом, затем кислородно-воздушная смесь по магистралям поступает на компрессор, а затем в смеситель А, в который также подается водяной пар. В смесителе А образуется паро-кислородно-воздушная смесь, которая затем поступает в смеситель Б. Все линии подачи оснащены датчиками температуры, давления и расхода, контролирующими параметры смеси в магистралях. Исходное сырье - углеводородный газ - подается компрессором в охлаждающий тракт - рубашку реактора. Такой способ управления процессом не обеспечивает требуемое качество синтез-газа при использовании нестабильного сырья, особенно ПНГ. Поэтому в этих случаях необходимо проводить перерасчеты соотношения реагентов, исходя из реальных показателей содержания метана в ПНГ.
Недостатком традиционного способа является невозможность учета изменения энтальпии горючего в случае использования УВГ с изменяющейся концентрацией входящих в его состав химических соединений, главным образом метана. В результате соотношение компонентов синтез-газа на выходе может выходить за пределы допустимого диапазона, также изменяется и массовый расход синтез-газа вследствие изменения концентрации продуктов сгорания в водородсодержащем газе на выходе реактора.
Существующие известные способы получения синтез-газа, в том числе и способ по пат. РФ №2521377, принятый за прототип, не позволяют осуществлять оперативное управление процессом с целью получения синтез-газа заданного состава в условиях поступления на переработку неоднородного сырья или при необходимости поддержания заданной производительности установки. Так, при поступлении УВГ со значительно отличающимся от номинального значения содержанием метана приходится производить перерасчет потребных реагентов для обеспечения требуемого состава синтез-газа. При использовании в качестве окислителя обогащенного воздуха с различным уровнем содержания кислорода также приходится производить перерасчет массовых расходов реагентов. В силу названных причин изменяются производительность установки, эксплуатационные расходы и стоимость синтез-газа.
Целью предлагаемого изобретения является техническое решение по автоматическому управлению процессом получения синтез-газа в установках с реакторами парциального окисления УВГ, оборудованных технологическими узлами для осуществления процесса.
Задача решается путем обустройства узла ввода УВГ газоанализатором оперативного контроля и его подсоединения к системе автоматического управления (САУ), что позволяет периодически измерять объемную концентрацию метана в УВГ и использовать эту информацию для целей управления.
Достигаемым техническим результатом от конструктивных решений по осуществлению оперативного контроля за составом сырья и формированием по данным контроля управляющих воздействий на расходомеры-регуляторы для обеспечения скорректированных количественных соотношений реагентов в реакторе является стабилизация требуемого состава синтез-газа как целевого продукта для последующего химического синтеза. Вследствие этого достигается повышение технико-экономических показателей установок, использующих конверсию синтез-газа для получения конечных товарных продуктов.
Способ управления процессом получения синтез-газа иллюстрируется блок-схемой САУ, изображенной на рис. 1, где обозначены: 1 - персональный компьютер (ПК), 2 - газоанализатор, 3 - расходомер - регулятор окислителя (РХМ1), 4 - расходомер-регулятор УВГ (РХМ2), 5 - блок газогенератора синтез-газа, 6 - блок информационных датчиков (чувствительных элементов). Газоанализатор ГАММА-100, производитель «Аналитприборы», г. Смоленск. Расходомеры-регуляторы марки F-206AI-AGD-55-V, серия EL-FLOW, производитель Bronkhorst High-Tech B.V., Нидерланды.
m0
В основу САУ заложен оригинальный алгоритм управления, который реализуется с учетом дискретно поступающей в ПК информации о составе УВГ. В ПК автоматически пересчитываются значения массовых расходов реагентов для каждой линии подачи и формируются управляющие сигналы, которые через цифро-аналоговые преобразователи подаются в виде управляющих напряжений на исполнительные устройства САУ - расходомеры-регуляторы УВГ и окислителя. В алгоритме также учитываются данные о стехиометрических отношениях компонентов подачи K и данные предварительно проведенных термодинамических расчетов отношений объемных концентраций компонентов синтез-газа при различных концентрациях метана в УВГ.
Пример реализации способа управления в соответствии с разработанным алгоритмом.
Шаг 1. Измерение на произвольном текущем шаге управления n концентрации метана в УВГ с помощью газоанализатора и передача информации в ПК.
m0
Шаг 2. Определение по данным предварительных термодинамических расчетов стехиометрического соотношения компонентов подачи K(n).
В таблице 1 приведены значения стехиометрических соотношений для принятых в качестве примера следующих реагентов: углеводородный газ - ПНГ, окислитель - кислород.
н2
co
пнг
Шаг 3. Определение текущего значения (С/C)(n) по данным предварительных термодинамических расчетов при (n-1) и С(n).
Для пары ПНГ - кислород, взятой в качестве примера, эти значения определяются согласно графикам, полученным в результате предварительных термодинамических расчетов и приведенным на рис. 2.
н2
со
н2
со
н2
со
н
н
Шаг 4. Расчет Δ=(С/С)(n)-(С/С), где (С/С) - номинальное отношение компонентов синтез-газа, задаваемое в технических условиях.
н
Шаг 5. Проверка условия , где Δ - заданная допустимая погрешность реализации отношения компонентов синтез-газа.
Если условие выполняется, то корректировки сигналов управления на текущем шаге не требуется, иначе переходят к следующему шагу.
пнг
н2
со
н2
со
н
Шаг 6. Из рис. 2 по графику, соответствующему С(n), определяют (n), при котором (С/С)(n)=(С/С).
Шаг 7. Проверка условия
При выполнении условия можно проводить корректировку сигнала управления массовыми расходами компонентов подачи. Невыполнение условия является признаком аварийной ситуации.
Шаг 8. Расчет массовых расходов компонентов подачи на основе формулы (1).
Как следует из формулы (1), желаемого отношения компонентов синтез-газа можно достичь путем согласованного изменения массовых расходов обоих компонентов подачи. Возможно управление только по одному каналу массового расхода окислителя при неизменном расчетном значении массового расхода УВГ, что имеет ряд преимуществ: во-первых, более простое управление; во-вторых, регулирование ведется, как правило, в сторону уменьшения массового расхода окислителя, поскольку чаще приходиться работать на менее обогащенных смесях с более низкой концентрацией метана в УВГ.
Система управления работает следующим образом. В ПК поступают информационные сигналы с датчиков температуры, расходов, давлений в магистралях установки, а также информация о концентрации метана в УВГ с газоанализатора 2. В соответствии с показаниями газоанализатора 2 по данным предварительно проведенных термодинамических расчетов, занесенных в ПК (в примере иллюстрируются графиками, приведенными на рис. 2), определяется коэффициент избытка окислителя, при котором для текущей концентрации метана в УВГ достигается требуемое соотношение компонентов синтез-газа. С использованием найденного коэффициента избытка окислителя и массового стехиометрического соотношения УВГ-окислитель по формуле (1) рассчитывают скорректированные значения массовых расходов компонентов.
Управляющие сигналы в виде напряжений подаются от ПК через стандартные устройства сопряжения на исполнительные механизмы САУ - расходомеры-регуляторы 3,4 массового расхода окислителя (РХМ1) и УВГ (РХМ2).
Способ осуществления управления поясняется примером.
пнг
k
m0
н
Пример. Пусть в качестве окислителя используется кислород, а в качестве углеводородного газа - ПНГ. Параметры номинального режима: =0,35, , давление газа в камере горения реактора 5,0 МПа, m=135,20 г/с, m=150 г/с, номинальная концентрация метана в ПНГ составляет , диапазон изменения концентраций метана в ПНГ от 0,55 до 0,95, содержание паров воды составляет 20% к массе ПНГ, K=3,17. Требуемое соотношение объемных концентраций компонентов синтез-газа составляет , допустимая погрешность Δ=0,03.
пнг
Шаг 1. Пусть в произвольный n-ый момент времени концентрация метана в ПНГ изменилась и составила С(n)=0,65. Пусть, например, предыдущие значения настроек и параметров на n-1 шаге соответствовали номинальному режиму.
m0
Шаг 2. По данным таблицы 1 имеем K(n)=2,99.
пнг
н2
со
Шаг 3. При  и С(n)=0,65 определим по графику на рис. 2 текущее значение (С/С)=1,63.
н2
со
н2
со
н
Шаг 4. Рассчитаем Δ=(С/С)-(С/С)=1,63-1,75=-0,12.
Шаг 5. Найдем , откуда следует необходимость корректировки управляющих воздействий.
пнг
н2
со
н2
со
н
Шаг 6. Из рис. 2 по графику, соответствующему С(n)=0,65, найдем, что для достижения (С/С)(n)=(С/С)=1,75 необходимо обеспечить (n)=0,31.
Шаг 7. Найдем , т.е. значение (n) не выходит за допустимые пределы, и можно проводить корректировку сигнала управления массовыми расходами компонентов подачи.
пнг
Шаг 8. По формуле (1) при постоянном значении m рассчитаем.
k
пнг
m0
m(n)=(n)⋅K(n)⋅m=0.31⋅2,99⋅135,12=125,24 г/с.
В таблице 2 приведены данные о составе синтез-газа при изменении концентрации метана в ПНГ до и после введения корректирующего управления, где обозначены: ,  - массовые концентрации компонентов в синтез-газе на выходе камеры сгорания ВТР, М - массовый расход синтез-газа.
Как следует из таблицы 2, управление по предлагаемому способу компенсирует влияние возмущения, связанного с уменьшением концентрации метана в ПНГ по сравнению с номинальным режимом, и обеспечивает требуемое отношение объемных концентраций компонентов синтез-газа.
Таким образом, предлагаемый способ управления технологическим процессом парциального окисления УВГ позволяет оперативно стабилизировать состав синтез-газа на выходе газогенератора в условиях значительного изменения состава УВГ, а также стабилизировать состав синтез-газа в случае использования окислителя с различной заранее известной объемной концентрацией кислорода.