Газогенератор синтез-газа

Полезная модель предназначена для использования в нефтегазохимических производствах в качестве химического реактора парциального некаталитического окисления углеводородного сырья для получения синтез-газа.
Разработка и совершенствование технологий получения синтез-газа для каталитического синтеза целевых химических продуктов (водорода, метанола, диметилового эфира и моторных топлив) является одним из наиболее актуальных направлений развития современной нефтегазохимии. Оно приобретает особую важность при создании малотоннажных транспортабельных химических установок для освоения огромных ресурсов углеводородного сырья, сосредоточенных в мало- и среднедебитных низконапорных нефтегазовых месторождениях [1,2].
Важнейшим узлом малотоннажных установок является химический реактор – газогенератор синтез-газа (ГСГ), который должен иметь малые массогабаритные характеристики, высокую надежность и безопасность эксплуатации. Названным требованиям удовлетворяют ГСГ, реализующие технологию получения синтез-газа путем некаталитического парциального окисления углеводородного сырья, преимущественно углеводородных газов (УВГ). Подобные ГСГ имеют малые габариты, что позволяет создавать малотоннажные химические производства, в частности метанола, непосредственно в промысловых условиях [3].
Известны технические решения, в которых синтез-газ получают в ГСГ по типу жидкостных ракетных двигателей [4]. Такие ГСГ представляют охлаждаемую блочно-модульную конструкцию на фланцевых прочно-плотных соединениях, состоящую из следующих основных элементов: узлов ввода компонентов (УВГ, окислителя и химочищенной воды), смесительной головки, устройства зажигания, камеры сгорания, испарительной камеры. В смесительную головку ГСГ под давлением подают исходные компоненты – УВГ (преимущественно природный газ) и окислитель (кислород). С выхода смесительной головки УВГ и окислитель в турбулентном режиме течения газов раздельно поступают в камеру сгорания (КС), в которой происходит смешение компонентов и их парциальное окисление – неполное горение УВГ при недостатке окислителя. Инициацию процесса осуществляют с помощью устройства зажигания, снаряженного электроискровой свечой. Продукты парциального окисления, содержащие синтез-газ (монооксид углерода и водород), диоксид углерода, пары воды, азот и следовые количества других балластных газов, а также конденсированную фазу (сажу, смолы), с выхода КС поступают в проточную испарительную камеру (ИК).
_____________________________________________________________
1. Арутюнов В.С. Окислительная конверсия природного газа / В.С. Арутюнов // М.: Красанд, 2011. – 590 с.
1. Пост-релиз конференции «Метанол 2016» URL: http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=6615 (дата обращения: 09.04.2018).
2. Арутюнов В.С. Арутюнов В.С., Савченко В.И., Седов И.В. О перспективах промысловых газохимических технологий на основе азотсодержащего синтез-газа // НефтеГазоХимия, 2016, №4, с. 14-23.
3. Загашвили Ю.В., Левихин А.А., Кузьмин А.М. Основы проектирования трехкомпонентных газогенераторов синтез-газа // Нефтегазохимия, 2017, №4, с.9-16.
В ИК впрыскивают химочищенную воду и охлаждают  газовую смесь до требуемой температуры. Внутренние стенки всех элементов ГСГ имеют развитое наружное оребрение. Узлы ГСГ охлаждают раздельно, чем достигают возможность независимого изменения режимов охлаждения любой секции. В качестве хладагента используют химочищенную воду. Недостатками подобных ГСГ являются некачественное смесеобразование, малый ресурс, повышенное сажеобразование.
2
2
Известно устройство по патенту RU 2392297, C10J 3/34 (2006/01), включающее в себя корпус с водяной магистралью и двухслойными металлическими водоохлаждаемыми стенками, внутреннюю полость, горелку для ввода топлива, кислорода или парокислородной смеси, патрубок для отвода газа. В корпусе выполнены кольцевые коллекторы, один пояс завесы. Технологический процесс осуществляется при высоких температурах в реакторе и давлениях до 30 МПа. Существенным недостатком устройства является высокая, порядка 3000°С, температура синтез-газа на выходе ГСГ, что обусловлено использованием кислорода в качестве окислителя. Кроме того, ГСГ работает на близких к стехиометрическим режимах, характеризуемых высокими значениями коэффициента избытка окислителя alfa≥0,5. В таких режимах выход компонентов синтез-газа на 30-50% меньше по сравнению с режимами парциального окисления, в частности отношение H/CO<1,3, что существенно ниже рекомендуемых значений (H/CO ≥ 2,1) для эффективного синтеза метанола.
Известно устройство ГСГ по патенту RU 2320531, С 01 B3/36 B 01 J7/00, включающее в себя двухкамерную КС. В первую, основную, камеру сгорания подают трехкомпонентную смесь, состоящую из УВГ (преимущественно природного газа), окислителя (кислорода, воздуха или обогащенного кислородом воздуха), водяного пара. Смесь воспламеняют струей горячего газа из второй камеры сгорания, в которой первоначальное воспламенение горючего осуществляют от внешнего источника с давлением подачи, превышающим давление подачи компонентов в первую КС. Недостатком устройства является установка сопла с критическим перепадом давления, вследствие чего давление газа на выходе ГСГ составляет менее 50% от давления газа в КС. Таким образом, в данном типе ГСГ требуется дополнительное дорогостоящее компрессорное оборудование для компримирования синтез-газа перед последующей стадией каталитического синтеза целевых продуктов. Существенным недостатком является первичное воспламенение компонентов подачи струей горячего газа, направленной перпендикулярно к оси основного потока. Поскольку вторая камера сгорания работает на близком к стехиометрическому режиму, высока вероятность прожога стенок камеры, а возникающие температурные напряжения снижают надежность ГСГ в целом.
Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, является устройство по патенту RU 2408417, B01J 7/00 (2006/01). ГСГ включает следующие основные элементы: узел подачи углеводородного сырья и окислителя, смесительную головку с системой воспламенения, трехсекционную реакционную камеру. Реакционная камера изображена на фиг.1 и состоит из трех соосно и последовательно расположенных секций. Первая секция состоит из смесительной головки 1 и охлаждаемого цилиндра 2, вторая секция 3 представляет собой охлаждаемую вставку со штуцерами подвода воды, третья секция 4 состоит из охлаждаемого или неохлаждаемого цилиндра. Каждая секция имеет цилиндрическую конструкцию, снабженную узлами подвода воды охлаждения. В первой секции осуществляют ввод исходных компонентов (УВГ, окислитель, водяной пар), воспламенение и парциальное окисление газовой смеси при различных соотношениях массовых расходов компонентов окислитель-УВГ в диапазоне от 0,8 до 1,6. Во второй секции в продукты парциального окисления, температура которых может достигать 2200°С, вводят химочищенную воду. В третьей секции высокотемпературные продукты парциального окисления охлаждают за счет испарения воды. Секции реакционной камеры ГСГ соединяют преимущественно прочно-плотными фланцевыми соединениями. Конструкция секций выполнена по типу «труба в трубе». Секции охлаждают подачей химочищенной воды в межтрубное пространство. Поступающая через канал ввода вода обеспечивает охлаждение внешней поверхности внутренней стенки секции и одновременно охлаждение внешней стенки до допустимой температуры, которая согласно СП 2.2.2.1327-03 составляет 43°С.
Существенным недостатком прототипа является низкая надежность реакционной камеры ГСГ. В результате перепада температур между внешней и внутренней поверхностью внутренняя стенка испытывает коробление, а в местах соединения секций   возникают упругие деформации. Изменения геометрических размеров реакционной камеры и связанные с ними механические напряжения в конструкции ГСГ зависят от длины, диаметра и конструкционного материала реакционной камеры. Градиент температуры между поверхностями внутренней стенки секций реакционной камеры превышает 900°С, а сопутствующее этому удлинение внутреннего цилиндра секций, обычно изготавливаемых из легированных сталей, составляет от 13 до 15 мм на 1,0 м длины секции. Поэтому при длительной эксплуатации ГСГ реакционная камера деформируется, что может привести к прогару и пластической деформации стенок.
Целью полезной модели является повышение надежности ГСГ за счет снижения влияния механических напряжений, возникающих в секциях реакционной камеры вследствие большого перепада температур на внутренней стенке реакционной камеры.
Заявляемый технический результат достигают введением компенсационных колец.
Сущность предлагаемого технического решения поясняет фиг. 2, на которой изображена секция реакционной камеры. На фиг. 2 обозначены: 5,6 – фланцы с подводом хладагента, 7 – внутренняя стенка секции, 8,9 – вешние стенки секции, 10 – гофр, 11 – кольцо, 12 – канал ввода хладагента, 13 – область сварки внутренней стенки с фланцем, 14 – область сварки внешней стенки с фланцем, 15 – место стыка внешних стенок, 16 – области сварки кольца 11 с внешней стенкой 8, 17 – область сварки кольца 11 с внешней стенкой 9.
Компенсационное кольцо представляет сборочный элемент, состоящий из гофра 10 с кольцом 11. Процесс установки компенсационного кольца предусматривает  следующие технологические операции: внутреннюю стенку 7 сваривают с фланцами 5 и 6 в области 13; внешнюю стенку 8 сваривают с фланцем 5 в области 14; внешнюю стенку 9 сваривают с фланцем 6 в области 14; внешние стенки 8 и 9 устанавливают в месте стыка 15 с зазором, достаточным для компенсации изменения геометрических размеров внутренней стенки секций; гофр 10 устанавливают с натягом между внешними стенками 8 и 9; кольцо 11 сваривают с внешними стенками 8,9 в областях 16,17.
Работа компенсационного кольца происходит следующим образом. При увеличении температуры происходит удлинение внутренней стенки 7 и внешние стенки 8, 9 под действием растягивающих усилий, действующих на них со стороны фланцев 5,6, перемещаются в противоположные по отношению друг к другу стороны, увеличивая зазор в месте стыка 15; под воздействием перемещения внешней стенки 8 гофр 10 сжимается, обеспечивая необходимое увеличение габаритов секции без деформации реакционной камеры.
Для обеспечения надежной компенсации деформаций реакционной камеры применяют несколько компенсационных колец. Первое компенсационное кольцо устанавливают в первой секции реакционной камеры – камере сгорания – на расстоянии 0,2 м от смесительной головки, последующие компенсационные кольца устанавливают по длине реакционной камеры с шагом 0,3 м.