ЗАВОД ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАНОЛА ИЛИ СИНТЕТИЧЕСКОЙ НЕФТИ

Завод для производства метанола или синтетической нефти относится к объектам химической технологии, в частности к устройствам, в состав которых входит, в том числе каталитический реактор, и может быть применен для синтеза метанола или синтетической нефти.
Уровень техники
Аналогом к предлагаемому изделию можно считать установку, содержащую каталитический реактор для переработки синтез-газа по патенту России №2218981 по МПК B 01 J 8/06, оп. 20.12.2003 г., в котором теплообменные трубы расположены внутри реакционных труб.
Недостатками аналога являются: повышенное сопротивление протеканию реагентов; разная скорость изменения эффективности катализатора в различных точках по объему реактора из-за различного расхода реагентов в разных точках по объему реактора; возможность использования предлагаемого изделия только для одного вида реакций.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изделию можно считать установку, содержащую каталитический реактор описанную в патенте России №2139135 по МПК B 01 J 8/02, оп. 10.10.1999 г., в котором гранулированный катализатор располагается в трубах.
Недостатками наиболее близкого аналога являются: повышенное сопротивление протеканию реагентов; разная скорость изменения эффективности катализатора в различных точках по объему реактора из-за различного расхода реагентов в разных точках по объему реактора; возможность использования предлагаемого изделия только для одного вида реакций.
Сущность изобретения
Случайный характер упаковки или укладки гранул катализатора в отсеках для размещения катализатора является объективной характеристикой всех ранее использовавшихся в устройствах
химической технологии для синтеза метанола или синтетической нефти.
Случайный характер расположения гранул катализатора в отсеках для размещения катализатора приводит к недостаточно рациональному расположению гранул друг относительно друга в пространстве, ограниченном конструктивными элементами отсеков для размещения катализатора и, как следствие, к повышенному сопротивлению протеканию реагентов и разной скорости изменения эффективности катализатора в различных точках по объему реактора из-за различного расхода реагентов в разных точках по объему реактора.
Упорядочение расположения гранул катализатора фиг.5 позволяет, варьируя тип упаковки, создавать универсальные химические реакторы для реализации, в частности, технологических процессов синтеза метанола или синтетической нефти в одном реакторе без конструктивных изменений последнего прибегая лишь к изменению температуры и давления, обеспечивая рациональные параметры протекания каталитических реакций.
Задачей изобретения является обеспечение протекания химических реакций синтеза углеводородов из синтез-газа.
Технические результаты изобретения: 1) обеспечение протекания двух видов реакций: или синтеза метанола или синтетической нефти; 2) выравнивание скорости изменения эффективности катализатора в различных точках по объему реактора путем обеспечения стабилизации расхода реагентов в разных точках по объему реактора и снижение сопротивления потоку реагентов; 3) повышение эффективности использования катализатора.
Технические результаты достигаются тем, что завод для производства метанола или синтетической нефти содержит:
- производственное здание, состоящее из помещений с оборудованием, по крайней мере одного помещения для персонала 1 и по крайней мере одного технологического коридора 2;
- универсальный химический реактор 3, состоящий из корпуса 4, торцевых крышек 5, теплообменного устройства, отсеков для
катализатора 6, обеспечивающих возможность замены последнего, штуцеров для подвода реагентов и отвода продуктов реакции 7 и подвода 8 и отвода 9 теплоносителя, крепежных элементов, причем толщины стенок всех элементов и элементы соединений выполнены с запасом прочности и способными выдерживать совместное давление и температуру, возникающие как при реакции синтеза метанола, так и при реакции синтеза синтетической нефти из синтез-газа, отсеки для катализатора заполнены гранулированным катализатором таким образом, что пространственное расположение и ориентация гранул обеспечивают сопротивление движению реагентов и продуктов реакции близкое к равному по объему отсеков для катализатора как при температуре и давлении во время протекания реакции синтеза метанола, так при температуре и давлении во время протекания реакции синтеза синтетической нефти фиг.5;
- трубчатую печь риформинга 10;
- охладитель газа 11;
- подогреватель деаэрированной воды 12;
- подогреватель недеаэрированной воды 13;
- холодильник-конденсатор 14;
- рекуператор 15;
- аппараты воздушного охлаждения 16;
- сепараторы 17, 18;
- насосы 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25;
- деаэратор щелевой 26;
- компрессорные агрегаты 27, 28;
- сборник метанола или синтетической нефти 29;
- ресивер азота 30;
- емкости 31, 32, 33;
- расширитель непрерывной продувки 34;
- ресивер воздуха КИП 35;
- мембранный блок 36;
- комплекс получения питательной воды 37;
- воздуходувка 38;
- дымосос 39;
- наружное оборудование.
Здание комплектуется из блоков-укрытий полной заводской готовности с системами отопления, освещения, пожарной сигнализации и полной технологической комплектации, а также из блока-укрытия поэлементной сборки
В здании размещаются помещения;
отделение теплообменного оборудования 40
помещение водоподготовки 41
помещение хранения и подачи 1% раствора гидразин-гидрата 42
помещение ПВК 43
помещения маслопункта, установки рассева катализатора, насосной гликоля 44
по крайней мере один технический коридор 2
помещение узла выдачи метанола или синтетической нефти 45
помещение компрессии синтеза метанола, компрессоры устанавливаются на самостоятельные рамы 46
помещение воздуходувок 47
по крайней мере одна комната обслуживающего персонала с санузлом 1
аппаратная 49
щита системы управления 50;
контрольно-технического пункта 51;
распределительного устройства 52;
подстанция водонапорная 53
Конструктивное решение блоков:
металлический каркас из прокатных профилей, установленный на горизонтальной раме;
ограждающие конструкции стен и кровли из трехслойных панелей, внутренний и наружный слой из профилированного листа с теплоизоляцией из эффективного утеплителя;
полы из бетона с отвердителями по металлическому листу антистатичные, искронедающие с утеплением минераловатными плитами, по внутреннему периметру блоков-укрытий устраивается бортик;
окна;
ворота и двери утепленные;
перегородки, отделяющие помещения категории А, рассчитаны на восприятие усилий от взрыва, конструкция перегородок отвечает требованиям обеспечения пыле- и газонепроницаемости.
В архитектурно-строительной части выполняются:
рамы металлические под оборудование;
блок-укрытие дымососов;
обслуживающие металлические площадки.
Фундаменты всех зданий и сооружений - металлические ростверки по сваям из стальных труб, погружаемых буроопускным способом в пробуренные до проектной отметки скважины. Скважина и внутренняя полость сваи заполняется цементно-песчаным раствором.
Полы с устройством проветриваемого подполья.
Помещения категории А, В1-В3 отделяются от помещений категорий Г и Д и друг от друга глухими газонепроницаемыми противопожарными перегородками и обеспечиваются выходами. В помещениях категории А обеспечено выполнение легкосбрасываемых конструкций. В качестве легкосбрасываемых конструкций принято остекление окон и участки легкосбрасываемой кровли. В целях избежания искрообразования в помещениях категории А все металлические конструкции подвергаются искрозащите, полы выполняются из бетона на заполнителях, исключающих искрообразование.
Напряжение сетей электроснабжения.
Основными потребителями электроэнергии проектируемой установки являются асинхронные электродвигатели компрессоров конвертированного газа (1 рабочий + 1 резервный).
Другими потребителями электроэнергии являются асинхронные электродвигатели насосов, вентиляторов, освещение и другое
оборудование, а также потребители контрольно-измерительного пункта и аппаратуры (КИПиА).
Питание потребителей особой группы I категории, к которым относится оборудование КИПиА и шкаф противопожарной системы, обеспечивается установкой агрегата бесперебойного питания (АПБ) с аккумуляторной батареей соответствующей мощности, рассчитанной на 20 минут автономной работы.
Схема электроснабжения проектируемой установки включает в себя:
комплектную трансформаторную подстанцию (КТП) как систему основного питания;
систему гарантированного питания потребителей, не допускающих перерыва питания;
питающие и распределительные сети в пределах границы проектирования.
Трансформаторная подстанция состоит из двух силовых трансформаторов и двух секций. Каждая секция состоит из отдельных шкафов:
вводного разъединителя;
высоковольтного выключателя;
счетчиков потребляемой активной и реактивной электроэнергии.
Распределительный пункт встроенный двухсекционный с устройством автоматического включения резерва для обеспечения непрерывного технологического процесса, настроенным на выдержку времени при перерывах питания по одному из вводов. Комплектуется шкафами КРУ. Каждая секция в своем составе имеет шкафы распределения питания ШР и конденсаторной установки для компенсирования реактивной мощности.
Для электродвигателей компрессорного агрегата, насосов питательной воды, метанола и гликоля с целью обеспечения непрерывного технологического процесса при кратковременных
перерывах питания предусматривается схема, обеспечивающая самозапуск электродвигателей.
При перерывах в электропитании большой длительности на обоих вводах внешнего источника предусматривается автоматическое переключение оборудования и приборов КИПиА на 3-ий независимый источник электропитания - агрегат бесперебойного питания.
Теплоснабжение систем отопления и вентиляции установки ОПУ предусматривается от двух источников, а именно:
- подвод тепла от тепловых сетей УКПГ. В качестве теплоносителя принята теплофикационная вода;
- с использованием вторичных энергетических ресурсов установки ОПУ (дымовых газов трубчатой печи). В качестве теплоносителя принята теплофикационная вода.
В помещении ПВК, в узле управления, предусматривается переключение источников теплоснабжения.
Системы отопления и вентиляции.
Предусматривается воздушное отопление, совмещенное с приточной вентиляцией для помещений категории «А» (отделение теплообменного оборудования, отделение компрессии синтеза метанола, помещение хранения и выдачи метанола), категории «Г» (аппаратная, ЩСУ, РУ).
В остальных помещениях отопление водяное местными нагревательными приборами.
Отопление отдельно-стоящих блоков станции элеуктрокоагуляционной подготовки питьевой воды, предусмотрено водяное.
В помещениях теплообменного оборудования, компрессии синтеза метанола, хранения и выдачи метанола, техническом коридоре (кат. А), установки приготовления гидразин-гидрата предусмотрена приточно-вытяжная вентиляция с искусственным и естественным побуждением. Приточная вентиляция совмещена с воздушным отоплением. Подача приточного воздуха осуществляется в рабочую зону через воздухораспределители, расположенные в пределах рабочей зоны. Удаление загрязненного воздуха
запроектировано из верхних зон, в которых воздух наиболее загрязнен, системами с естественным побуждением.
В названых помещениях с возможным при аварии выделением водорода, оксида углерода, метана предусматривается аварийная приточная вентиляция с искусственным побуждением с расходом воздуха, необходимым для обеспечения концентрации горючих газов в воздухе помещений до 0,1 НКПРП и предельно-допустимых концентраций вредных газовыделений. Для аварийной вентиляции используются основные системы общеобменной приточной вентиляции и системы аварийной вентиляции на недостающий расход воздуха.
Для аварийной вентиляции применяются отдельные системы с осевыми вентиляторами, расположенными в наружных стенах и подающими воздух в рабочую зону. Воздухозаборный отсек аварийных приточных систем огражден утепленными конструкциями и оборудован утепленным клапаном с электроподогревом и электроприводом. Во избежание смерзания створок клапана в холодный период года электроподогрев постоянно включен. При включении осевых вентиляторов клапан автоматически открывается.
В помещении компрессии синтеза метанола предусмотрена взрывозащита оболочек электродвигателей компрессоров.
Вид взрывозащиты оболочек «продувка под избыточным давлением». Продувка обеспечивается защитным газом, в качестве которого используется атмосферный воздух. Подача воздуха осуществляется системой с предварительной очисткой в фильтрах и подогревом. Оборудование системы установлено за пределами взрывоопасной зоны.
В системах продувки оболочек двигателей установлены защитные устройства для контроля величины избыточного давления в оболочке; расхода атмосферного воздуха и времени предварительной продувки.
В помещении КТП предусмотрена вытяжная система с искусственным побуждением для обеспечения температуры внутреннего
воздуха не более 350С. Приточный воздух на компенсацию вытяжки поступает через жалюзийные решетки в воротах.
Загрязненный воздух перед выбросом в атмосферу очищается в циклоне. Выгрузка пыли из циклона производится в пылесборник.
В тамбур-шлюз технического коридора категории «А» предусмотрена подача наружного воздуха с установкой резервного вентилятора, включающегося автоматически при остановке рабочего.
Вентиляция остальных помещений предусмотрена с искусственным и естественным побуждением. Расчетный воздухообмен определен из условия обеспечения санитарно-гигиенических норм.
Вытяжная вентиляция в теплый период осуществляется из нижней зоны системами с естественным побуждением через воздуховоды, заканчивающиеся на кровле дефлекторами и зонтами. Приточный воздух на компенсацию вытяжки в теплый период поступает через открывающиеся фрамуги окон.
В производственных помещениях категорий «А» предусмотрена аварийная противодымная вентиляция через открывающиеся фрамуги в верхней части окон с механизированным приводом для открывания. Площадь открывающихся фрамуг достаточна для удаления дыма.
Сетевое оборудование (заслонки, клапаны, движки) на воздуховодах в пределах помещений категории «А» предусмотрены во взрыв о защищенном и искробезопасном исполнении.
Предел огнестойкости воздуховодов систем обдува обеспечивается матами прошивными огнезащитными базальтовыми (МПОБ), обеспечивающими также тепловую изоляцию воздуховодов.
На воздуховодах в целях предотвращения проникания в помещение продуктов горения (дыма) во время пожара предусматриваются следующие устройства:
огнезадерживающие клапаны при пересечении воздуховодами для помещений категории «А», «В» противопожарной преграды;
обратные клапаны на отдельных воздуховодах для каждого помещения в местах присоединения их к сборному коллектору.
В приточных венткамерах запроектирована приточная вентиляция с двухкратным воздухообменом в 1 час.
Система водоснабжения.
Для данной установки требуется вода на хозяйственно-питьевые нужды, наружное и внутреннее пожаротушение.
Система канализации.
Установками пожарной сигнализации (АУПС) автоматическими оборудуются следующие помещения:
- насосная метанола;
- отделение теплообменного оборудования;
- маслопункт;
- насосная гликоля;
- технический коридор;
- отделение компрессии конвертированного и циркуляционного газа.
Краткий перечень фигур
На фиг.1 изображена схема компоновки основного оборудования завода (вид сверху). На фиг.2 изображен разрез завода по линии 1-1 (вид сбоку). На фиг.3 изображен разрез завода по линии 2-2 (вид сбоку). На фиг.4 изображена схема универсального химического реактора. На фиг.5 изображена схема укладки части слоя гранул катализатора.
Осуществление изобретения
Исходным сырьем для производства метанола или синтетической нефти является природный газ. В основе технологического процесса лежат следующие методы производства:
- паровая каталитическая конверсия парогазовой смеси под давлением в присутствии никелевого катализатора;
- рекуперация тепла конвертированного газа с выработкой пара для технологических нужд установки;
- мембранное разделение конвертируемого газа с целью выделения водорода и получения оптимального соотношения компонентов для более полного протекания процесса синтеза;
- компримирование конвертированного и циркуляционного газов;
- синтез на низкотемпературном медьсодержащем катализаторе под давлением.
Конверсия парогазовой смеси.
Процесс конверсии основан на следующих реакциях окисления метана и его гомологов водяным паром:
4
2
2
СН+НO=СО+3Н-Q,
2
2
2
СО+НО=CO+H+Q,
4
2
2
2
СH+2НO=СO+4Н-Q
n
m
2
2
CH+nHO=nCO+(2n+m)/2H
-1
Паровая конверсия природного газа осуществляется в трубчатой печи риформинга на никелевом катализаторе. Во избежание осаждения углерода на катализаторе соотношение пар: газ поддерживается в пределах 3,04:1. Рекомендуемая оптимальная объемная скорость процесса конверсии составляет 800÷1000 ч.
В результате паровой конверсии получается газ с избыточным относительно оптимально-рекомендуемого для синтеза содержанием водорода. Для стабилизации состава конвертированный газ после блока рекуперации тепла направляется на установку мембранного разделения.
Технологией предусматривается рекуперация высокопотенциального тепла как конвертируемого, так и дымовых газов на собственные нужды установки:
- выработка насыщенного водяного пара, используемого в технологии;
- подогрев природного газа перед смешением с водяным паром;
- подогрев парогазовой смеси перед трубчатой печью риформинга;
- подогрев воздуха перед подачей в печь для обеспечения процесса горения;
- подогрев теплофикационной воды для нужд системы отопления и вентиляции установки.
Для обеспечения системы парообразования питательной водой требуемого качества, а также для снабжения установки водой
питьевого качества, схемой предусматривается система водоподготовки на базе двух установок.
Они предназначеныа для получения воды питьевого качества, часть которой направляется на хозбытовые нужды проектируемого объекта, другая часть поступает на комплекс получения умягченной воды. Для предупреждения образования отложений и коррозии питательного и внутрикотлового тракта схемой предусматривается деаэрация умягченной воды с целью выделения из нее кислорода и двуокиси углерода, а также коррекционная обработка воды 1% раствором гидразин-гидрата на случай проскока кислорода.
В цикле рекуперации тепла конвертированного газа предусматривается как подогрев умягченной, так и питательной деаэрированной воды.
Охлаждение и осушка конвертированного газа от влаги обеспечиваются подачей в теплообменный блок промежуточного теплоносителя. С целью сокращения расходов по теплоносителю организуется замкнутый контур: промежуточная емкость хранения, насос подачи теплоносителя в систему охлаждения газа, аппарат воздушного охлаждения тосола.
Мембранное разделение конвертированного газа.
2
2
Для стабилизации состава конвертированный газ направляется на установку мембранного разделения. Мембранный блок обеспечивает соотношение в целевом потоке Н/СО=3,16, факториал f=2,1, при содержании СO 6,78% об. - достаточном для обеспечения работоспособности катализатора синтеза посредством формирования активной поверхности катализатора.
Отходящий (нецелевой поток) с содержанием водорода 90.578% об. с давлением на выходе 0.713 МПа сбрасывается на факел.
Компримирование конвертированного и циркуляционного газов.
Из мембранного блока конвертированный газ поступает на всас компрессоров свежего газа. Сжатие газа на данной ступени предусматривается.
Охлаждение газа в межступенчатых охладителях предусматривается промежуточным теплоносителем от замкнутого контура.
С нагнетания компрессора свежий газ после смешения с циркуляционным поступает на всас дожимающего циркуляционного компрессора, где газовая смесь сжимается и далее подается в отделение синтеза.
Синтез метанола.
Применение для процесса синтеза метанола низкотемпературного катализатора позволяет вести процесс при сравнительно низких температурах и низком давлении около 4-5 МПа.
Процесс синтеза метанола основан на следующих реакциях:
2
3
СО+2H=СНОН+100,6 кДж/моль
2
2
3
2
СO+3Н↔СНОН+НO+62,4 кДж/моль
и проводится в пятиполочной колонне синтеза метанола. Для достижения более полной степени превращения метанола предусматривается циркуляция синтез-газа с постоянной выдачей из цикла продувочных газов для поддержания заданного уровня «инертов».
Минимальная температура, при которой начинает с заметной скоростью протекать реакция синтеза метанола на катализаторе, равна 200°С. По мере потери активности катализатора эта температура повышается до 230-240°С.
При температурах, превышающих 280°С, катализатор имеет тенденцию к дезактивации, что приводит:
- к снижению селективности катализатора за счет повышения скорости образования побочных продуктов и парафинов;
- к уменьшению срока эксплуатации катализатора.
При нагреве катализатора выше 300°С происходит потеря активности и прочности - катализатор рассыпается.
Регулирование температуры в зоне катализа осуществляется автоматически подачей холодного газа по байпасам. После реактора синтеза предусматривается рекуперация тепла синтез-газа для подогрева циркуляционного газа. Далее частично охлажденный синтез-газ поступает на охлаждение с последующей конденсацией метанола в аппарат воздушного охлаждения. Сконденсированный
метанол-сырец после сепарации направляется в сборник метанола и далее на существующий склад метанола УКПГ.
Часть продувочных газов используется в технологии для дозировки в исходный природный газ перед стадией конверсии метана. Остальная часть продувочных газов направляется в факельный коллектор установки.
Схемой предусматривается возможность аварийного сброса газов на факел двумя коллекторами с различной температурой сбрасываемой среды.
5
18
Процесс изготовления синтетической нефти C-C происходит при режиме работы завода, с давлением около 2 МПа и температурой до 900°С с использованием катализатора, при котором происходит синтез жидкого углеродного топлива.
Залповые выбросы
Эпизодические выбросы (залповые) будут иметь место при продувке аппаратов, технологического оборудования и трубопроводов в случае остановки оборудования на ремонт. Продувка аппаратов и освобождение системы от газа производится на факел УКПГ.
Аварийные выбросы
При превышении давления в технологической схеме сверх предусмотренного регламентом создается предаварийная ситуация. При этом сброс газа с предохранительных клапанов будет осуществляться на факел УКПГ.
Аварийные выбросы синтез-газа возможны при внеплановых остановках компрессоров, выхода из строя запорной арматуры и т.п.
Наиболее мощными из всех выше перечисленных выбросов по величине в единицу времени являются залповые и аварийные
выбросы, количественные значения которых будут определены на последующих стадиях проектирования при окончательном подборе технологического оборудования.
Сточные воды
Технологический процесс получения метанола связан с образованием постоянных и периодических стоков:
Постоянные стоки:
- газовый конденсат, образующийся в процессе охлаждения конвертированного газа.
Для снижения сбросов сточных вод вышеуказанный газовый конденсат направляется в технологический процесс для получения пара.
- вода продувок охладителя конвертированного газа.
Периодические стоки:
- солесодержащие стоки от станции «Водопад-50» и комплекса получения питательной воды (при регенерации фильтров)
- вода после химической промывки системы парообразования.
В случае аварийных остановок и остановок ОПУ на ремонт для опорожнения оборудования предусмотрена дренажная емкость для предотвращения залповых сбросов в окружающую среду.