УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ ТОПЛИВ (СЖТ) ИЗ МЕТАНА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Предложение относится к техническим средствам, используемым в исследовании процесса производства синтетических жидких топлив (СЖТ).
Область применения - технологии производства синтетических моторных топлив из метана угольных пластов через синтез-газ непосредственно на угледобывающем предприятии. Применение технологии позволяет решить ряд проблем по обеспечению безопасности эксплуатации шахт, комплексному освоению минеральных ресурсов и защите окружающей среды.
Известна установка для получения СЖТ, включающая линию подачи сырьевого потока, линию циркуляционного газа, дренажную линию и узел получения СЖТ в котором реакторный блок состоит из реактора с обогревом, холодильника-конденсатора, сепараторов высокого и низкого давления, промежуточного сборника жидких продуктов и электромагнитного насоса для циркуляции газа. Процесс синтеза углеводородов ведут под давлением 80 атм и при температуре в слое катализатора +400°С. Для предотвращения накопления в реакторном блоке неконденсируемых продуктов из блока после сепаратора высокого давления постоянно отводят часть реакционного газа (RU 2089533, 1997).
Недостатком известной установки являются узкие исследовательские возможности и ограниченный ассортимент используемого сырья.
Задачей предложенного технического решения является создание пилотной установки для получения СЖТ, позволяющей осуществлять экспериментальные исследования конверсии синтез-газа (модельного), аналогичного по составу синтез-газу, производимому методом парокислородной конверсии метана угольных пластов, с целью отработки технологических режимов и испытаний катализаторов.
Техническим результатом является расширение исследовательских возможностей и ассортимента используемого сырья.
Технический результат достигается тем, что в установке для получения СЖТ, включающей линию подачи сырьевого потока - метанола, линию циркуляционного газа, дренажную линию, линию отвода СЖТ, узел получения модельного синтез-газа и узел получения СЖТ в виде блока конверсии модельного синтез-газа в СЖТ, содержащего связанные в технологическую цепь компрессор, подогреватель, реакторы каталитической конверсии модельного синтез-газа, холодильник-конденсатор и трехфазный сепаратор, в соответствии с предложенным техническим решением блок конверсии модельного синтез-газа в СЖТ снабжен двухфазным сепаратором, встроенным между холодильником-конденсатором и трехфазным сепаратором, узел получения модельного синтез-газа содержит блок разложения сырьевого потока - метанола и сепаратор, а прием компрессора сообщен с газовым выходом сепаратора узла получения модельного синтез-газа.
Для получения модельного синтез-газа используется процесс разложения сырьевого потока - метанола. Это позволяет автономно снабжать установку синтез-газом необходимого состава.
Узел получения модельного синтез-газа состоит из испарителя, реакторов разложения сырьевого потока - метанола, холодильника-конденсатора, смесителя. Причем, узел получения модельного синтез-газа содержит два реактора разложения сырьевого потока - метанола. Вход первого реактора соединен через испаритель с линией подачи сырьевого потока - метанола от блока его подготовки и хранения, а выход - с входом второго реактора, при этом выход второго реактора через холодильник-конденсатор сообщен с пассивным входом смесителя, присоединенного активным входом к линии циркуляционного газа, а сепаратор своим входом сообщен с выходом смесителя. Реакторы разложения сырьевого потока - метанола снабжены электрообогревом. Такое выполнение узла получения модельного синтез-газа является оптимальным с точки зрения проведения исследований и достижения технического результата.
Блок конверсии модельного синтез-газа в СЖТ содержит два реактора каталитической конверсии синтез-газа, вход первого реактора соединен через подогреватель с выходом ресивера, оборудованного ультразвуковым сигнализатором уровня скапливающейся жидкости и через запорный орган сообщенного с дренажной линией, а выход - с входом второго реактора каталитической конверсии синтез-газа, вход двухфазного сепаратора сообщен с выходом холодильника-конденсатора, газовый выход - с линией циркуляционного газа и через запорный орган с линией сброса газа на свечу, а жидкостной выход - с входом трехфазного сепаратора. Трехфазный сепаратор имеет газовый вывод, и два жидкостных вывода, один из которых сообщен с линией дренажа, а другой - с линией отвода СЖТ. Причем, реакторы каталитической конверсии синтез-газа выполнены двухполочными и имеют промежуточные холодильники-конденсаторы. Выполнение блока конверсии синтез-газа в СЖТ указанным образом способствует достижению технического результата.
В данной конкретной установке применен трехступенчатый компрессор, оборудованный промежуточными холодильниками и влагоотделителям. Применение такого компрессора и схемы обвязки обеспечивает создание требуемого давления в процессе конверсии синтез-газа в СЖТ.
На графическом изображении приведена технологическая схема установки в упрощенном виде.
В установке блок получения модельного синтез-газа содержит два реактора 1, 2 разложения сырьевого потока - метанола, вход первого реактора 1 соединен через испаритель 3 с линией 4 подачи сырьевого потока - метанола от блока 5 его подготовки и хранения. Выход реактора 1 соединен - с входом реактора 2. Выход реактора 2 через холодильник-конденсатор 6 сообщен с пассивным входом смесителя 7, присоединенного активным входом к линии 8 циркуляционного газа. Сепаратор 9 своим входом сообщен с выходом смесителя 7.
Реакторы 1, 2 разложения метанола снабжены электрообогревом (не обозначен позицией на графике).
Блок конверсии модельного синтез-газа в СЖТ содержит два реактора 10, 11 каталитической конверсии синтез-газа. Вход первого реактора 10 соединен через подогреватель 12 с выходом ресивера 13 компрессора 14. Выход первого реактора 10 соединен с входом второго реактора 11 каталитической конверсии синтез-газа. Газовый выход двухфазного сепаратора 15 соединен с линией 8 циркуляционного газа и через нее с активным входом смесителя 7. Жидкостной выход двухфазного сепаратора 15 соединен с входом трехфазного сепаратора 16. Реакторы 10, 11 каталитической конверсии синтез-газа выполнены двухполочными и имеют промежуточные холодильники-конденсаторы 17, 18, 19. Выход второго реактора 11 сообщен через холодильник-конденсатор 20 с входом двухфазного сепаратора 15.
Ресивер 13 компрессора 14 оборудован ультразвуковым сигнализатором уровня скапливающейся жидкости и через запорный орган (не показаны на графике) сообщен с линией 21 дренажа.
В данной конкретной установке применен трехступенчатый компрессор 14, оборудованный промежуточными холодильниками и влагоотделителями (не показаны). Трехфазный сепаратор 16 имеет газовый вывод, сообщенный с линией 23 сброса газа в атмосферу, и два жидкостных вывода, один из которых сообщен с линией 21 дренажа, а другой - с линией 22 отвода СЖТ. Через соответствующую трубопроводную и запорно-регулирующую арматуру не только трехфазный сепаратор 16, но и реакторы 2, 10, 11, сепараторы 9, 15 и ресивер 13 подсоединены к линии 23 сброса газа в атмосферу. Помимо трехфазного сепаратора 16 с линией 21 дренажа сообщены также с использованием соответствующей трубопроводной и запорно-регулирующей арматуры реакторы 1, 2, 10, 11, компрессор 14 и его ресивер 13.
Для предотвращения накопления инертных примесей - азот, метан в реакционном газе, малая часть газового потока (обычно, менее нескольких процентов) из сепаратора 15, после замера объема и анализа состава, постоянно сдувается в линию 23 сброса газа в атмосферу.
Основная часть газа из двухфазного сепаратора 15 через расходомер (не показан) поступает в линию 8 циркуляционного газа и далее в смеситель 7 на смешение со свежим сырьевым потоком, поступающим из холодильника-конденсатора 6.
Установка работает следующим образом.
Из блока 5 подготовки, хранения и подачи по линии 4 подачи сырьевого потока под давлением 0,2 МПа поступает метанол, в испаритель 3, где нагревается до рабочей температуры +400°С. Температура метанола на выходе из испарителя 3 контролируется с помощью термопреобразователя, установленного по месту (не показан на графике).
Перегретые пары метанола поступают в два последовательно расположенных реактора 1, 2 разложения метанола, в которых при рабочем давлении и температуре +360-400°С
2
протекает каталитическая реакция превращения метанола в СО и Н, сопровождающаяся высоким поглощением тепла. Для компенсации эндоэффекта процесса разложения метанола реакторы 1, 2 снабжены электрообогревом. Температура смеси на входе и выходе каждого реактора 1, 2 контролируется термопреобразователями (не показаны на графике). Контроль давления после реакторов 1, 2 осуществляется манометром, по месту (не показан на графике).
2
2
3
-1
3
Выбранная конструкция реакторов 1, 2 и температурный режим работы позволяют вести процесс так, чтобы степень превращения метанола на выходе из реакторов 1, 2 составляла не менее 70% и 99%, соответственно, при общей селективности образования синтез-газ (Н, СО и СО) не менее 96%. Объем катализатора разложения метанола, распределенного по двум реакторам 1, 2, составляет минимально 2 литра, что обеспечивает в условиях оптимальной нагрузки по СНОН (1,5-2,0 ч) получение модельного синтез-газа нужного состава в количестве около 5 нм в час.
Выходящий из реактора 2 синтез-газ (Р=0,2 МПа, Т≤+400°С) охлаждается в холодильнике-конденсаторе 6. Температура синтез-газа должна быть не более +25°С.
После холодильника-конденсатора 6 синтез-газ направляется в смеситель 7 для объединения с циркуляционным газом. Смеситель 7 представляет собой эжектор типа «газа-газ», активный поток - циркуляционный газ, пассивный - синтез-газ после холодильника-конденсатора 6.
Общий поток синтез-газа поступает в сепаратор 9, где происходит отделение примесей - остаточного метанола, воды и пыли катализатора разложения метанола. В сепараторе 9 ведется контроль уровня жидкости в нижней части аппарата и перепад давления на его сетчатой насадке.
Синтез-газ после очистки в сепараторе 9 при давлении 0,2 МПа поступает на прием поршневого компрессора 14, внутренняя часть которого покрыта специальным защитным слоем, исключающим контакт синтез-газа с проточной частью компрессора, что в свою очередь исключает образование карбонилов. В компрессоре 14 синтез-газ сжимается в три ступени до давления 8,2 МПа, с использованием промежуточных холодильников и влагоотделителей. Контроль давления на выходе из компрессора осуществляется с помощью манометра (не показан на графике).
Из компрессора 14 синтез газ направляется в ресивер 13, предназначенный для сглаживания пульсирующей подачи компрессора 14. В ресивере 13 возможно дополнительное выделение жидкости (конденсата, метанольной воды) из синтез-газа, уровень которой контролируется посредством ультразвукового сигнализатора уровня (не показан на графике). При срабатывании звуковой сигнализации ультразвукового сигнализатора уровня, жидкость сливается в линию 21 дренажа.
Из ресивера 13 компримированный синтез-газ подается в подогреватель 12, который подогревает поток до +360°С. Перед подогревателем 12 (электрическим) установлен расходомер (не показан на графике).
После подогревателя 12 нагретый газ поступает в реактор 11 каталитической конверсии синтез-газа в моторные топлива на первую полку. На входе в реактор 11 контролируется температура газа термопреобразователем (не показан на графике).
При контакте синтез-газа с катализатором протекает реакция образования углеводородов, сопровождающаяся значительным выделением тепла, что ведет к повышению температуры газа при прохождении его через слой катализатора. В результате разница температур входного газа на полки и газа, выходящего из слоя катализатора, может составлять от +10°С до +60°С и достигать температуры +380-420°С. После двух полок реактора 11 газовая смесь поступает на две полки реактора 12, где происходит дальнейшая конверсия не прореагировавшего синтез-газа. Съем избыточного тепла после каждой полки реакторов 11, 12 обеспечивается охлаждением газа в промежуточных холодильниках 17, 18, 19.
Количество катализатора, загружаемого на каждую полку, рассчитывается исходя из суммарного объема и компонентного состава поступающего на полку газа таким образом, чтобы выходная температура газа на выходе с каждой полки не превышала +420°С.
р
После каждого холодильника измеряется и регистрируется температура выходящего газа, и в зависимости от ее значения (+350°С≤Т≤+370°С) регулируется нагрузка на холодильник. Газ после второй полки реактора 12 охлаждается в холодильнике-конденсаторе 20 до +30°С. Охлажденная газожидкостная смесь ступенчато дросселируется до давления 1,3-1,4 МПа и поступает в сепаратор 15, где при рабочем давлении происходит разделение газа и жидких продуктов реакции. В сепараторе 15 измеряется уровень жидкой фазы - ультразвуковым сигнализатором уровня типа ASL-400 (не показан на графике) и давление - манометром (не показан на графике).
Из сепаратора 15 жидкие продукты (углеводороды + водометанольный раствор) с растворенными в них газами дросселируются до атмосферного давления и подаются в трехфазный сепаратор 16, где разделяются на три потока - газ, жидкие углеводороды и водометанольный раствор. Уровень жидкости и уровень раздела фаз (углеводороды - водометанольный раствор) в сепараторе 16 замеряется ультразвуковыми сигнализаторами уровня типа ASL-400 (не показан). Водометанольная жидкость сливается в линию 21 дренажа, углеводородная фаза - в линию 22 отвода СЖТ и далее в накопительную емкость (не показана на графике).
Проведение экспериментальных исследований с использованием предлагаемой пилотной установки позволит отработать технологические режимы, провести испытание катализаторов и получить данные, позволяющие проводить масштабирование при создании полупромышленной установки конверсии синтез-газа в синтетические жидкие моторные топлива.