СПОСОБ СОВМЕСТНОГО ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ И МЕТАНОЛА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, ИНТЕГРИРОВАННАЯ В ОБЪЕКТЫ ПРОМЫСЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
METHOD FOR COPRODUCTION OF SYNTHETIC LIQUID HYDROCARBONS AND METHANOL AND PLANT FOR ITS IMPLEMENTATION INTEGRATED INTO PRODUCTION TRAIN FACILITIES OF OIL AND GAS CONDENSATE DEPOSITS

Изобретение относится к отрасли переработки нефти и газа и может быть использовано для получения синтетических жидких углеводородов (СЖУ) и метанола на установке интегрированной в объекты промысловой подготовки газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений.
Разработка труднодоступных месторождений уже на стадии строительных и пусковых работ ставит ряд вопросов, касающихся доставки автомобильных топлив и метанола. Одним из способов решения такого рода проблем является сооружение многофункциональной установки на базе технологии получения синтетических жидких углеводородов.
В настоящее время способ получения СЖУ, основанный на процессе Фишера-Тропша, используется как единственный промышленный способ получения жидких топлив из природного или попутного нефтяного газа без промежуточного образования полупродуктов. Синтез-газ, полученный при риформинге природного или попутного нефтяного газа, превращается непосредственно в углеводороды.
Синтетические моторные топлива, полученные таким методом, обладают хорошими моторными показателями, экологически чистые, поскольку не содержат сернистых, полиароматических и азотсодержащих соединений, но они существенно дороже, чем нефтяные. Основным недостатком процесса Фишера-Тропша является его низкая селективность, и многочисленные усилия исследователей направлены на повышение выхода жидких углеводородов.
Внедрение промышленных процессов производства синтетических жидких углеводородов позволит нефтегазовым компаниям вовлечь в разработку те обширные запасы газа, добыча которых ранее считалась экономически нецелесообразной из-за удаленности месторождений от потребителей газа и отсутствия транспортной инфраструктуры. Так как транспортировать жидкие топлива проще, чем газ. Кроме того, в районах добычи нефти на факелах сжигается огромное количество попутного газа. Это наносит значительный ущерб экологии и экономике добывающих стран.
Оптимальным решением данной проблемы могло бы стать размещение малотоннажных производств по переработке природного и попутного нефтяного газа в синтетические жидкие углеводороды непосредственно на объектах нефтегазодобычи.
Однако здесь возникает ряд вопросов, касающихся технологии производства синтетических жидких углеводородов, так как для используемых в синтезе синтетических жидких углеводородов катализаторов требуется ограниченное содержание диоксида углерода в исходном синтез-газе. В результате при подготовке синтез-газа отделяется и сбрасывается в атмосферу значительное количество диоксида углерода, который можно было бы использовать для синтеза метанола, широко используемого на месторождениях в качестве ингибитора гидратообразования.
2
Известен способ производства метанола, включающий паровую конверсию метана в синтез-газ (смесь CO и H) с его последующим каталитическим превращением в метанол (Караваев М.М., Леонов В.Е. и др. Технология синтетического метанола. - М.: Химия, 1984, с.72-125 [1]). Основные недостатки этого процесса: высокие требования к чистоте исходного газа, большие затраты энергии на получение синтез-газа и его очистку, сложное оборудование, большое число промежуточных стадий процесса, нерентабельность малых и средних производств мощностью менее 1000 т/сутки.
Наиболее близкими к предложенным являются установка для получения метанола из природного газа и реализуемый им способ (Патент на полезную модель РФ №102537, опуб. 10.03.2011 [2]). Установка интегрирована в установку комплексной подготовки газа на газовом промысле и содержит последовательно установленные и связанные между собой системой трубопроводов теплообменники для нагрева природного газа и парогазовой смеси, печь риформинга для получения конвертированного газа; реактор синтеза для каталитического получения метанола из конвертированного газа и сепаратор, а также теплообменник для нагрева конвертированного газа, теплообменник для нагрева подготовленной воды, котел-утилизатор для получения пара и теплообменник для перегрева пара, причем выход печи риформинга по дымовым газам для использования их тепла соединен с межтрубным пространством теплообменников для нагрева природного газа, подготовленной воды, для перегрева водяного пара и нагрева парогазовой смеси, а также с теплообменником для нагрева конвертированного газа. Выход печи риформинга по конвертированному газу соединен с линией подачи конвертированного газа к реактору синтеза, последовательно проходящей через котел-утилизатор, межтрубное пространство теплообменника для нагрева неподготовленной воды и теплообменника, с трубным пространством которого соединен выход реактора синтеза. Теплообменник на выходе реактора синтеза через сепараторы соединен по одной линии с входом ректификационной колонны для выделения метанола и по другой линии - с линией подачи конвертированного газа к реактору синтеза. Куб ректификационной колонны соединен с межтрубным пространством теплообменника, через трубное пространство которого проходит линия подачи конвертированного газа к реактору синтеза после теплообменника для нагрева неподготовленной воды.
Реализуемый известной установкой [2] способ получения метанола включает нагрев исходного природного газа, получение из подготовленной воды перегретого пара и смешение его с исходным природным газом, одностадийную конверсию парогазовой смеси в печи риформинга в конвертированный газ, охлаждение конвертированного газа и одностадийное каталитическое превращение конвертированного газа в метанол в реакторе синтеза, тепло дымовых газов печи риформинга используют для нагрева исходного природного газа и подготовленной воды, перегрева водяного пара и парогазовой смеси, а также нагрева конвертированного газа перед входом в реактор синтеза. Тепло конвертированных газов используют для нагрева неподготовленной воды, для получения из подготовленной воды пара. Из части реакционные газов, выходящих из реактора синтеза, выделяют метанол в ректификационной колонне, а другую часть в качестве циркуляционного газа смешивают с конвертированным газом перед входом в реактор синтеза. Тепло реакционных газов, выходящих из реактора синтеза, используют для нагрева смеси конвертированного и циркуляционного газов. Тепло конвертированного газа также используют для нагрева водометанольного раствора в кубе ректификационной колонны. Регулируют температуру в реакторе синтеза путем отвода части холодной смеси конвертированного и циркуляционного газов и подачи ее непосредственно в зону реакции.
Известные способ получения метанола и технологическая схема установки производства метанола [2] позволяют использовать в качестве источников тепловой энергии тепловые потоки, полученные в результате реакционных процессов и обойтись без дополнительных источников тепла. С целью минимизации капитальных затрат была принята технологическая схема [2], включающая одностадийную конверсию парогазовой смеси в реакционных трубах печи риформинга с использованием никельсодержащего катализатора НИАП-03-01 или Katalko JM 57-4Q и последующий одностадийный синтез метанола с использованием медьсодержащего катализатора СНМ-1 или Katalko JM 51-8. Для упрощения технологического процесса синтеза метанола регулирование температуры в реакторе синтеза метанола осуществляется автоматически подачей холодного конвертированного газа по байпасным линиям непосредственно в зону реакции. В связи с интеграцией установки производства метанола в объекты газового промысла принята технологическая схема с использованием в качестве сырья природного газа сеноманских залежей без дополнительной подготовки.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении совместного получения метанола и синтетических жидких углеводородов в одной технологической схеме в процессе промысловой подготовки.
Технический результат достигается тем, что в способе получения синтетических жидких углеводородов (СЖУ) и метанола из природного газа, включающем нагрев исходного природного газа, получение из подготовленной воды перегретого пара и смешение его с исходным природным газом, одностадийную конверсию парогазовой смеси в печи риформинга в конвертированный газ, охлаждение конвертированного газа, одностадийное каталитическое превращение конвертированного газа в метанол и выделение метанола из полученных реакционных газов, согласно изобретению часть охлажденного конвертированного газа подвергают каталитическому синтезу, полученную реакционную смесь разделяют с получением сжиженных углеводородных газов (СУГ), которые направляют на конверсию совместно с исходным природным газом, и жидких углеводородов, и подвергают стабилизации полученные синтетические жидкие углеводороды.
Достижению технического результата также способствует следующее.
Тепло дымовых газов печи риформинга используют для нагрева исходного природного газа и подготовленной воды, перегрева водяного пара и парогазовой смеси.
Тепло конвертированных газов используют для нагрева циркулирующих жидких углеводородов на стадии стабилизации и для нагрева циркулирующего метанола на стадии его выделения.
Тепло реакционных газов используют для нагрева конвертированного газа перед его каталитическим превращением.
Регулируют температуру каталитического превращения путем отвода части холодного конвертированного газа и подачи ее непосредственно в зону реакции.
Подготовленную воду подогревают путем использования тепла, выделяющегося на стадии каталитического синтеза.
Регулируют температуру каталитического синтеза путем отвода части холодного конвертированного газа и подачи ее непосредственно в зону реакции.
Технический результат достигается также в установке для получения синтетических жидких углеводородов (СЖУ) и метанола, содержащей линию подачи природного газа, последовательно установленные и связанные между собой системой трубопроводов теплообменники для нагрева природного газа и парогазовой смеси, печь риформинга для получения конвертированного газа, котел-утилизатор для получения пара и теплообменник для перегрева пара, первый сепаратор, первый теплообменник для нагрева конвертированного газа, реактор синтеза для каталитического получения метанола из конвертированного газа, второй сепаратор и колонну ректификации метанола, а также теплообменник для нагрева подготовленной воды, согласно изобретению выход первого сепаратора соединен также через второй теплообменник для нагрева конвертированного газа с входом реактора синтеза жидких углеводородов, выход которого последовательно соединен через первый и второй охлаждающие теплообменники с третьим и четвертым сепараторами, выход для СЖУ третьего сепаратора соединен с тарелкой питания ректификационной колонны стабилизации СЖУ, выход для газа четвертого сепаратора через компрессор соединен с линией, соединяющей линию подачи конвертированного газа от первого сепаратора к реактору синтеза СЖУ, а выход для СУГ четвертого сепаратора соединен с линией подачи природного газа.
Достижению технического результата также способствует следующее.
Выход печи риформинга по дымовым газам соединен с межтрубным пространством теплообменников для нагрева природного газа, подготовленной воды, для перегрева водяного пара и нагрева парогазовой смеси, а также с теплообменником для нагрева конвертированного газа.
Выход печи риформинга по конвертированному газу соединен с линией отвода конвертированного газа, последовательно проходящей через котел-утилизатор, теплообменник на линии рецикла кубового остатка ректификационной колонный стабилизации СУГ и теплообменник на линии рецикла кубового остатка колонны ректификации метанола.
Линия подачи конвертированного газа перед теплообменником на входе в реактор синтеза метанола соединена с последним в зоне реакции.
Куб реактора синтеза метанола соединен с первым сепаратором через теплообменник на входе в указанный реактор и через третий охлаждающий теплообменник.
Линия подачи конвертированного газа перед теплообменником на входе в реактор синтеза СЖУ соединена с последним в зоне реакции.
Выход второго сепаратора для газа соединен с линией подачи конвертированного газа в реактор синтеза метанола.
Выход ректификационной колонны стабилизации СЖУ для дистиллята соединен через четвертый охлаждающий теплообменник и рефлюксную емкость с верхней тарелкой указанной колонны и с линией подачи природного газа.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема предлагаемой установки. На чертеже обозначены потоки: I - осушенный природный газ, II - синтетические жидкие углеводороды, III - товарный метанол, IV - сдувки в топливную сеть, V - солесодержащие стоки, VI -дымовые газы, VII - очищенная вода.
Установка для получения синтетических жидких углеводородов (СЖУ) и метанола содержит блок 2 теплообменников, включающий и связанные между собой системой трубопроводов теплообменники для нагрева природного газа и парогазовой смеси, теплообменник для перегретого пара и теплообменник для нагрева подготовленной воды. Линия 24 подачи природного газа через блок 2 теплообменников соединена с входом печи 1 риформинга для получения конвертированного газа, выход которой соединен с линией 25 отвода конвертированного газа, на которой последовательно установлены котел-утилизатор 4, теплообменник 5 на линии рецикла кубового остатка ректификационной колонны 21 стабилизации СУГ и теплообменник 6 на линии рецикла кубового остатка колонны 14 ректификации метанола, охлаждающий теплообменник 7 и первый сепаратор 8.
Выход печи 1 риформинга по дымовым газам соединен с межтрубным пространством теплообменников блока 2.
После сепаратора 8 линия 25 отвода конвертированного газа разделяется на две: линию 26 подачи конвертированного газа к реактору 11 синтеза метанола и линию 27 подачи конвертированного газа к реактору 15 синтеза синтетических жидких углеводородов. На линии 26 установлены компрессоры 9 и теплообменник 10. Линия 26 подачи конвертированного газа перед теплообменником 10 соединена с реактором 11 в зоне реакции.
Куб реактора 11 синтеза метанола соединен со вторым сепаратором 13 через теплообменник 10 и через охлаждающий теплообменник 12. Выход второго сепаратора 13 для газа соединен с линией 26 подачи конвертированного газа в реактор 11 синтеза метанола. Выход сепаратора 13 для жидкости соединен с тарелкой питания колонны 14 ректификации метанола.
Выход первого сепаратора 8 соединен также через второй теплообменник 28 для нагрева конвертированного газа с входом реактора 15 синтеза жидких углеводородов, выход которого последовательно соединен через первый и второй охлаждающие теплообменники 16 и 18 с третьим и четвертым сепараторами 17 и 19. Выход для СЖУ третьего сепаратора 17 соединен с тарелкой питания ректификационной колонны 21 стабилизации СЖУ. Выход для газа четвертого сепаратора 19 через компрессор 20 соединен с линией, соединяющей линию 27 подачи конвертированного газа к реактору 15 синтеза СЖУ, а выход для СУГ четвертого сепаратора 19 соединен с линией 24 подачи природного газа.
Линия 27 подачи конвертированного газа перед теплообменником 28 соединена с реактором 15 синтеза СЖУ в зоне реакции. Выход ректификационной колонны 21 стабилизации СЖУ для дистиллята соединен через четвертый охлаждающий теплообменник 23 и рефлюксную емкость 22 с верхней тарелкой указанной колонны 21 и с линией 24 подачи природного газа.
Предложенный способ включает парогазовую конверсию природного газа с водяным паром, разделение полученного синтез газа на два потока: первый поток направляется на установку синтеза метанола; второй поток направляется на установку синтеза синтетических жидких углеводородов, которые затем направляется на установку гидрокрекинга для депарафинизации.
Предложенный способ получения синтетических жидких углеводородов (СЖУ) и метанола из природного газа осуществляется следующим образом.
Осушенный природный газ с регламентируемым содержанием соединений серы и галогенов из блока подготовки природного газа смешивается с сжиженными углеводородными газами с колонны 21 стабилизации СЖУ и с сжиженными углеводородными газами с объектов промысловой подготовки нефти или газового конденсата (на схеме не показаны) поступает в блок получения синтез-газа.
Часть газа, предназначенная для технологического процесса конверсии, поступает в третью секцию подогревателя природного газа блока 2 теплообменников, где нагревается до температуры 350-450°C. Затем природный газ смешивается с перегретым водяным паром.
Очищенная вода, доведенная до соответствующего качества в блоке первичной подготовки воды, подогревается за счет тепла реакции синтеза жидких углеводородов в реакторе 15 и подается в четвертую секцию подогревателя блока 2 теплообменников, где за счет тепла дымовых газов нагревается до температуры насыщения с частичным образованием влажного пара. Далее очищенная вода подается в барабан-сепаратор 3.
Перегрев насыщенного водяного пара осуществляется во второй секции блока 2 теплообменников. Технологической схемой предусматривается автоматическое регулирование соотношения расходов природного газа и пара, поступающих на конверсию метана, с обеспечением требуемого соотношения пар: газ=2,7÷3,2:1.
Полученная парогазовая смесь с температурой 350-450°C подается на подогрев в первую секцию блока 2 теплообменников. Нагретая за счет тепла дымовых газов до 500-580°C парогазовая смесь поступает в реакционные трубы печи 1 риформинга, где на никелевом катализаторе при температуре 780-850°C и давлении 2,0-2,5 МПа протекает реакция конверсии природного газа с водяным паром с образованием конвертированного газа.
Выходная температура конвертированного газа, а также температура дымовых газов на выходе из радиантной зоны печи 1 автоматически регулируется подачей топливного газа в подовые горелки трубчатой печи 1.
В качестве топливного газа используется часть природного газа, поступающего на установку. Перед подачей в печь топливный газ распределяется на потоки для подачи к «пилотным» и основным горелкам.
Дымовые газы с температурой до 200°C после блока 2 теплообменников дымососом выбрасываются в атмосферу на высоту, обеспечивающую рассеивание вредных выбросов до предельно-допустимых значений.
Технологической схемой предусматривается использование в котле-утилизаторе 4 тепла конвертированного газа, выходящего из реакционной зоны печи 1 риформинга. За счет охлаждения газа с 780-850°C до 300-380°C вырабатывается насыщенный водяной пар давлением 2,0-2,5 МПа, который из барабана-сепаратора 3, соединенного с котлом-утилизатором 4, подается в пароперегреватель блока 2 теплообменников.
В пусковой период при недостаточности тепла дымовых газов для подогрева исходного природного газа и водяного пара перед печью 1 риформинга предусмотрено использование дополнительной горелки, расположенной в блоке 2 теплообменников.
Тепло конвертированного газа последовательно используется в кипятильнике колонны 21 стабилизации СУГ, в кипятильнике колонны 14 ректификации метанола. После охлаждения в теплообменнике 7 конвертированный газ поступает в сепаратор 8, где от него отделяется непрореагировавшая вода, которая возвращается в барабан-сепаратор 3.
Осушенный в сепараторе 8 конвертированный газ разделяется на два потока: первый поток направляется на установку синтеза метанола, второй поток поступает на установку синтеза жидких углеводородов. В случае необходимости для регулирования состава синтез газа по потокам возможно применение мембранного блока для разделения синтез газа на потоки. В этом случае первый поток преимущественно содержит диоксид углерода, а второй поток обогащен монооксидом углерода.
Первый поток, смешиваясь с циркуляционным газом, сжимается компрессором 9 до 5,0 МПа, поступает в теплообменник рекуператор 10, где нагревается продуктами реакции синтеза метанола. Далее смесь конвертированного и циркуляционного газа поступает в реактор 11 синтеза метанола.
На полках реактора 11 размещается низкотемпературный медьсодержащий катализатор, использование которого определяет параметры процесса синтеза: сравнительно низкие температуры 200÷280°C и низкое давление около 4,5-5,5 МПа. Для достижения более полной степени превращения метанола предусматривается циркуляция синтез-газа с постоянной выдачей из сепаратора 13 продувочных газов в общую топливную сеть с целью поддержания заданного уровня «инертов». Часть циркуляционного газа после сепаратора 13 направляется на смешение со свежим конвертированным газом.
Регулирование температуры в зоне катализа реактора 11 синтеза метанола осуществляется автоматически подачей холодной смеси конвертированного и циркуляционного газа по байпасным линиям. Поток холодного газа отбирается с нагнетания компрессорного агрегата 9.
Охлажденная в теплообменниках 10 и 12 реакционная смесь поступает в сепаратор 13 для отделения метанола-сырца из газожидкостной смеси.
Выделившийся в сепараторе 13 метанол-сырец подается на ректификацию. Процесс ректификации метанола-сырца проводится в колонне 14.
Подвод тепла в колонну 14 осуществляется за счет утилизации тепла конвертированного газа в кипятильнике - теплообменнике 6.
Температура в кубовой части колонны 14 регулируется перепуском конвертированного газа мимо кипятильника 6 (на схеме не указано). Кубовый продукт колонны (солесодержащие стоки), направляется на утилизацию.
Дистиллят колонны (товарный метанола) конденсируется и направляется на склад.
Второй поток, смешиваясь с циркуляционным газом, поступает в теплообменник рекуператор 28, где нагревается продуктами реакции синтеза жидких углеводородов. Далее смесь конвертированного и циркуляционного газа поступает в реактор 15 синтеза жидких углеводородов.
На полках реактора 15 размещается железный либо кобальтовый катализатор, использование которого определяет параметры процесса синтеза. Регулирование температуры в зоне катализа реактора 15 синтеза осуществляется автоматически подачей холодной смеси конвертированного и циркуляционного газа по байпасным линиям. Поток холодного газа отбирается с нагнетания компрессорного агрегата 20.
Кроме того, предусмотрено регулирование температурного режима на полках реактора 15 за счет встроенных в зону реакции теплообменных конструкций, отвод тепла в которых осуществляется за счет нагрева исходной подготовленной воды.
Реакционная смесь из реактора 15 последовательно охлаждается в теплообменниках 16 и 18, поступает в сепаратор 17, где от нее отделяется смесь синтетических жидких углеводородов, далее направляемая на стабилизацию в ректификационную колонну 21. Газовая фаза из сепаратора 17 охлаждается в теплообменнике 18 и поступает в сепаратор 19.
В сепараторе 19 отделяются сжиженные углеводородные газы, которые направляются в поток осушенного природного газа, направляемого в качестве сырья в печь 1 риформинга.
Газовая фаза из сепаратора 19 с учетом поддержания заданного уровня «инертов» в системе циркуляции, частично отводится в общую топливную сеть. Остаточное количество газовой фазы сепаратора 19 (циркуляционный газ) дожимается в компрессоре 20, смешивается со свежим конвертированным газом и направляется в реактор 15 синтеза жидких углеводородов.
Смесь синтетических жидких углеводородов из сепаратора 17 поступает на тарелку питания ректификационной колонны 21. В колонне 21 происходит отделение сжиженных углеводородных газов (пропан-бутан) от стабильной части синтетических жидких углеводородов. Подвод тепла в колонну 21 осуществляется за счет циркуляции кубового продукта через кипятильник 5.
Дистиллят колонны 21 (сжиженные углеводородные газы) охлаждается в теплообменнике 23, поступает в рефлюксную емкость 22 из которой подается на верхнюю тарелку колонны 21 в качестве орошения, балансовое количество дистиллята отводится в поток осушенного природного газа, направляемого в качестве сырья в печь 1 риформинга.
5+
Кубовый продукт колонны 21, представляющий собой синтетические жидкие углеводороды (фракция С) направляется либо в товарную нефть (стабильный газовый конденсат), либо на дальнейшую переработку с целью получения моторных топлив.
С помощью предложенной группы изобретений за счет применения схемы совместного получения метанола и синтетических жидких углеводородов в условиях нефтегазоконденсатного месторождения, удалось значительно снизить капитальные затраты на единицу получаемой продукции.
Кроме того, с помощью предложенных способа и устройства удалось достичь следующих результатов.
2
2
1. За счет использования реактора парогазовой конверсии углеводородов с никелевым катализатором конвертированный газ не требует дополнительной подготовки в мембранном или абсорбционном блоке с целью получения оптимального соотношения H:CO:CO, позволяющего достичь максимального выхода синтетических жидких углеводородов.
2. За счет использования для синтеза метанола и жидких углеводородов реакторов полочного типа с возможностью самовыгрузки катализатора замена катализатора может быть осуществлена персоналом установки в промысловых условиях.
3. За счет использования схемы циркуляционных газов в процессе синтеза метанола и жидких углеводородов удалось значительно повысить выход целевой продукции.
4. За счет использования в качестве теплоносителя в колоннах стабилизации синтетических жидких углеводородов и ректификации метанола-сырца тепла конвертированного газа снижено потребление топливного газа.
5. За счет использования в качестве топливного газа сдувок с контуров циркуляционных газов удалось снизить количество потребляемого на топливные нужды осушенного природного газа.
6. За счет использования в качестве компонента сырья печи риформинга сжиженных углеводородных газов решается проблема утилизации сжиженных углеводородных газов, в случае отсутствия возможности их транспортировки.