Газоперерабатывающий кластер
GAS PROCESSING CLUSTER

Газоперерабатывающий кластер предназначен для дополнительной переработки метан-водородной фракции (МВФ) установок нефте- и газохимических комплексов и может быть использован в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и газохимической отраслях промышленности.
Одним из характерных нетоварных технологических потоков современных крупнотоннажных газо- и нефтехимических установок, осуществляющих термическую и каталитическую деструкцию углеводородов, например, установок пиролиза, крекинга и дегидрирования легких и тяжелых углеводородных фракций, является МВФ, отделяемая от целевых фракций. Так, например, на установках пиролиза при производстве мономеров: этилена и пропилена – на 1 т сырья вырабатывается 0,05-0,19 т МВФ в зависимости от вида исходного сырья. Согласно плану развития нефте- и газохимии Российской Федерации к 2030 г. необходимо довести переработку сырья для производства мономеров до 55,7 млн т/год, для чего требуется создание шести крупных производственных кластеров вблизи крупных существующих источников нефтегазохимического сырья (Бикчурина А.Р. Перспективы развития пиролизных комплексов / А.Р. Бикчурина, И.В. Цивунина // Вестник технологического университета. – 2015. – № 9 (19). – С. 137-139). При этом, принимая в среднем выход МВФ равным 0,1 т/т сырья, попутная ее выработка составит 5,5 млн т/год, что поднимает вопрос эффективного использования данного продукта.
В настоящее время МВФ преимущественно используется как топливо энергетических установок непосредственно на предприятиях нефтегазохимии и на теплоэлектростанциях. Однако при цене товарного топливного газа на уровне 8-10 руб./кг это является нерациональным использованием ресурсов, поскольку водород в настоящее время преимущественно производится дорогостоящим каталитическим способом за счет взаимодействия водяного пара с метаном при температуре 700-1000 ℃. Более эффективно осуществлять переработку МВФ с раздельным получением метана и водорода, а для топливных нужд газо- и нефтехимических предприятий использовать товарный топливный газ. К тому же МВФ газохимических процессов представляет собой смесь метана и водорода, практически не содержащую примесей, что в значительной мере снижает затраты на ее переработку в связи с отсутствием затрат на подготовительные процедуры по очистке. Растущий спрос на сжиженный водород и сжиженный природный газ (СПГ) позволит переработкой МВФ достичь максимальной реализации товарного потенциала данной фракции.
Известен способ для одновременного получения по меньшей мере одного газообразного продукта, а также продукта, состоящего в основном из жидкого метана, из исходной смеси, состоящей в основном из водорода, монооксида углерода и метана, где исходную смесь разделяют на несколько фракций в устройстве для осуществления низкотемпературного разделения газов, при этом фракцию метана, имеющего товарную чистоту, отводят в виде жидкости после низкотемпературного разделения газов и предпочтительно после дополнительного охлаждения накапливают в виде сжиженного метана в промежуточной емкости (патент на изобретение RU 2456517 C2, МПК F25J 3/02, заявлен 11.03.2008 г., опубликован 20.07.2012 г.). Недостатками изобретения являются:
- отсутствие возможности регулирования качества товарных продуктов из-за обусловленного равновесием между жидкой и газовой фазами ограничения состава получаемого СПГ;
- отсутствие возможности ожижения получаемого водорода из-за необходимости доочистки, что ограничивает его товарный потенциал.
Известен способ выделения водорода из газовой смеси, содержащей водород и метан, полученной в результате термического разложения метана, заключающийся в пропускании этой смеси в стадии адсорбции при повышенном давлении через слой адсорбента, выделении при этом чистого водорода для последующего внешнего использования, в понижении давления в стадии десорбции и выделении адсорбированных компонентов, таких как водород и метан, водород-метановую смесь получают при пиролизе метана, из которой в стадии адсорбции при давлении 0,5-2,0 МПа извлекают чистый водород, а в стадии десорбции понижают давление сначала до 0,1 МПа и выделяют некондиционную фракцию водорода, которую возвращают на вход в адсорбер, а затем для завершения стадии десорбции давление понижают до нижнего уровня 0,010-0,005 МПа и выделяют фракцию, содержащую преимущественно метан, возвращаемую в поток исходного сырья, поступающего на пиролиз, что позволяет получить дополнительное количество водорода (патент на изобретение RU 2466928 C2, МПК C01B 3/56, B01D 53/047, заявлен 24.12.2009 г., опубликован 20.11.2011 г.). Недостатками изобретения являются:
- отсутствие предварительной очистки водорода от метана низкотемпературными газо-жидкостными процессами, существенно повышающее нагрузку на капитало- и материалоемкие узлы адсорбционной очистки при извлечении водорода из МВФ процессов нефте- и газохимии, содержащей 30-70 % (масс.) метана;
- сложность реализации в промышленных условиях возвращения некондиционной фракции водорода, выделенной на стадии десорбции и имеющей переменное давление (от 0,5-2,0 МПа до 0,1 МПа), на вход адсорбера при давлении поступающего сырья 0,5-2,0 МПа;
- сложность реализации в промышленных условиях возвращения на пиролиз метановой фракции с примесью водорода, выделенной на стадии десорбции с переменным давлением от 0,1 МПа до 0,01-0,005 МПа.
Известен способ удаления водорода и азота из метансодержащего газа путем ректификации и производства СПГ, включающий стадии низкотемпературного сжижения и ректификационного разделения; на стадии низкотемпературного сжижения богатый метаном газ, содержащий водород и азот, поступает в холодильную камеру и охлаждается путем смешивания с агентом, обеспечивающим подвод необходимого количества холода для сжижения метанового компонента в холодильной камере; на стадии ректификационного разделения поток после стадии низкотемпературного сжижения поступает в ректификационную колонну, с верха которой отводят водород, азот и небольшое количество монооксида углерода, а жидкая фаза из нижней части ректификационной колонны возвращается в холодильную камеру для переохлаждения, при этом получают СПГ, имеющий содержание водорода не более 500 ч/млн, содержание азота не более 2 % и окиси углерода не более 2 % (патент на изобретение CN 104513680 А, МПК C10L 3/10, F25J 3/02, F25J 5/00, F25J 1/02, заявлен 30.09.2013 г., опубликован 15.04.2015 г.). Недостатками изобретения являются:
- высокое содержание примесей в СПГ, обусловленное равновесием между жидкой и газовой фазами в процессе ожижения природного газа в ректификационной колонне и холодильной камере;
- низкое качество образующейся газовой смеси водорода, азота и монооксида углерода, пригодной для использования только в качестве низкокалорийного топлива или сырья для последующего извлечения водорода.
При создании изобретения была поставлена задача разработать газоперерабатывающий кластер, обеспечивающий переработку дешевого побочного продукта газо- и нефтехимических процессов – МВФ – в ценные  товарные продукты.
Поставленная задача решается за счет того, что газоперерабатывающий кластер состоит из блока сжижения метана и блока хранения СПГ, МВФ подают на блок сжижения метана, откуда сжиженный метан поступает в резервуары блока хранения СПГ, СПГ откачивают в виде товарного продукта, несконденсированную часть МВФ с блока сжижения метана в виде водородсодержащего газа (ВСГ) подвергают очистке от метана в дополнительном блоке очистки ВСГ, после которого очищенный водород последовательно подают в дополнительный блок сжижения водорода, включающий, помимо прочего, орто-пара-конвертор водорода, и в резервуары дополнительного блока хранения сжиженного водорода, далее сжиженный водород откачивают в виде товарного продукта, отпарной газ из резервуаров блока хранения СПГ и хвостовой газ из дополнительного блока очистки ВСГ отводят в топливную систему газоперерабатывающего кластера и/или возвращают на рецикл. Данное решение позволяет получать дорогостоящие на мировых рынках жидкие метан и водород из дешевого побочного продукта – МВФ – путем разделения на технически чистые газообразные метан и водород.
Дополнительный блок очистки ВСГ может представлять собой систему короткоцикловой адсорбции (КЦА) метана, состоящую, как минимум, из двух поочередно работающих адсорберов, при этом в одном адсорбере обеспечивают адсорбционную очистку ВСГ от метана при высоком давлении, очищенный водород подают в дополнительный блок сжижения водорода, а в другом адсорбере в это время осуществляют регенерацию адсорбента при низком давлении, приводящую к десорбции метана с его откачкой и/или сдувкой.
Также дополнительный блок очистки ВСГ может представлять собой систему, как минимум, из двух поочередно работающих сепараторов-вымораживателей, при этом в одном сепараторе-вымораживателе газ дросселируют с осаждением вымороженного твердого метана, остаточное по равновесию содержание метана в газе улавливают слоем адсорбента в верхней части сепаратора-вымораживателя, очищенный водород подают в дополнительный блок сжижения водорода, а в другом сепараторе-вымораживателе в это время осуществляют растепление накопленного твердого метана, его откачку и/или сдувку, а также регенерацию адсорбента.
Целесообразно в блоке сжижения метана процесс ожижения проводить в одну ступень с применением азотного холодильного цикла или ступенчато с применением азотного холодильного цикла, комбинированного с циклом смешанного хладагента и/или с пропановым и/или пропиленовым холодильным циклом и/или с этановым и/или этиленовым холодильным циклом, что обеспечивает вариативность работы блока на различных хладагентах.
Полезно для обеспечения переработки газообразного сырья, содержащего нежелательные для процессов ожижения примеси, и для повышения качества получаемых СПГ и сжиженного водорода газоперерабатывающий кластер дополнить блоком очистки сырьевого газа, что позволит регулировать показатели качества товарных продуктов.
Полезно для обеспечения требуемой теплотворной способности товарного СПГ газоперерабатывающий кластер дополнить узлом регулирования калорийности СПГ, где предусматривается впрыск в СПГ сжиженных углеводородных газов, пропана и/или этана, в количестве, необходимом для выполнения требований, предъявляемых к товарному продукту.
Полезно также МВФ различных установок и/или непосредственно нефте- и газохимических комплексов объединять перед подачей на блок сжижения метана, что позволяет сделать газоперерабатывающий кластер самостоятельным предприятием, входящим в состав нефтегазохимического кластера и получающим исходное сырье от его различных объектов.
Полезно в случае использования системы КЦА метана газ регенерации адсорбента с переменным давлением подвергать выравниванию давления в ресивере, формируя хвостовой газ, причем хвостовой газ можно реализовать в качестве компонента товарного топливного газа, подаваемого в газораспределительные сети, после смешения с товарным природным газом в концентрациях, позволяющих минимизировать эффект водородной коррозии, что расширяет ассортимент товарной продукции газоперерабатывающего кластера.
Целесообразно при использовании системы, как минимум, из двух сепараторов-вымораживателей растепление твердого метана в сепараторах-вымораживателях осуществлять потоком СПГ из резервуаров блока хранения СПГ с рециклом жидкого смесевого потока в резервуары, что позволит уменьшить объем вырабатываемых на газоперерабатывающем кластере хвостовых газов.
На фигурах 1-4 представлены принципиальные схемы нескольких возможных вариантов реализации заявляемого газоперерабатывающий кластер:
- фиг. 1 – газоперерабатывающий кластер с дополнительным блоком очистки ВСГ методом КЦА метана и подачей отпарного газа из резервуаров блока хранения СПГ и хвостового газа из дополнительного блока очистки ВСГ в топливную систему газоперерабатывающего предприятия;
- фиг. 2 – газоперерабатывающий кластер с дополнительным блоком очистки ВСГ методом КЦА метана и подачей отпарного газа из резервуаров блока хранения СПГ и хвостового газа из дополнительного блока очистки ВСГ на рецикл;
- фиг. 3 – газоперерабатывающий кластер с дополнительным блоком очистки ВСГ методом вымораживания метана, растеплением твердого метана и рециклом жидкого смесевого потока в резервуары блока хранения СПГ;
- фиг. 4 – газоперерабатывающий кластер с дополнительным блоком очистки ВСГ методом вымораживания метана, растеплением твердого метана и рециклом жидкого смесевого потока в резервуары блока хранения СПГ и отпарного газа из резервуаров блока хранения СПГ;
с использованием следующих обозначений:
1-11 – трубопровод;
100 – блок сжижения метана;
200 – блок хранения СПГ;
301 – дополнительный блок очистки водородсодержащего газа (метод КЦА метана);
302 – дополнительный блок очистки водородсодержащего газа (метод вымораживания метана);
400 – дополнительный блок сжижения водорода;
500 – дополнительный блок хранения сжиженного водорода;
600 – топливная система.
Газоперерабатывающий кластер, представленный на фиг. 1, функционирует следующим образом. МВФ по трубопроводу 1 направляется в блок сжижения метана 100, где подвергается ожижению любым известным способом. Сжиженный метан по трубопроводу 2 поступает в резервуар блока хранения СПГ 200, откуда СПГ по трубопроводу 3 откачивают в виде товарного продукта. При этом образующиеся при хранении сжиженного метана отпарные газы из резервуаров блока хранения СПГ 200 по трубопроводу 4 отводят в топливную систему 600.
Несконденсировавшуюся часть МВФ в виде ВСГ подают в дополнительный блок очистки ВСГ 301, где обеспечивается адсорбционная очистка ВСГ от метана при высоком давлении. Очищенный водород по трубопроводу 6 поступает сначала в дополнительный блок сжижения водорода 400, включающий, помимо прочего, орто-пара-конвертор водорода. Из дополнительного блока сжижения водорода 400 сжиженный водород подают по трубопроводу 8 в резервуары дополнительного блока хранения сжиженного водорода 500 для дальнейшей отгрузки по трубопроводу 9 в качестве товарного сжиженного водорода. Образующийся при хранении сжиженного водорода отпарной водород по трубопроводу 11 из резервуаров дополнительного блока хранения сжиженного водорода 500 возвращают на рецикл в блок сжижения водорода 400. Формируемый после выравнивания давления газа регенерации адсорбента в ресивере хвостовой газ по трубопроводу 7 направляют из дополнительного блока очистки ВСГ 301 в топливную систему 600.
Схема на фиг. 2 отличается возвратом отпарных газов из резервуаров блока хранения СПГ 200 и хвостового газа из дополнительного блока очистки ВСГ 301 по трубопроводам 4 и 7, соответственно, на рецикл для смешения с исходной МВФ.
Газоперерабатывающий кластер, представленный на фиг. 3 и фиг. 4, включает дополнительный блок очистки ВСГ 302, где поступающую по трубопроводу 5 ВСГ дросселируют с осаждением вымороженного твердого метана и улавливанием остаточного метана адсорбентом, получая очищенный ВСГ для дальнейшего ожижения в дополнительном блоке сжижения водорода 400. Образующийся при растеплении сепаратора-вымораживателя растепленный метан по трубопроводу 10 отводят в блок хранения СПГ 200. Схема на фиг. 4 отличается возвратом отпарных газов из резервуаров блока хранения СПГ 200 по трубопроводу 4 на рецикл для смешения с исходной МВФ.
В таблицах 1-4 приведены материальные балансы для каждого из вариантов реализации заявляемого газоперерабатывающего кластера согласно схемам на фиг. 1-4 с получением на базе установок пиролиза этана производительностью 2,8 млн т/год по этилену и установок дегидрирования пропана производительностью 1,5 млн т/год по пропилену исходной МВФ в количестве 0,6579 млн т/год.
Таким образом, заявляемое изобретение решает задачу разработки газоперерабатывающего кластера, обеспечивающего переработку дешевого побочного продукта газо- и нефтехимических процессов – МВФ – в ценные товарные продукты в виде СПГ и сжиженного водорода.