УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА (ВАРИАНТЫ)

Установка может быть использована в нефтехимической и газовой промышленности для получения метанола и других кислородсодержащих соединений или бензина из природного или нефтезаводского газа.
Природный газ используют как сырье для получения метанола, других кислородсодержащих соединений и бензина через стадию его конверсии в синтез-газ, причем производство метанола - самый многотоннажный способ химической переработки природного газа. Эти процессы объединяет одна проблема - необходимость подвода в реактор или отвода из реактора значительного количества тепла.
Установка для переработки природного газа (прототип, Р.В.Шнайдер, Дж.Р.Ле-Бланк. Нефть, газ и нефтехимия за рубежом, 1992, №8, с.73) включает узел очистки природного газа от серы, узел конверсии очищенного газа в синтез-газ, узел утилизации теплоты, компрессор, реакторы синтеза метанола.
Получение синтез-газа из природного газа осуществляют в процессе парокислородной конверсии, паровой, паровой и парокислородной с дозированием диоксида углерода, высокотемпературной, а также в комбинированных процессах (М.М.Караваев, В.Е.Леонов и др. Технология синтетического метанола. М.: Химия, 1984 г., с.21-30). Способ получения синтез-газа зависит от состава природного газа и технико-экономических факторов.
Паровая конверсия метана является наиболее распространенным способом получения синтез-газа из углеводородов. Из-за высокого эндотермического эффекта процесса паровой конверсии метана его осуществляют в трубчатом реакторе, обогреваемом горячими дымовыми газами и тепловым излучением в радиантной секции печи.
С целью снижения тепловой нагрузки радиантной секции печи используют дополнительный адиабатический реактор предварительной конверсии метана в синтез-газ и дважды нагревают поток сырья в печи (Р.В.Шнайдер, Дж.Р.Ле-Бланк. Нефть, газ и нефтехимия за рубежом, 1992, №8, с.69).
Процессы синтеза кислородсодержащих соединений или углеводородов из синтез-газа являются экзотермическими, их осуществляют в стационарном слое катализатора с подачей холодного сырьевого газа в слои катализатора, со съемом тепла реакции между слоями катализатора или в трубчатых реакторах (М.М.Караваев, В.Е.Леонов и др. Технология синтетического метанола. М.: Химия, 1984 г., с.116-120; Ю.Фальбе, ред. Химические вещества из угля. М.: Химия, 1980, с.311-316). Наиболее близкий к изотермическому режим реакции достигают в трубчатом реакторе, но и в этом случае при различном расположении горелок в конверторе температура стенки трубы по длине ее обогреваемой части изменяется почти на 100 градусов (Т.Иогансен и др. Нефть, газ и нефтехимия за рубежом, 1993, №5, с.93-99).
Большая эффективность переработки природного газа может быть достигнута при использовании изотермических реакторов для его конверсии в синтез-газ и конверсии синтез-газа в кислородсодержащие соединения или углеводороды. Любой химический процесс предпочтительно осуществлять в некоторой оптимальной области температур, для каталитических процессов это связано не только с количеством и качеством продукта, но и с продолжительностью работы катализатора. Максимальный выход продукта получают в изотермическом процессе, одним из условий более или менее
полного приближения к которому является непрерывная компенсация теплового эффекта реакции.
2
Предлагаемая установка для переработки природного газа включает реактор конверсии метана в синтез-газ и реактор конверсии синтез-газа в метанол или углеводороды, в которых для подвода тепловой энергии в зону реакции или ее отвода из зоны реакции используют тепловые трубы, являющиеся самым эффективным средством теплопередачи (мощность теплопередачи - до 20 квт/см, скорость теплопередачи ограничивается звуковым пределом), позволяющим осуществлять термостатирование и регулирование температуры. Химические реакции в таких реакторах могут быть осуществлены в изотермическом режиме.
Установка для переработки природного газа включает блок конверсии сырья в синтез-газ и блок конверсии синтез-газа и отличается тем, что блок конверсии сырья в синтез-газ включает реактор конверсии сырья в синтез-газ, в котором узел подвода тепла в зону реакции образован множеством тепловых труб, общая площадь поверхности которых обеспечивает поступление в зону реакции тепла, необходимого для осуществления реакци конверсии углеводородов сырья в синтез-газ, а блок конверсии синтез-газа включает реактор конверсии синтез-газа, в котором узел отвода тепла из зоны реакции образован множеством тепловых труб, общая площадь поверхности которых обеспечивает отвод тепла, выделяющегося при реакции синтеза кислородсодержащих соединений из синтез-газа. В предпочтительном случае оба реактора установки работают в режиме, близком к изотермическому.
В другом варианте установка для переработки природного газа включает блок конверсии сырья в синтез-газ и блок конверсии синтез-газа и отличается тем, что блок конверсии сырья в синтез-газ включает реактор конверсии сырья в синтез-газ, в котором узел подвода тепла в зону реакции образован множеством тепловых труб, общая площадь поверхности которых обеспечивает поступление в зону реакции тепла, необходимого для
осуществления реакции конверсии углеводородов сырья в синтез-газ, а блок конверсии синтез-газа включает реактор конверсии синтез-газа, в котором узел отвода тепла из зоны реакции образован множеством тепловых труб, общая площадь поверхности которых обеспечивает отвод тепла, выделяющегося при реакции синтеза углеводородов из синтез-газа. В предпочтительном случае оба реактора установки работают в режиме, близком к изотермическому.
Тепловые трубы известны с 1942 года и используются в различных областях техники (Дан П.Д., Рей Д.А. Тепловые трубы. М., Энергия, 1979 г.). Тепловая труба состоит из корпуса, рабочей жидкости и фитиля - капиллярно-пористого материала. Корпус изолирует рабочую жидкость от внешней среды и обеспечивает подвод теплоты к рабочей жидкости и отвод теплоты от нее. Теплопередача от источника тепла до точки (зоны) поглощения тепла в тепловой трубе осуществляется парами рабочей жидкости, образующимися в зоне испарения (нагревания) и конденсирующимися в зоне конденсации (поглощения тепла).
Рабочая жидкость имеет высокую теплоту парообразования и температуру фазового перехода в диапазоне рабочих температур в зоне реакции. В тепловых трубах реактора конверсии природного газа в синтез-газ используют расплавленный натрий. Рабочая жидкость в тепловой трубе в предпочтительном случае имеет температуру кипения на 5-150°С выше, чем температура в зоне реакции. Температура кипения рабочей жидкости зависит от давления в тепловой трубе и изменяется адекватно изменению температуры в зоне реакции.
Капиллярно-пористый материал обеспечивает возврат рабочей жидкости из зоны конденсации в зону испарения независимо от их взаимного расположения, а также ее равномерное распределение по всей зоне испарения. Обычно используют металлические сетки, металлические ткани, металлический войлок, спеченные металлические порошки. Наиболее часто используемые металлы - медь, никель, титан, нержавеющая сталь,
фосфористая бронза. Вертикальная тепловая труба в вертикальном реакторе может работать без фитиля.
При осуществлении эндотермического процесса конверсии природного газа в синтез-газ подвод тепловой энергии в зону реакции осуществляют при теплообмене зоны реакции с поверхностью зоны конденсации тепловых труб. От внешнего источника подводят тепло к зоне подогрева тепловых труб, рабочая жидкость испаряется и в зоне конденсации, охлаждаемой при контакте поверхности тепловой трубы с зоной эндотермической реакции, происходит конденсация паров рабочей жидкости с выделением тепловой энергии, которая и поглощается реакционной средой при теплообмене с поверхностью каждой тепловой трубы. Конденсат по капиллярным каналам фитиля возвращается в зону испарения.
Подвод тепла к зоне подогрева тепловых труб осуществляют хотя бы одним способом: открытым пламенем при сжигании топлива или конвективным теплообменом с различными теплоносителями (дымовыми газами, водяным паром и т.п.). Далее теплоносители могут быть использованы для нагревания сырья перед подачей его в зону реакции. Не исключаются и другие способы подвода тепла в зону испарения. Для нагревания сырья до температуры реакции может быть использована часть тепловой трубы в реакторе. Зону нагревания сырья в реакторе предпочтительно заполнять катализатором.
При осуществлении экзотермических процессов конверсии синтез-газа в кислородсодержащие соединения или углеводороды тепловую энергию отводят из зоны реакции при теплообмене зоны реакции с поверхностью тепловых труб в зоне испарения. В качестве рабочей жидкости используют воду. Выделенная в химическом процессе тепловая энергия расходуется в зоне испарения тепловой трубы на испарение горячей воды. Пары поступают по паровым каналам в зону конденсации, охлаждаемую конвективным теплообменом с охлаждающим агентом или испарением охлаждающего агента, где конденсируются и передают охлаждающему агенту тепловую
энергию, поглощенную в зоне испарения при фазовом переходе. В предпочтительном случае температура охлаждающего агента ниже температуры в зоне реакции не менее чем на 10 градусов. Конденсат возвращается в зону испарения тепловой трубы.
Тепловые трубы позволяют точно дозировать количество тепловой энергии, подводимой в зону реакции или отводимой из зоны реакции. Реакторы установки включают узел подвода тепла в зону реакции или узел отвода тепла из зоны реакции, образованный множеством тепловых труб, общая площадь поверхности которых обеспечивает необходимую величину теплообмена с зоной реакции. Расчет показывает, что теплообмен с зоной реакции будет осуществляться достаточно интенсивно при использовании тепловых труб диаметром не более 300 мм, расположенных на расстоянии не более 150 мм между их поверхностями. Степень приближения к изотермическим условиям в этом случае будет определяться разностью температур в зоне реакции и в паровом канале тепловой трубы.
Несколько тепловых труб в зоне испарения в реакторе для конверсии сырья в синтез-газ или в зоне конденсации в реакторе конверсии синтез-газа могут образовать единую трубу, поверхность которой нагревают или охлаждают соответственно для подвода тепловой энергии к зоне реакции или отвода тепловой энергии из зоны реакции. Возможная конструкция реактора описана в заявке на полезную модель 2005132591/22 от 24.10.05 (положительное решение от 16.01.06).
Зона реакции включает твердый катализатор, размещенный между тепловыми трубами. Используют известные в технике катализаторы: для конверсии природного газа - никелевый (5-10% на окиси алюминия), для синтеза метанола - высокотемпературные цинк-хромовые или низкотемпературные медно-цинк-хромовые и медно-цинк-алюминиевые (М.М.Караваев, В.Е.Леонов и др. Технология синтетического метанола. М.: Химия, 1984 г., с.51-60), для синтеза высших спиртов и гликолей - железный катализатор синтеза аммиака, для синтеза углеводородов - катализаторы
11
Фишера-Тропша (Ю.Б.Ян, Б.К.Нефедов. Синтезы на основе оксидов углерода. М.: Химия, 1987 г., с.186-188) или цеолитсодержащие катализаторы, на которых получают в основном углеводороды до С (US №4086262, С 07 С 1/04; US №4096163, С 07 С 1/04, 1978; RU №210032 С 07 С 1/04, 1997) и т.д. Условия контакта сырья с катализатором в зоне реакции соответствуют предпочтительным для получения продуктов. Предпочтителен изотермический режим работы реакторов, позволяющий получить максимальный выход продуктов.
В качестве примера установки для переработки природного газа в кислородсодержащие соединения ниже описаны структура установки для получения метанола и ее функционирование.
Установка для переработки природного газа в метанол (рис.1) включает блок паровой конверсии сырья в синтез-газ, блок утилизации тепла, блок водоподготовки, блок компрессии синтез-газа и блок синтеза метанола из синтез-газа.
3
Блок паровой конверсии углеводородов сырья включает фильтр для удаления твердых и жидких включений, реактор сероочистки для снижения концентрации соединений серы в газе ниже 0,2 мг/м (отсутствует при допустимом содержании серы в сырье), реактор паровой конверсии сырья, рекуперационные теплообменники, в которых теплом продукта реактора паровой конверсии нагревают сырье, а теплом топочных газов нагревают воздух для сжигания топливного газа, холодильник для охлаждения продукта реактора паровой конверсии, сепаратор-отстойник синтез-газа для отделения конденсата от синтез-газа.
В реакторе паровой конверсии тепловые трубы нагревают за счет теплоты сгорания топливного газа (смеси природного газа и отходящих газов из блока синтеза метанола) в топочной секции реактора и катализатор, загруженный в пространство между тепловыми трубами, образует зону догрева сырья и изотермическую зону основной реакции. Очищенный газ нагревают в рекуперационных теплообменниках до 500°С, смешивают с
2
2
перегретым водяным паром в соотношении 3,2-3,7: 1 кг/кг и направляют в реактор паровой конверсии, где он догревается на катализаторе до 850-900°С и при давлении 4,8-5 МПа превращается в синтез-газ с соотношением Н:СО не менее 2,6 моль/моль, предпочтительным для более глубокой конверсии СО и СО в метанол. Продукт реактора паровой конверсии охлаждают в рекуперационных теплообменниках в блоке паровой конверсии и в блоке утилизации тепла, в холодильнике и в сепараторе-отстойнике отделяют синтез-газ от конденсата и синтез-газ направляют в блок компрессии. Топочный газ направляют в блок утилизации тепла для нагревания котла-утилизатора и затем возвращают в блок паровой конверсии для нагревания воздуха.
В блоке водоподготовки получают химочищенную воду, смешивают ее с конденсатом, полученным в блоке паровой конверсии при охлаждении продукта реактора паровой конверсии, а также с конденсатом из блока синтеза метанола. Химочищенную воду и конденсат деаэрируют в колонне деаэрации и направляют в котел-утилизатор. Блок включает сборники конденсата, узел подготовки химочищенной воды, колонну деаэрации воды, насосы.
В блоке утилизации тепла для получения пара высокого давления используют тепло потока продуктов реактора паровой конверсии сырья и топочного газа. Блок включает котел-утилизатор выработки пара высокого давления, в который поступает топочный газ из реактора паровой конверсии, теплообменник утилизации тепла продукта реактора паровой конверсии для подогревания питательной воды высокого давления, сепаратор пара высокого давления, теплообменник утилизации тепла продукта реактора паровой конверсии для подогревания питательной воды среднего давления, редукционно-охладительные устройства для получения пара среднего давления.
Синтез-газ, полученный в блоке паровой конверсии, смешивают с рецикловым потоком, сжимают в блоке компрессии до давления синтеза
метанола и направляют в блок синтеза метанола. Блок синтеза метанола включает рекуперционный теплообменник, в котором синтез-газ нагревают теплом продукта реактора синтеза метанола, паровой подогреватель, в котором синтез-газ нагревают паром высокого давления, реактор синтеза метанола, холодильник для охлаждения продукта реактора синтеза метанола, сепаратор-отстойник метанола-сырца и сборник метанола-сырца.
В реакторе синтеза метанола в соответствующих условиях осуществляют синтез метанола в изотермическом режиме при теплообмене между зоной реакции и поверхностью тепловых труб, в которых при этом образуется водяной пар. В зоне конденсации реактора тепловые трубы охлаждают горячей водой из сепаратора пара среднего давления и полученную парожидкостную смесь возвращают в сепаратор. Из охлажденного продукта реактора синтеза метанола в сепараторе-отстойнике метанола выделяют метанол-сырец и газовую фазу, часть которой в качестве рециклового потока процесса синтеза метанола направляют в блок компрессии и балансовое количество используют как топливный газ. Метанол-сырец из сепаратора поступает в сборник метанола-сырца и выводится с установки.
В качестве примера установки для переработки природного газа в углеводороды ниже описаны структура установки для получения бензина и ее функционирование.
Установка для переработки природного газа в бензин (рис.2) включает блок паровой конверсии сырья в синтез-газ, блок утилизации тепла, блок водоподготовки и блок синтеза бензина.
Блоки паровой конверсии углеводородов сырья и водоподготовки имеют такую же структуру и работают так же как и в составе установки для переработки синтез-газа в метанол (рис.1).
В блоке утилизации тепла для получения пара высокого давления используют тепло потока продуктов реактора паровой конверсии сырья и топочного газа. Блок включает котел-утилизатор выработки пара высокого
давления, в который поступает топочный газ из реактора паровой конверсии, теплообменник утилизации тепла продукта реактора паровой конверсии для подогревания питательной воды высокого давления, сепаратор пара высокого давления, теплообменник утилизации тепла продукта реактора паровой конверсии для подогревания питательной воды среднего давления. Пар высокого давления используют для паровой конверсии метана, для нагревания сырья реактора синтеза углеводородов и в термосифонном испарителе колонны стабилизации бензина.
Блок синтеза бензина включает рекуперционный теплообменник, в котором синтез-газ нагревают теплом продукта реактора синтеза бензина, паровой подогреватель, в котором синтез-газ нагревают паром высокого давления, реактор синтеза бензина, холодильники для охлаждения продукта реактора синтеза бензина, сепаратор газопродуктовой смеси, сепаратор-отстойник водного конденсата, колонну стабилизации бензина с термосифонным испарителем, холодильником-конденсатором и флегмовой емкостью, теплообменник для нагревания питания колонны теплом кубового продукта, холодильник бензина.
1
11
Синтез-газ из блока паровой конверсии нагревают в рекуперационном теплообменнике теплом продукта реактора синтеза бензина, затем в паровом подогревателе и направляют в реактор синтеза бензина, где синтез-газ превращается в смесь углеводородов C-C, в основном в бензиновые углеводороды, и воду, при контакте с цеолитсодержащим цинк-хромовым катализаторе в изотермическом режиме при температуре 330-400°С и давлении 4-6 МПа. Изотермический режим экзотермического процесса обеспечивается при теплообмене между зоной реакции и поверхностью тепловых труб, в которых при этом образуется водяной пар. В зоне конденсации реактора тепловые трубы охлаждают горячей водой из сепаратора пара среднего давления и полученную парожидкостную смесь возвращают в сепаратор. Продукт реактора синтеза бензина после рекуперационного теплообменника охлаждают в воздушном и водяном
холодильниках и в сепараторе газопродуктовой смеси отделяют газ, который направляют в топливную сеть, водную фазу из сепаратора направляют в сепаратор-отстойник, из которого конденсат подают в узел химической очистки в блоке водоподготовки, а углеводородный продукт нагревают в рекуперационном теплообменнике и направляют в колонну стабилизации бензина, с верха которой отводят пропан-бутановую фракцию, а стабильный бензин, охлажденный при теплообмене с питанием колонны и в водяном холодильнике, поступает на склад.