Какие способы используют для конверсии метана водяным паром

Установка производства водорода

Назначение

Установка производства водорода предназначена для обеспечения техническим водородом вновь вводимых установок:

1. изомеризации,
2. гидроочистки,
3. гидрокрекинга,
4. каталитического риформинга.

Строительство установки производства водорода позволит:

• ликвидировать недостающую потребность в водороде на НПЗ
• производить водород высокой чистоты (не менее 99,5 % об.), что сокращает объём газа в последующих схемах потребления водорода;
• улучшить экологические условия на территории предприятия за счёт применения в качестве топлива обессеренного газа с блока КЦА.

Установка производства водорода

Методы производства водорода

• паровая конверсия метана и природного газа;
• газификация угля;
• электролиз воды;
• пиролиз;
• частичное окисление;
• биотехнологии.

Сырье и продукты

На российских НПЗ наиболее распространенным методом получения водорода является паровая конверсия углеводородов (СУГ, нафты, природного газа).

Продуктами являются чистый водород с концентрацией >99% об., а также отдувочный газ, который чаще всего используется в качестве топлива для печей.

Катализаторы

Наиболее часто используемыми в промышленности катализаторами для процесса паровой конверсии являются катализаторы на основе никеля, однако в ряде специфических процессов допускается использование благородных металлов платиновой группы.

Технологическая схема

В состав установки производства водорода входят следующие блоки и узлы:

• блок подготовки и очистки сырья;
• блок предриформинга;
• блок парового риформинга;
• блок конверсии и охлаждения конвертированного газа;
• блок очистки водородсодержащего газа по технологии КЦА;
• блок утилизации тепла продуктовых потоков и дымовых газов.

Принципиальная схема установки производства водорода методом паровой конверсии 1 – печь риформинга; 2 – реактор гидрообессеривания; 3 – адсорберы; 4 – реактор предриформинга; 5 – реактор конверсии СО; 6 – блок короткоцикловой адсорбции (КЦА)

Очистка сырья

Природный газ поступает в подогреватель, нагревается до температуры 40 °С. Для гидрирования сернистых соединений, содержащихся в сырье, до серо­водорода, требуется небольшое количество водорода.

С этой целью часть водоро­да, полученного на установке, подается в качестве рециркуляционного водорода в поток сырья. Смесь сырья и рециркулирующего водорода, последова­тельно поступая в теплообменники, нагревается до температуры 380 °С, необходимой для предварительной очистки сырья.

Подогретая газосырьевая смесь поступает в реактор гидрообессеривания, где происходит гидрирование соединений серы до H₂S. Газосырьевая смесь из реактора последо­вательно проходит через адсорберы, где происходит улавливание хлоридов (НСl) и сернистых соединений (H₂S). В каждом из этих реакторов имеется три слоя катализатора:

• модифицирован­ный оксид алюминия для удаления НСl,
• оксид цинка,
• слой специального катализатора для эффективного и глубо­кого удаления H₂S.

Предриформинг

Очищенная газосырьевая смесь смешивается с перегретым паром высокого давления. Соотношение расходов регулируется с поддержанием заданного мольного соотношения водяного пара и углерода. Величина значения этого соотношения зависит от типа сырья, подаваемого на установку.

Далее парогазовая смесь нагревается до температуры реакции 475 °С – 500 °С, в змеевике подогрева сырья предриформинга, расположенном в конвек­ционной секции печи парового риформинга и направляется в реактор пред­риформинга.

Предриформинг служит для превращения тяжелых углеводородов, содер­жащихся в сырье, в метан, а также для частичного проведения реакций рифор­минга, при этом эффективность процесса повышается.

В зависимости от типа перерабатываемого сырья, может наблюдаться уве­личение или снижение общей температуры по реактору. Так при переработке бен­зинов увеличивается общая температура по реактору, за счет преобладания про­текания реакций с экзотермическим эффектом, а при переработке природного газа температура по реактору падает, за счет протекания реакций с эндотермическим эффектом.

Риформинг

Парогазовая смесь нагревается до температуры 650 °С в змеевике по­догрева сырья риформинга, расположенном в конвекционной секции печи парового риформинга, и затем поступает в коллектор, расположенный в радиантной секции печи парового риформинга.

В радиантной секции печи парового риформинга смесь сырья и пара посту­пает в катализаторные трубы, находящиеся в радиантной секции печи парового риформинга Н-1, проходит сверху вниз катализаторные трубы. В результате реак­ции, протекающей на катализаторе, загруженном в катализаторные трубы, полу­чается равновесная смесь, состоящая из Н₂, СО, СO₂, СН₄ и Н2O.

Для предотвращения образования кокса и отложения его на катализаторе технологический пар подается в избытке, превышая стехиометрическое количест­во, требуемого на реакцию.

Полученный конвертированный газ (парогазопродуктовая смесь) выходит из печи парового риформинга при температуре 888 °С и далее направляется в те­плообменник. В теплообменнике происходит охлаждение питательной воды до температуры 320-343 °С, регенерированное тепло используется для генериро­вания насыщенного пара высокого давления.

Общий тепловой эффект реакций парового риформинга является в сильной степени эндотермическим, поэтому для достижения требуемой степени конверсии необходим подвод тепла.

Конструкция печи парового риформинга

Печь имеет сложную конструкцию, разработанную с уче­том технологических требований процесса с целью обеспечения безопасной экс­плуатации и хорошими технико-экономическими показателями. Для обеспечения расчетной степени конверсии без перегрева внешней поверхности поддерживает­ся необходимая температура газа в катализаторных трубах. Благодаря небольшо­му диаметру труб увеличивается площадь теплообменной поверхности и улучша­ется перемешивание газа в слое катализатора. В результате печи риформинга ра­ботают при максимальных давлениях и температурах.

По конструкции печь состоит из двух одинаковых радиантных камер, рабо­тающих параллельно, и расположенной над ними общей конвекционной камеры. Процесс паровой конверсии метана осуществляется в реакционных трубах при температуре 780-888 °С за счет внешнего обогрева.

Конверсия окиси углерода и охлаждение синтез-газа

Водородсодержащий газ после парового риформинга и охлаждения поступает в реактор высокотемпе­ратурной конверсии, где избыточный пар превращает большую часть СО в С0₂ и Н₂ при прохождении через слой катализатора.

Синтез-газ, подвергнутый конверсии, охлаждается, отдавая тепло потокам системы выработки водяного пара. Далее частично охлажденный синтез-газ поступает в воздушный, а затем на доохлаждение в водяной холодильник, где охлаждается до температуры 35 °С и поступает в сепаратор для разделения смеси на неочищенный водород и технологический конденсат.

Технологический конденсат смешивается с химочищенной водой, посту­пающей из сетей завода и направляется в деаэратор, а неочищенный водород подается в блок короткоцикловой адсорбции.

Короткоцикловая адсорбция водородсодержащего газа

Поток неочищен­ного водородсодержащего газа поступает в блок короткоцикловой адсорбции (КЦА), где происходит удаление примесей в процессе циклической адсорбции. Для выполнения заданной степени концентрирования водорода и удаления при­месей в процессе используются многочисленные адсорбционные слои. Принятая схема блока позволяет извлечь водород с концентрацией 99,5 % (об.) из кон­вертированного газа, а сбросной газ направляется в качестве топлива в реакторную печь.

В блоке КЦА происходит очистка конвертированного водородсодержащего газа от примесей метана, окислов углерода путем адсорбции загрязнений на ад­сорбенте при высоком давлении и десорбции при низком давлении.

Блок утилизации тепла дымовых газов

В блоке утилизации тепла дымовых газов и продуктовых потоков произво­дится водяной пар высокого давления за счет охлаждения дымовых газов и про­дуктовых потоков. Одновременно с этим предусмотрено использование тепла дымовых газов для нагрева питательной воды, перегрева производимого водяного пара и подогрева воздуха, подаваемого к горелкам печи.

Материальный баланс

Наименование продукта	Измерение	Сутки
	един.	итого	%
Входы
Сырьевой газ	т	276,00	22,30
Расход пара ВД в предриформинг	т	633,60	51,20
Расход пара ВД в риформинг	т	327,90	26,50
Сумма сырья	т	1 237,50	100,00
Выходы
Водород с установки	т	89,70
Расход отдувочного газа с блока КЦА на печь	т	605,10
Расход технологического конденсата	т	542,70
Сумма продуктов	т	1 237,50

Достоинства и недостатки

Недостатки

• Высокие выбросы дымовых газов в атмосферу
• Высокие капитальные затраты
• Высокая стоимость перегретого водяного пара

Достоинства

• Наиболее проработанный и распространенный вид производства водорода в нефтехимической промышленности
• Относительно низкие температуры процесса
• Вариативность проекта установки в зависимости от требований заказчика

Существующие установки

Спрос на водород растет в связи с переходом на потребление более чистых и легких нефтяных топлив, в то время как нефтяное сырье становится все тяжелее. В связи с этим трудно представить современный НПЗ без установки производства водорода. УПВ может отсутствовать только в составе НПЗ, работающих по профилю первичной переработки нефти. Стоит отметить, что для производств, обладающих развитой архитектурой вторичных процессов, ресурсов одной УПВ может быть недостаточно.

Источник

Технология получения синтез-газа паровой конверсией углеводородов

Авторы: С.В. Афанасьев (Тольяттинский государственный университет), О.С. Рощенко (ОАО «Тольяттиазот»), С.П. Сергеев (ОАО «ГИАП»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №6/2016

Cинтез-газ является смесью водорода и оксида углерода и широко используется в химической промышленности для получения базовых продуктов – аммиака, метанола, уксусной кислоты и др. Кроме того, он применяется в качестве экологически чистого источника тепловой энергии.

Сегодня существуют три основных метода производства синтез-газа. 1. Газификация угля. Данный процесс основан на взаимодействии каменного угля с водяным паром и протекает по формуле

Приведенная реакция является эндотермической, и равновесие при температуре 900…1000°С сдвигается вправо. Разработаны различные технологические процессы, использующие парокислородное дутье, благодаря которому наряду с упомянутой реакцией параллельно протекает экзотермический процесс сгорания угля, который обеспечивает необходимый тепловой баланс. 2. Конверсия метана – взаимодействие водяного пара и метана при повышенных значениях температуры и давлении в присутствии никелевых катализаторов (Ni–Al2O3):

CH4 + H2O → CO + 3H2.

Вместо метана можно использовать любое сырье, содержащее углеводороды. 3. Парциальное окисление углеводородов. Данный процесс, происходящий при температурах выше 1300°С, заключается в термическом окислении углеводородов:

CnH2n +2 + 1/2nO2 → nCO + (n + 1)H2.

Настоящее исследование посвящено усовершенствованию промышленного способа получения синтез-газа, обогащенного водородом и монооксидом углерода, путем каталитического риформинга углеводородсодержащего сырья в трубчатых реакторах с использованием катализаторов определенной конструктивной формы с целью внедрения на крупнотоннажных производствах аммиака, метанола, уксусной кислоты и водорода.

При осуществлении указанного процесса реализуются следующие эндои экзотермические реакции:

СnHm + nH2O → nCO + (n + m/2)H2 (–ΔHо 298 Способ осуществления парового риформинга Пеепад давления, МПа Температура, °С Содержание СН4 на выходе,

% Температура стенок труб, °С Удельный расход топливного газа на конверсию 1 м3 природного газа, м3/м3 Вход/Выход Пример №1 0,15 460/780 7,2 850 0,75 Пример №2 – прототип [6] 0,18 460/770 8,7 850 0,88 Пример №3 0,13 460/765 6,5 830 0,70 Пример №4 0,16 460/760 8,0 830 0,80

Как видно, по сравнению с известным методом наблюдается снижение содержания метана в вырабатываемом синтез-газе, что указывает на повышение активности катализатора.

Согласно выполненным кинетическим и теплофизическим расчетам, установка в печи риформинга реакционных труб с уменьшенным внутренним диаметром (101 мм) позволит снизить температуру конвертированного газа и содержание остаточного метана, существенно повысить производительность установки по синтезгазу (табл. 2).

Параметры работы печи риформинга с реакционными трубами разного диаметра

Производительность, т/сутки	1950…2000	1750…1800	1440	1440 (база)
Внутренний диаметр трубы, мм	101	101	102	89
Температура конвертированного газа, °С:
в центре трубы	718,5	721,1	732,1	732,9
у стенки	743,5	745,8	755,6	752,4
Линейная скорость, м/с:
в центре трубы	2,233	2,084	1,996	2,536
у стенки	2,288	2,126	2,002	2,549
Содержание метана в сухом газе на выходе из трубы, мол. %	13,2557	12,1942	11,7262	12,6346
Соотношение пар : газ на выходе из реакционной трубы	0,8831	0,8533	0,8009	0.8260

Выводы

Использование предлагаемого технического решения позволяет улучшить теплоперенос через стенку труб в печи риформинга и как результат снизить разность температур между их наружной поверхностью и выходящим синтез-газом. Одновременно с этим удается уменьшить перепад давления по катализаторному слою, сократить расход топливного газа на проведение конверсии, увеличить выработку синтез-газа на агрегатах аммиака.

Источник