CC BY
203
УДК 661.961.621.2
Л. Ф. Гайнанова, И. З. Илалдинов 3D ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКОГО ВОДОРОДА
ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНА
Ключевые слова: паровая конверсия метана (ПКМ), технический водород.
В данной работе рассматривается возможность модернизации установки паровой конверсии метана и производства технического водорода с повышенным содержанием водорода, благодаря дополнительной переработке непрореагировавшего водородсодержащего газа (ВСГ). Спроектирована технологическая схема и разработана 3D модель: оборудования, трубопроводов и металлоконструкций с использованием программы AutoCAD Plant 3D.
Keywords: steam reforming of methane, hydrogen technical.
In this paper we consider the possibility of upgrading the installation of methane steam reforming and hydrogen production technical with a high content of hydrogen, due to additional recycling unreached hydrogen-containing gas (HCG). Designed and developed flow sheet 3D model: equipment, piping and structural steel, using the program AutoCAD Plant 3D.
Введение
Производство технического водорода является одним из приоритетных направлений развития химической промышленности. Водород играет важную роль в производстве аммиака, метанола, мыла, пластмасс [1]. Также он является важным продуктом при создании моторного и дизельного топлива. В большенствое случаев водород получают в видесинтез-газа - смесь водорода и окиси углерода [2]. Промышленное производство сиетез-газаосновано на трех хорошо известных методах.
1) Газификация угля. Исходным сырьем является каменный уголь. Реакция протеекает при температуре 900-1000°С
С+^О^+СО
2) Парциальное окисление углеводородов
СпН2п+ 2 + 1/2п02 ^ пСО + (п + 1)Н2
Данный способ применим к любому сырью, содержащему углеводороды, но наиболее часто используется высококипящая фракция нефти -мазут [3].
3) Паровая конверсия метана (ПКМ). Здесь сырьем является природный газ, который почти полностью состоит из метана. Паровая конверсия метана (ПКМ) проводят в печах риформинга при температуре 750 — 900°С по следующей схеме:
СН4+Н2О (пар) Н2+СО.
В данной реакции происходит неполное окисление метана. Окись углерода, образованная в качестве побочного продукта, может быть переработана в водород и двуокись углерода при помощи водяного пара по реакции:
СО + Н2О ^ СО2 + Н2
Этот процесс дает дополнительный выход технического водорода, что увеличит выход продуктового водорода.
В конечном счете, остается только очистить технологический газ от примесей - двуокиси углерода, непрореагировавшего метана и окиси углерода.
В этом процессе особое внимание необходимо уделить тому, чтобы не происходило закоксовывание никилевого катализатора. Соотношение водяного пара и углерода необходимо поддерживать в пропоции 2/1, но во избежание образования углерода необходимо увеличить это соотношение до 2,2/1.
Основным критерием ПКМ является надежность, безопасность и простота эксплуатации. Поэтому этот метод получил наибольшее распространение в промышленности, как в России, так и за ее пределами [4].
Производство технического водорода этим методом освоено на заводе ОАО «Танеко» г. Нижнекамск. Здесь получаемый
водородсодержащий газ (ВСГ) в дальнейшем отправляется на установку гидрокрекинга. Пройдя реактор гидрокрекинга, газовая смесь отправляется в сепаратор, где отделяется от не прореагировавшегося ВСГ, После чего часть отправляется на факел. ВСГ на 97,14 % состоит из водорода, а остальная часть примеси - метан, двуокись углерода и окись углерода. Если эту часть ВСГ отправить в узел короткоцикловой адсорбции для дальнейшей очистки водорода, то это позволит увеличить выход водорода в 1,5 раза и уменьшить потребления природного газа. Для этого необходимо увеличить число адсорберов для соответствия требованиям чистоты получаемого водорода. Затраты для этого оборудования окупятся в течение двух лет эксплуатации.
Описание процесса проектирования
На первом этапе работы была подобрана часть площадки всей установки паровой конверсии метана и составлена Р1&Б-схема в программе AutoCAD PI&D, в котором отражаются автоматизация всего оборудования.
Сырье поступает в секцию по трубопроводу в компрессор U0001, из которого выходит с давлением 40 бар. Природный газ содержит соединения серы, отравляющие катализатор риформинга. Поэтому сырье
направляется в отделение обессеривания, предварительно нагреваясь дымовыми газами в змеевике подогрева сырья Е0004 секции рекуперации тепла печи риформинга, до температуры 380°С. Процесс сероочистки осуществляется в две стадии. В реакторе R0001 происходит гидрирование сераорганических соединений, поглощение сероводорода
осуществляется в реакторах R0002, включенных последовательно.
Очищенный сырьевой газ поступает на смешение с технологическим водяным паром.
Паро-газовый поток поступает для предварительного подогрева в змеевик подогревателя сырья предриформинга Е0002 конвективной зоны печи. Необходимое соотношение пар/углерод при нормальном режиме работы равно 2,2/1.
Прошедшая подогрев смесь направляется в реактор предриформинга R0003. Температура потока на входе в предриформинг составляет 490°С и регулируется за счет впрыска котловой питательной воды или технологического конденсата в перегретый пар до точки смешения с сырьем. Однако использование питательной котловой воды должно быть сведено к минимуму, т.к. она может содержать каталитические яды.
Предварительно конвертированный газ после нагревава в змеевике Е0001 отделения рекуперации тепла отходящих газов Н0001 далее распределяется по катализаторным трубам радиантной секции печи риформинга.
Выходящий из печи технологический газ с температурой 915°С, отдает свое тепло на выработку пара в котле-утилизаторе В0001, где охлаждается до 280°С и поступает в реактор конверсии окиси углерода R0004. Из реактора R0004 технологический газ с температурой 330°С поступает в узел утилизации тепла. Технологический газ охлаждается в подогревателе питательной воды Е0006, в змеевике деаэратора Е0007, в подогревателе деминерализованной воды Е0008 до температуры 33 °С.
После отделения влаги в сепараторе технологического конденсата D0001 газ поступает в систему очистки водорода КЦА.
Технологический газ содержит около 25% примесей, в основном СО2. В узле КЦА происходит окончательная очистка газа от примесей метана, окислов углерода путем адсорбции загрязнений на адсорбенте при высоком давлении и десорбции при низком давлении.
В этот же узел можно отправить дополнительный поток ВСГ на очистку.
Выходящий из адсорберов газ с температурой 38°С представляет собой водород высокой степени чистоты - 99.9% мол. Степень извлечения водорода составляет 89%. Полученный технический водород выводится по трубопроводу в секцию гидрокрекинга, небольшая его часть используется на производстве водорода для обессеривания сырья.
После в процессе моделирования в программе AutoCAD Plant 3D было построено трехмерное изображение установки паровой конверсии метана. При этом нужно отметить, что AutoCAD PI&D и AutoCAD Plant 3D входят в одну поставку. Они работают в одном диалоговом окне, запускаясь из соответствующего раздела диспечера проектов.
Рис. 1 - Технологическая схема
Рис. 2
б
в
Таким образом, в данной работе былопредложено вести дополнительный поток непрореагировавшего водородсодержащий газ на очистку в узел короткоцикловой адсорбции на установке паровой конверсии метана, что способствует увеличению продуктового водорода. Это предложение позволит увеличить производство технического водорода при не большой модернизации существующей установки в 1,5 раза без дополнительного потребления природного газа. Была спроектирована технологическая схема с использованием программы и разработана 3D модель: оборудования, трубопроводов и металлоконструкций, используя программы AutoCAD Plant 3D.
Литература
1. Н-водород//Ьйр://%г%'%г.%геЬе1етеп18.паго11ги
2. Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, А.Р. Садртдинов, Д.Б. Просвирников Разработка технологии переработки высоковлажных древесных отходов в высокооктановые компоненты моторного топлива. // Вестник Казан.технол. ун-та-2013.-№7.-С.250-254.
3. Синтез газ: способы получения, производство, состав и применениеМ1р:/МЬо.ги/
4. С.Г. Смердова, В. Небурчилов, О.Ю. Каргина Разработка и получение катализатора для водородных топлив элементов в институте иноваций топливных элементов. //Вестник Казан.технол. ун-та-2012.-№10.-С.71-73.
© Л. Ф. Гайнанова - магистр каф. технологии основного органического и нефтехимического синтеза КНИТУ; И. З. Илалдинов - к.х.н., доц. каф. технологии основного органического и нефтехимического синтеза КНИТУ, [email protected].
