Малотоннажное производство метанола как способ повышения безопасности функционирования газодобывающих предприятий Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Вершинин Н.Н., Ананьев В.М., Кордон М.Я., Гравшенкова Е.О. МАЛОТОННАЖНОЕ ПРОИЗВОДСТВО МЕТАНОЛА КАК СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГАЗОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Безопасность функционирования газодобывающих предприятий может быть оценена величиной риска (Я). Источником риска при этом может стать любая потенциальная опасность антропогенного, техногенного или природного происхождения.

Структурная модель рисковой ситуации имеет вид: «источник риска - факторы риска - объект риска - последствия риска». Эпицентром любой рисковой ситуации является объект риска, а провоцирует ее возникновение и развитие определенная совокупность источников и факторов риска (ИФР).

В соответствии с характером объекта риска выделяются пять основных видов риска [1]: индивидуальный (здоровье, жизнь человека), социальный (общество, население), экологический (окружающая природная среда), технический (технические объекты) и экономический (имущество, капитал, деньги).

При нормальной работе газодобывающих предприятий (т.е. когда газ поступает к потребителю своевременно и в достаточном количестве) выше перечисленные виды рисков, обусловленные «газовой» составляющей, отсутствуют.

Однако недопоступление газа к потребителю становится причиной появления всех видов рисков (и наступление их последствий), одновременно.

Одной из основных причин недопоступления газа к потребителю может быть остановка (временный выход из строя) части газодобывающих скважин.

Одним из основных элементов, обеспечивающих надежное функционирование газовых скважин (особенно на Севере и в районах вечной мерзлоты, где сосредоточены основные запасы природного газа России) является метанол (метиловый спирт).

Метанол, являясь основным ингибитором гидратообразования, должен быть у газовой скважины в достаточном для применения количестве. Отсутствие его, даже некоторое время, может привести к длительной остановке скважины.

В настоящее время метанол получают преимущественно из метана и существующий способ его производства требует значительных затрат. При промышленном производстве в больших объемах метан перерабатывают в синтез-газ (СО+Н2) с последующим каталитическим превращением его в метанол [2] . В качестве катализаторов применяются оксиды цинка, хрома и др. Процесс идет при нагревании газов до 300 - 4000С и давлении 20 - 30 МПа. К недостаткам данного метода относятся:

- сложность технологического оборудования;

- большие энергозатраты на превращение метана в синтез-газ, а также многостадийность процесса;

- необходимость тщательной очистки метана от соединений серы;

нерентабельность малых производств (менее 2000 т/сут.) и др.

Поиск технологий производства метанола, повышающих экономическую эффективность и экологическую безопасность, ведется в нашей стране [2] и за рубежом [3] . В известных исследованиях использовался метод прямого окисления метана кислородом воздуха или чистым кислородом при повышенной температуре и давлении. Результаты этих исследований не внедрены в производство из-за малого выхода метанола, не превышающего 30г/м3 пропущенного через реактор метана. Причина состоит в том, что опыты проводились при малых концентрациях кислорода в исходной газовой смеси (2,5-7,5%). Предполагалось, что при такой концентрации можно получить наибольший выход метанола, но при этом область, соответствующая воспламенению смеси, отвергалась как взрывоопасная.

Нашими опытами установлено, что применение газовоздушной смеси и концентраций кислорода 15...20% об. позволяет получить выход метанола в расчете на 1м3 пропущенного метана за один проход (Вм, г/м3) на порядок выше. При проведении опытов выход метанола определялся по зависимости

(1>

°МТ

где См - содержание метанола в конденсате, г/л; Ук - объем наработанного конденсата, мл; Ом -

расход пропущенного через реактор метана, л/мин; Т - время, мин;

Теоретическая зависимость Вм установлена на основе решения уравнений материального баланса при следующих условиях протекания процесса окисления метана:

- конечными продуктами реакции являются СН3ОН, СО, СО2 и Н2О;

- при окислении происходит полное срабатывание кислорода и обеспечивается максимальный выход

метанола;

- процесс окисления - квазиравновестный.

В квазиравновесной постановке процесс окисления метана описывается следующей системой уравнений:

СН4 + 0,502 - СН3ОН СН4 +1,502 - СО + 2Н20 СН4 + 2О2 - С02 + 2Н20

Сложив уравнения почленно, получим:

3СН4 + 402 - СНъ0Н + С0 + С02 + 4Н20 (3)

Реальный процесс окисления метана не равновесный, поэтому и выход конечных продуктов не будет соответствовать уравнению (3). Реальный выход продуктов найдем из уравнения:

(2)

3СЯ4 + О = АСЩОН + АСО + АъСО2 + ААН2О , (4)

где Ах ,А2,Аз,А4 - коэффициенты, учитывающие реальные выходы продуктов окисления метана, определяемые опытным путем по величине Вм.

4 • 22,4

°2

,ґ о2л 1-----2-

= 89,6

О2 0,21

(5)

0,21

где О - концентрация кислорода в исходной газовой смеси;

В реакции (4) получено метанола Аі-3.2кг при пропуске через реактор метана в объёме, м :

02 —

1-^ - СН 4 - концентрация метана в исходной смеси.

0,21

Выход метанола находится из уравнения:

В:

32-103А

М

(

(6)

,6

О 0,21

Связь между величинами 0^ и СН 4 находится из соотношения 0г - (1 -СН4)• 0,21 (7)

Из уравнения (6) выразим коэффициент Ах в виде:

А1 = 2,8 -10 3Вм

О 0,21

(8)

На основании опытных данных выхода метанола Вм получено:

- при изменении СН 4 от 5 до 60% А1=0,56;

- при изменении СН 4 свыше 60% А1=1,4.

На рис. 1 представлена теоретическая зависимость В- f (СН 4) и опытные величины Вм при различных концентрациях метана в исходной газовоздушной смеси.

Характер поведения кривой обусловлен влиянием двух факторов:

- изменением величины коэффициента Ах, характеризующим неравномерность цепного процесса окисления;

- изменением концентрации метана в исходной газовой смеси (или 0^ ), характеризующим её со-

На выход метанола коэффициент Ах не оказывает существенного влияния при изменении СН 4 в исходной газовой смеси от 5 до 60%.

60 СИ 4, %

Рис. 1. Зависимость ВМ = f {СИ4) :

- расчетная кривая; о - экспериментальные данные

Область экономически выгодного режима окисления метана кислородом воздуха соответствует концентрации метана в исходной газовой смеси от 5 до 15%, при этом достигается выход метанола от 250г/м3 и более. Таким образом, опыты свидетельствуют о значительном повышении выхода метанола, более рациональном использовании сырья, экологическом и экономическом достоинстве технологии.

Заводы, производящие метанол, расположены, как правило, в центральных районах страны, вследствие чего метанол приходится перевозить на значительные расстояния. Отсутствие путей завоза в район расположения газодобывающих скважин (особенно в зимнее время) приводит к необходимости создания его значительных запасов.

При существующем способе производства метанола, в силу выше-указанных причин, невозможно его малотоннажное производство в местах непосредственной добычи газа.

Величина риска (Янм), характеризующая возможность остановки скважин, вследствие недопоставки метанола к местам газодобычи может быть оценена зависимостью:

оп - о3 °

КНМ— -1 -— , (9)

&п

где Єз - количество поставленного метанола (за рассматриваемый период времени).

Єп - потребное количество метанола (за тот же период времени).

Недопоставка метанола (Єп - Є3) может возникнуть вследствие аварий на заводах, производящих метанол, или нарушений (затруднений) в сфере грузоперевозок, а также возникновения пожаров в местах хранения запасов метанола и других причин. Особенно опасным фактором риска может быть длительная остановка завода, производящего метанол (в результате, например, террористического акта, или стихийного бедствия), поскольку величина ущерба будет расти пропорционально времени существования рисковой ситуации. Причем, если на начальных этапах эта зависимость будет линейной, то с

увеличением времени, зависимость недопоставок энергоносителей может принимать не линеиныи характер, а величина ущерба будет переходить в область необратимых последствий.

Способом предотвращения возникновения данного риска может быть организация производства метанола непосредственно в местах добычи газа. Это достигается путем включения в систему газодобычи установок для малотоннажного производства метанола [4]. Являясь частью общей системы газодобычи и надежность, сопоставимую с надежностью работы всей системы, данные установки полностью обеспечат газовые скважины метанолом и будет обеспечено условие Ким = 0.

Малотоннажная установка для производства метанола использует способ получения метанола путем прямого окисления природного газа (неочищенного) кислородом воздуха (способ исследован авторами и описан выше). Производительность одной установки может составлять 0,5 - 1,5 т/сут (и более) по товарному метанолу.

На рис. 2 показана схема функционирования установки для малотоннажного производства метанола (УПМ) в системе добычи газа.

Рис. 2. Схема функционирования УПМ в системе добычи природного газа: 1,2,3,1,1+1,Ы - номера

газовых скважин; СП - сборный пункт; УПМ - установка для малотоннажного производства метанола; РЕ - резервная емкость; - газопроводы; -------- трубопроводы подачи метанола к газовым скважинам

Имеется группа скважин (1, 2, 3,..,Ы), газ из которых поступает на сборный пункт (СП) и далее в газовую магистраль.

Установка (УПМ) размещается на сборном пункте (СП) и в процессе работы обеспечивает подачу метанола по трубопроводам к газовым скважинам. Излишки метанола накапливаются в резервной емкости (РЕ) и используются по мере надобности.

Рассмотрим рисковую ситуацию, в которой в качестве факторов риска выступают потери метанола (Сп- Gз) , при его перевозке и хранении.

Вероятность невозникновения потерь при перевозках и хранении метанола в общем виде будет иметь вид:

р = f (x,G), (10)

где х - расстояние на которое перевозят метанол; О - масса хранимого метанола.

Очевидно, что

р = р(х) • р(G) , (11)

где р(х) - вероятность невозникновения потерь метанола, обусловленных величиной расстояния на которое он перевозится;

р(С) - невозникновения потерь метанола, обусловленная величиной его массы при хранении.

Очевидно, что:

При х = 0 р(х) = 1, при х = го р(Х) = 0.

При С = 0 р(С) = 1, при С = го р(С) = 0.

Следовательно, величины р(х) и р(С) могут быть апроксимированы зависимостями:

/ \ @уХ ]

р( х) = е х I

(12)

р(С) = е

где ак и ае - коэффициенты, характеризующие уровень безопасности при транспортировке и хранении метанола.

Из (11) с учетом (12), получим:

—ахх —асР —{ахх+^р)

р = е х • е G = е

(13)

где у=ахх+ао0 - показатель безопасности при перевозке и хранении.

Поскольку 0з=0пр, то из (9) с учетом (13), получим:

Кнм=1-е-у. (14)

На рис.3 представлена зависимость RИм=f(у) . Из анализа графической зависимости, следует, что с ростом дальности перевозки и массы хранимого метанола, риск возникновения опасности остановки добычи газа резко увеличивается.

0 1 2 3 y

Рис. 3. Зависимость RHM=f (у)

Исключение данного риска в полном объеме (RHM=0) может быть достигнуто путем использования установок для малотоннажного производства метанола, располагаемых в месте непосредственной добычи природного газа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хозьянков А.Ф., Онищенко В.Я. Некоторые подходы к анализу и оценке рисков // БЖД, №3, 2009, с. 2...5.

2. Крылов О.В. Парциальное каталитическое окисление метана в кислородосодержащие соединения //Успехи химии, вып. 11, 1992, с.2041-2061.

3. Brown M.J, Parkins N.D. // Catalysis Today, 1991, VB.P305.

4. Волков В.Н., Кордон М.Я., Ананьев В.М. и др. // Ресурсосберегающая технология малотоннажного производства метанола путем окисления метанола и его гомологов. - Монография - Пенза, 2003, с.137.