CC BY
191ОПЫТ
Охлаждаемые газовые реакторы -опыт десятилетий подтверждает качество
М.Х. СОСНА, РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. И.М. ГУБКИНА Н.Ю. ШОВКОПЛЯС, ООО «ФАРНЕТ МЕДИАСЕРВИС»
Основное отличие проведения парокислородной автотермической каталитической конверсии по схеме с охлаждаемыми газовыми реакторами заключается в том, что тепло конвертированного газа, выходящего из шахтного конвертора, используется для проведения эндотермической реакции паровой конверсии, протекающей в трубчатом реакторе.
IGCF41
В мае 1988 г. на площадке ПО «Гродно Азот» впервые в мировой практике была пущена в эксплуатацию опытно-промышленная установка производства синтез-газа из углеводородов, работающая по схеме с охлаждаемыми газовыми реакторами производительностью 16 000 нм3/час природного газа [1].
К этому времени в ПО «Гродно Азот» более 15 лет находились в эксплуатации две установки автотермической парокислородной конверсии природного газа, работающие под давлением 20 атм. Получаемый на данных установках конвертированный газ использовался для производства аммиака. На этом же предприятии были пущены две очереди производства капролактама, для выпуска которого технологически необходим водород.
В качестве источника для производства водорода и использовался конвертированный газ после парокислородной конверсии. Вынужденный частичный отбор конвертированного газа и ограничения по наличию технологического кислорода на промплощадке привели к снижению выпуска аммиака, что сказалось на экономических показателях ПО «Гродно Азот».
Строительство опытно-промышленной установки с использованием газо- и кислородосберегающей технологии, в сравнении с эксплуатировавшейся на площадке технологией, позволяло не только решить задачу производства дополнительного объема водорода для капролактама, но и интенсифицировать производство аммиака.
Суть парокислородной автотермической каталитической конверсии
природного газа заключается в проведении гетерогенной химической реакции конверсии метана с водяным паром за счет тепла, выделившегося при взаимодействии части исходного метана с кислородом (рис. 1). Реакция конверсии метана протекает в температурном диапазоне 850-980 °С. Обязательным условием проведения процесса автотермической конверсии является равенство сумм энтальпий входящих и выходящих из установки конверсии технологических потоков.
На практике при проведении процесса автотермической каталитической конверсии в шахтных реакторах температура конвертированного газа на выходе из реактора находится в интервале 850-970 °С [2,3,4,5].
Основное отличие проведения парокислородной автотермической каталитической конверсии по схеме
38 ГАЗОХИМИЯ
■ НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.GAZOHIMIYA.RU
ОПЫТ
Рис. 1
Схема движения газовых потоков процесса автотермической конверсии, проводимой в шахтном реакторе
.Пар +
конверсию + пар Смеситель
Катализатор
' —Л
....да* ■О ч'1'/
V С Т
Конвертированный
газ t « 950 °C
W
с охлаждаемыми газовыми реакторами заключается в том, что тепло конвертированного газа, выходящего из шахтного конвертора, используется для проведения эндотермической реакции паровой конверсии, протекающей в трубчатом реакторе (рис. 2). Такой технологический прием позволяет уменьшить количество тепла, подводимого к реагирующей смеси за счет сжигания, и тем самым сокращает как расход кислорода, так и удельный расход углеводородов на 1000 нм3 смеси Н2 + СО.
При сохранении условий осуществления сравниваемых процессов удельный расход кислорода получается на 35 %, а природного газа на 11,2 % ниже в схеме с охлаждаемыми газовыми реакторами, чем в процессе с шахтными реакторами.
Ключевым моментом в промышленной реализации нового технологического процесса являлась отработка конструктивных элементов принципиально нового типа аппарата, каким являлся трубчатый конвертор, предназначенный для осуществления процесса паровой конверсии в реакционных трубах, загруженных никелевым катализатором за счет тепла возвращаемого из шахтного конвертора технологического потока горячего конвертированного газа. Особенностью трубчатого конвертора (рис. 3) в сравнении с традиционной трубчатой печью является то, что греющий поток находится под давлением, близким давлению технологического газа в реакци-
Схема движения газовых потоков процесса автотермической конверсии, проводимой в охлаждаемых газовых реакторах
Природный газ + пар
Конвертированный
газ
Кислород + пар
Рис. 2
онных трубах, что позволяет использовать реакционные трубы с малой толщиной стенки и изготавливать трубы из стали с меньшим содержанием никеля и кремния.
Помимо трубчатого конвертора ключевыми узлами, обеспечивающими высокую надежность работы опытнопромышленной установки, являются:
• кислородный смеситель шахтного конвертора;
• передаточные и соединительные коллекторы между шахтным и трубчатыми конверторами;
• компенсационные узлы удлинения реакционных труб;
• пусковая горелка для запуска установки.
Все перечисленные элементы показали надежную работу, подтвердившую правомочность выбранных на стадии опытной установки конструктивных решений. Все они работали в течение 19 лет без существенных конструктивных изменений до первого капитального ремонта, в результате которого был заменен трубчатый пучок в трубчатом конверторе.
Замена трубчатки была проведена в течение планового капитального ремонта.
Одним из вопросов, представляющих наибольший интерес при эксплуатации установок, работающих при давлении и температурах теплоносителей с высоким содержанием оксида углерода, является возможность протекания нерегулируемого процесса, называемого «metal dusting».
ГАЗОХИМИЯ 39
ОПЫТ
Рис. 3
Трубчатый конвертор
I
Катализатор
Суть этого явления заключается в образовании металлической пыли и резкого утончения и разрушения узлов из высоколегированных металлов.
Данный процесс наблюдался в первых агрегатах производства метанола, использующих на стадии конверсии углеводородов двухступенчатую парокислородную конверсию с трубчатой печью. Поскольку данное явление еще было недостаточно изучено, на первых установках не были приняты превентивные меры, к числу которых можно отнести аллитирование. Из-за возможной опасности разрушения трубчатки было решено постоянно проводить контроль качества поверхности и наблюдения за толщиной стенки реакционных труб. В течение всего периода эксплуатации первого трубчатого пучка осуществлялась выемка отдельных реакционных труб и проведение анализа состояния металла. Результаты проведенной работы показали отсутствие явления «metal dusting», но одновременно было отмечено медленное образование углерода с отложением диоксида углерода [6] на наружной поверхности реакционных труб и внутренней поверхности чехлов слоя железа, способствовавшего ограниченному протеканию реакции конверсии оксида.
Основной вывод, сделанный после двадцатилетнего опыта эксплуатации установки с газовым реакторами, -
их высокая надежность и возможность длительной эксплуатации. Это позволило с 1998 г. приступить к тиражированию отработанной конструкции. Также было решено на базе технологии с охлаждаемыми газовыми реакторами разработать и реализовать установки производства аммиака типа Integrated KRES/KAAP Process и предложить технологию производства метанола типа LCM ICI Katalco, характеризующуюся наиболее низкой энергоемкостью производства целевого продукта при одновременном наименьшем расходе исходного углеводородного сырья.
По нашему мнению, применение технологии конверсии с охлаждаемыми газовыми реакторами наиболее перспективно при создании многотоннажных установок производства диметилового эфира и синтетического жидкого топлива на основе процесса Фишера - Тропша. Помимо упомянутых преимуществ по энергоемкости и расходу природного газа, технология с охлаждаемыми газовыми реакторами позволяет существенно упростить технологическую схему всего производства, ибо обеспечивает достижение величины функционала f = 2,1 наиболее простым способом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Sosna M., Bondar I., Gunko B., Grotz B.J. History of development of
the TANDEM reforming process, Report at the American Institute of Chemical Engineers, 1993, Ammonia Safety Symposium, Orlando, Florida,
September 13-16, 1993.
2. Appl M. Ammonia, Methanol, Hydrogen, Carbon monoxide. Modern Production Technologies, Published by Nitrogen. 1997, CRU Publishing Ltd., London, 140 p.
3. Лейбуш А.Г., Семенов В.П., Казарновский Я.С., Кархов Н.В.
Производство технологического газа для синтеза аммиака
и метанола из углеводородных газов. - М.: Химия,
1971. - 288 с.
4. Гущин А.Д., Семенов В.П., Каталитическая конверсия природного газа: Памятка аппаратчику. - М.: Химия, 1970. - 112 с.
5. Справочник азотчика. - Т.1, М.: Химия, 1986. - 512 с.
6. Сосна М.Х., Эвенчик Н.С., Сиротин А.В.
Конверсия монооксида углерода в межтрубном пространстве реактора паровой конверсии природного газа // ТОХТ, Т. 37, 2003. -№ 4.
40 ГАЗОХИМИЯ
