CC BY
69
УДК 519.673:620.9.97
Басос А. Г., Проскуро Е. А., Сафонова В. Д.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 , корп. 1 *e-mail: ekaterina.proskuro@mail.ru
РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ КОНВЕРСИЕЙ МЕТАНА
Разработана и реализована компьютерная модель технологической схемы получения синтез-газа окислительной конверсией метана с применением комплекса программ СЫЕМСЛБ. Данная компьютерная модель технологической схемы может быть использована для решения задач энергоресурсосбережения при оптимизации производств, использующих синтез-газ.
Ключевые слова: модель, моделирование, комплекс программ, конверсия, метан
. Синтез-газ, являющийся сырьём для получения синтетического жидкого топлива (СЖТ), метанола и др. кислородосодержащих органических соединений получается в результате конверсии углеводородного сырья: природного газа, коксового газа, жидких углеводородов (нефти, мазута, легкого каталитического крекинга), попутного нефтяного газа, сланцевого газа, а также твердого топлива (угля). Этот газ можно получить почти из всех видов сырья, используемого при получении водорода, например, в процессах синтеза аммиака или гидрирования жиров [1]. Поэтому производства различных органических продуктов из синтез-газа могут базироваться на тех же сырьевых ресурсах, что и производство аммиака. Использование того или иного вида сырья для синтеза продуктов из синтез-газа определяется рядом факторов, но, прежде всего его запасами и себестоимостью в выбранной точке строительства В настоящее время синтез-газ, в основном, получают из природного газа парокислородной, а также углекислотной конверсией. Синтезы химических веществ из синтез-газа приобретают особое значение в последние годы ввиду ограниченности мировых запасов нефти и роста спроса на нефтепродукты [2].
Необходимо отметить, что современные создаваемые проекты уже предусматривают на одном производстве комплексную переработку синтез-газа, т. е. реализуются принципы организации гибридных безотходных или малоотходных технологий.
Существуют два основных направления развития химии и технологии процессов на основе синтез-газа:
а) Повышение эффективности рассматриваемого процесса за счёт создания новых высокоселективных и активных катализаторов для проведения синтезов на основе синтез-газа [1].
б) Совершенствование технологий превращения оксидов углерода и водорода на уже
созданных катализаторах на принципах оптимальных энергорсурсосберегающих
технологических схем химических производств.
Одним из инструментов решения последней задачи является комплекс программ СЫЕМСЛБ, посредством которого строятся адекватные компьютерные модели различных химических производств [1-2].
Работы [1-2] посвящены разработкам компьютерных моделей производств СЖТ и метанола из природного газа. В данных работах проведено компьютерное моделирование технологического узла получения синтез-газа -отделения парокислородной конверсии (получения газа конверсии метана, т. к. мольное отношение водород/угарный газ - 3/1). Однако, вопрос разработки компьютерной модели крупнотоннажной технологической линии получения смешанного газа (мольное отношение водород/угарный газ - 2/1) требует дополнительного рассмотрения. В силу того, что данный процесс является энерго- и ресурсоёмким, поэтому даже незначительное сбережение энергии и ресурсов может обеспечить существенный экономический эффект.
В рассматриваемой работе решается задача применения комплекса программ СЫЕМСЛБ для построения компьютерной модели
технологической схемы получения синтез-газа из из метана методом кислородной конверсии, которая может быть использована для модернизации и оптимизации технологических схем производств, использующих в качестве промежуточного продукта синтез-газ, с учётом различных аспектов, связанных с технологическими, экологическими и др. показателями работы.
Для решения поставленной задачи с применением моделирующей программы СЫЕМСЛБ необходимо:
• идентифицировать химические реакции на различных стадиях производства иадекватно
реализовать их в расчетных модулях программы (при ограниченном наборе исходных данных);
• с применением стандартных расчетных модулей комплекса программ СНЕМСАБ, реализовать на компьютере:
а) сложные химические, тепловые и массообменные процессы, протекающие в различных аппаратах (единицах оборудования) производства;
б) технологическую схему получения синтез-газа из метана;
• найти оптимальный способ представления технологической схемы производства, включающий четыре стадии, большое число аппаратов, а также множество рециклических материальных и тепловых потоков.
Блок-схема блочной компьютерной модели технологического узла получения синтез-газа из метана приведена на рисунке 1.
Часть метана и кислорода подаются в камеру сгорания (рис. 1, модуль 3) . Камера сгорания моделируется модулем расчета химического реактора в адиабатическом тепловом режиме. В камеру сгорания подается 297 кмоль/ч метана и 25 кмоль/ч кислорода. Горение метана протекает в соответствии с уравнением:
Ш4 + O2 ^ CO2+H2O (1)
Остальная часть метана и кислорода смешивается с выходным потоком камеры сгорания и подается в «диск-реактор» (метан и кислород предварительно подогреваются в теплообменниках 5 и 8). При смешении перед реактором температура не должна превышать 490 0С. В реакторе получения синтез-газа протекают следующие реакции - экзотермическая ракция горения метана в соответствии уравнению (1), а также эндотермические реакции углекислотной и паровой конверсии метана:
Ш* + ТО2 ^ 2ТО+2Ш (2)
Ш4 + H2O ^ ТО+3Ш (3)
«Диск-реатор» получения синтез-газа моделируется модулями расчета реактора 11 и 12 с ипользованием алгоритма расчета автотермических процессов на тонком слое катализатора [3]. Результаты расчета технологической линии получения синтез-газа приведены в табл. 1-3.
Таким образом. разработанная компьютерная модель может быть применена для выявления «узких мест» и, соответственно для решения задачи оптимизации работы установки.
Таблица 1 Свойство о потоков № 1, 3 и 5.
№ потока 1 3 5
^кмоль/ч 297 25 322
V; нм3/ч 6653 560 7213
20 20 20
p;бар 1 1 1
%1;% об.
Ш4 100 0 92.24
O2 0 100 7.76
ТО2 0 0 0
H2O 0 0 0
га 0 0 0
ш 0 0 0
Таблица 3 Свойство о потоков № 6, 7 и 16.
№ потока 6 7 16
^кмоль/ч 322 380 280
V; нм3/ч 7213 8512 6272
634 20 20
p;бар 1 1 1
об.
Ш4 88.35 100 0
O2 0 0 100
га2 3.88 0 0
H2O 7.76 0 0
га 0 0 0
ш 0 0 0
Таблица 3 Свойство о потоков № 1, 3 и 5.
№ потока 11 15 12
^кмоль/ч 702 982 1610
V; нм3/ч 15725 21997 36064
t;0С 575 489 842
p;бар 1 1 1
Xi;% об.
Ш4 94.64 67.46 12.5
O2 0 28.72 0
CO2 1.79 1.27 3.1
H2O 3.57 2.55 6.3
CO 0 0 25.9
Ш 0 0 52.2
БЛОК-СХЕМА
БЛОЧНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ
т
®
Q
Рис. 1. Блок-схема блочной компьютерной модели технологической схемы получения синтез-газа. Обозначения: 1,2,6 и 10 - модули вентилей, 3, 11 и 12 - модули реакторов, 4,7 и 9 - модули смесителей, 5 и 8 - модули
теплообменников
Басос Анастасия Георгиевна студентка-дипломница кафедры информатики и компьютерного проектирования РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Проскуро Екатерина Александровна аспирантка информатики и компьютерного проектирования РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Сафонова Вера Дмитриевна ассистент информатики и компьютерного проектирования РХТУ
им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
1. Гартман Т. Н., Советин Ф. С., Лосев В. А., Дробышевский Н. А., Хворостяный В. С. Разработка компьютерной модели многостадийного производства синтетического жидкого топлива из природного газа.// Химическая промышленность сегодня № 1. 2009 г. Стр. 40-50.
2. Гартман Т. Н., Советин Ф. С., Новикова Д. К. Разработка компьютерной модели многостадийного производства метанола из природного газа. // Химическая промышленность сегодня № 3. 2012. Стр. 45-53.
3. Гартман Т. Н., Советин Ф. С., Проскуро Е.А., Швец В. Ф., Козловский Р.А, Сучков Ю.П., Сапунов В.Н., Локтев А. С., Дедов А. Г. Алгоритм расчёта автотермических режимов гетерогенно-каталитических процессов на тонком слое катализатора // Теоретические основы химической технологии. 2014 г. Том 48, № 3. Стр. 294-300
Basos Anastasia Georgievna, Proskuro Ekaterina Aleksandrovna*,Safonova Vera Dmitrievna D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *e-mail: ekaterina.proskuro@mail.ru
DEVELOPMENT OF COMPUTER MODEL OF THE TECHNOLOGICAL LINE OF PRODUCTION OF THE SYNTHESIS-GAS BY OXIDATIVE CONVERSION OF METHANE
The computer model of the technological line of production of the synthesis-gas by oxidative conversion of methane with by the simulator CHEMCAD programs is developed and realized. This computer model of the technological line can be used for the solution of problems of energy & resources saving by optimization of the productions, using the synthesis-gas.
Key words: model, modeling, simulator, conversion, methane
Литература
Abstract
