CC BY
45
УДК 66.094.37: 519,7
В. Н. Писаренко, А. А. Бахтин
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЙ ПРОЦЕСС ПЕРЕРАБОТКИ ФАКЕЛЬНЫХ ГАЗОВ СЕВЕРНЫХ РЕГИОНОВ РФ В ВЫСОКОЧИСТЫЙ МЕТАНОЛ
The stable tendency towards increase of the low-pressure oil wells takes place in Russian gas-production industry. The transportation of low-pressure gas is uneconomic and very hard. Low-pressure oil wells have more, than billions of cubic meters of low-pressure gas. The processing of such gas into liquid products is exceptionally relevant problem today.
В газодобывающей промышленности РФ имеет место устойчивая тенденция увеличения количества низконапорных скважин, транспортировка газа которых нерентабельна. В них содержится уже в Северных регионах РФ триллионы куб. метров низконапорного газа. Их переработка в жидкие продукты, транспортировка которых существенно проще, чем газа, является исключительно актуальной проблемой.
Добыча нефти на Ближнем Востоке, в Южной Америке, в Западно-Сибирском регионе РФ достигла в начале текущего столетия своих максимальных значений и уже через 10-15 лет вступит в режим падающей добычи. Причем, подобное сокращение мирового производства нефти будет столь значительно, что потребности мировой экономики в углеводородах не будут удовлетворены [1].
Синтезы ключевых нефтехимических продуктов и моторных топлив из возобновленного биологического сырья несовершенны и не могут компенсировать снижение темпов добычи нефтяных углеводородов. В этом отношении весьма перспективен природный газ, на основе которого могут быть произведены те же продукты, что и из нефти, Причем, очень значительные запасы низконапорного газа находятся в газовых месторождениях (триллионы кубических метров) и миллиарды кубических метров газа сжигаются бесцельно на газовых факелах [3].
Поэтому, исключительно актуальной в настоящее время является разработка новых ресурсо- и энергосберегающих технологий процессов переработки природного газа, позволяющих изготавливать технологическое оборудование в блочно-модульном варианте. Последнее обстоятельство позволяет производить установки синтеза ключевых химических продуктов передвижными и малогабаритными, а также замкнутыми по сырью и энергии.
Подобные установки могут эксплуатироваться, в частности, в Регионах РФ с вечной мерзлотой, в которых количество низконапорного природного газа особенно велико при его исключительно высоком качестве.
Следует также подчеркнуть при этом, что большинство месторождений газа в России находятся в областях РФ, которые характеризуются неразвитой сетью автомобильных и железнодорожных дорог. Поэтому транспортировка газа в контейнерах под высоким давлением чрезвычайно затруднительна и чрезвычайно дорогостоящая. Транспортировка жидких углеводородов и жидких ключевых химических веществ существенно проще. Например, может быть использован автотранспорт по зимникам, а также речной и морской транспорт в весенне-летний период времени. Необходимо также иметь в виду, что хранение жидких продуктов переработки природного газа существенно проще, чем газовых. При этом можно заблаговременно заготовить при эксплуатации блочно-модульных установок необходимые запасы жидких энергоносителей, особенно на зимний период. Например, для таких городов, как Надым, Салехард и т.п.
Целью настоящей работы явилась разработка новой энергозамкнутой, ресурсосберегающей технологии переработки природного газа месторождений Крайнего Севера в передвижных блочно-модульных установках малой и средней производительности. В качестве целевого продукта синтезируется метанол в количествах от 10-15 тыс. тонн/год до 50-70 тыс. тонн/год. Метанол является дефицитным продуктом за поляр-
ным кругом, ибо он необходим газодобытчикам для предотвращения образования гидратов в магистральных трубопроводах, а его транспорт к месторождениям от мест производится (расстояния в несколько тысяч километров) чрезвычайно дорог.
По новой технологии производство метанола в передвижных блочно-модульных установках осуществляется в ряд стадий:
1. Стадия подготовки природного газа;
2. Стадия - конверсия природного газа в газовых турбинах в синтез-газ;
3. Стадия - конверсия синтез-газа в метанол по однопроходной схеме;
4. Стадия - выработка электроэнергии в газовой турбине за счет тепла эффлю-ентных газов.
5. Стадия - обогащение воздуха кислородом;
На первой стадии осуществляется каталитическая очистка природного газа в комбинированных аппаратах - реактор-адсорберах. В каталитической зоне осуществляется каталитическое гидрирование серосодержащих органических соединений на алюмокобальтовых катализаторах в сероводород. В адсорбционной зоне он адсорбируется на цинковом поглотителе.
На второй стадии процесса реализуется реакция парциального окисления метана в зоне горения газовой турбины. В результате проведения моделирования работы газовой турбины установлены режимы ее эксплуатации, обеспечивающие получение чистого синтез-газ при выработке электроэнергии в 380-450 кВт на каждые 1000 куб. метров. Мольное отношение водорода к оксиду углерода в синтез-газе в среднем равно 1,82-1,95.
На третьей стадии процесса осушенный синтез-газ подается в реакторный узел, состоящий из трех последовательно соединенных реакторов. Между реакторами находятся теплообменники и холодильники-конденсаторы, позволяющие выводить из реакционной зоны метанол после каждого реактора. Общая конверсия синтез-газа в реакторном узле 75-90 %. Концентрация метанола в метаноле-сырце 96-99,8 % масс., остальное - вода. Содержание органических соединений в метаноле-сырце в следовых количествах. Метанол такого качества может быть непосредственно использован в газовой промышленности без дополнительной ректификации.
На четвертой стадии процесса не прореагировавшие газовые реагенты направляются в газовую турбину для выработки электроэнергии. Пар, производимый в каталитических реакторах, используется как теплоноситель для производственных нужд и для обогрева промышленных зданий и сооружений.
На пятой стадии процесса осуществляется обогащение воздуха кислородом в мембранных элементах
Описанная выше блочно-модульная установка получения метанола из синтез-газа прошла апробацию на стендах.
По результатам лабораторных опытов и стендовых испытаний газотурбинной установки получение синтез-газа из метана построена модель зоны парциального окисления горючего окислителем (воздухом, обогащенным кислородом воздухом, кислородом). Модель позволяет:
1. Рассчитать для заданного состава сырья состав продуктового потока на выходе из камеры сгорания. При этом учитываются реакции парциального окисления метана (или оксида углерода), паровой конверсии метана (пароуглекислотной конверсии метана), паровой конверсии оксида углерода, диспропорционирования оксида углерода с образованием свободного углерода.
2. Рассчитать температуру продуктовых газов для заданных температур и состава исходного сырья, а также количество электроэнергии, генерируемое горячими
выхлопными газами газовой турбины. Дополнительно вычисляются термодинамические переменные и работа процессов сжатия и расширения рабочего тела в турбине.
Показано, что результаты моделирования работы газовой турбины с достаточной точностью (для практических расчетов) отражают результаты эксперимента [2].
По моделям каталитических реакторов получения метана из синтез-газа установлены оптимальные условия работы каталитических реакторов, обеспечивающих производство 20 тысяч тонн метанола в год.
Выводы.
1. Проведены обширные экспериментальные исследования процесса получения синтез-газа в газовых турбинах.
2. Построена математическая модель газотурбинной установки и показана ее адекватность результатам проведенных экспериментов.
3. По модели рассчитаны основные конструкционные параметры газовой турбины и режимы ее эксплуатации.
4. Определены оптимальные режимы работы турбины, обеспечивающие безуглеродный режим работы установки при селективности по синтез-газу 88-90 %.
Список литературы
1. Караханов Э. А. Синтез-газ как альтернатива нефти // Соросовский Образовательный журнал, 1997, № 6
2. Ю. Варнатц, У. Маас, Р. Диббл Горение // Изд. «Физмат», 2003 г.
3 .Шелдон Р. А. Химические продукты на основе синтез-газа // Перевод с англ., «Химия», 1987
УДК 621.577:66065.5
М.Е. Уваров, Г.А. Носов, В.М. Мясоеденков.
Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВ ИЗ РАСТВОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВОГО НАСОСА
Considered technological schemes processes of puritication of substances from admixtures method their crystallization with employment of calorific pumps.
Рассмотрены технологические схемы процесса очистки веществ от примесей путем их перекристаллизации с использованием тепловых насосов.
Процесс перекристаллизации веществ из растворов широко применяют в химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности для разделения и очистки веществ от примесей. При этом используется целый ряд технологических схем проведения данного процесса, выбор которых зависит от состава исходного вещества, физико-химических свойств растворителя, требований к конечным продуктам разделения и других факторов [1, 2]. В случаях относительно невысоких требований к очищаемым продуктам используют более простые схемы однократной перекристаллизации [3]. При высоких же требованиях к чистоте получаемых продуктов применяются схемы многократной перекристаллизации с различной организацией потоков [4].
В общем случае процесс перекристаллизации включает в себя следующие стадии: растворение исходного (загрязненного) вещества в растворителе с получением раствора определенной концентрации, кристаллизацию вещества из раствора, разделение (сепарацию) полученной суспензии, промывку отделенных кристаллов чистым рас-
