Химия и химические технологии/5.Фундаментальные проблемы создания новых материалов и
технологий.
Парийчук
О.Д., Токжигитова М.Ж.
Инновационный
Евразийский университет, Казахстан
ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА МЕТОДОМ ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ С
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ КОНСТРУКЦИИ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО ЗМЕЕВИКА ПЕЧИ КОНВЕРСИИ
Основной путь развития
нефтепереработки связан с ростом потребления водорода. Он включает развитие
процессов гидрооблагораживания нефтепродуктов и гидрокрекинга для получения
моторных горючих и малосернистого котельного горючего. Весь автобензин должен
иметь октановое число от 90 до 93 по исследовательскому методу и содержание
серы не более 0,05-0,10 % (масс.). Содержание серы в дизельном топливе не должно превышать 0,2 % (масс.) [2].
Таким образом, нефтеперерабатывающая и
нефтехимическая промышленность становится крупным потребителем водорода.
Поэтому на заводах перерабатывающих сернистые и высокосернистые нефти должны
быть сооружены мощные установки получения водорода [1].
В настоящее время
основным методом производства водорода на нефтеперерабатывающих заводах
является паровая каталитическая конверсия углеводородных газов в трубчатых
печах.
Водород получают
паровой конверсией углеводородов и очищают короткоцикловой адсорбцией.
Доминирующие виды сырья для процессов паровой конверсии – природный газ,
сжиженный нефтяной газ.
Углеводородное сырье
подогревают и пропускают через аппарат гидроочистки, в котором непредельные
соединения насыщаются. После этого сырье поступает в аппараты сероочистки, в
которых адсорбируется сероводород.
Очищенное сырье
смешивают с паром и перегревают в печном змеевике. Затем смесь пропускают через
печные трубы, заполненные никелевым катализатором, на котором углеводороды
реагируют с паром, при этом образуется смесь водорода и оксидов углерода с
высоким содержанием водорода:
CnHm+nH2O→H2+CO+CO2+CH4+H2O (1)
Реакция протекает при
температуре от 800 до 900 0С и давлении от 1 до 2,5 МПа [3].
Паровая конверсия
углеводородного газа водяным паром с целью получения водородсодержащего газа осуществляется
в многорядной трубчатой печи, которая состоит из топочной (радиантной) камеры и
блока использования тепла дымовых газов (конвективной камеры) со встроенным
вспомогательным котлом. В радиантной камере размещены реакционные трубы,
образующие трубные экраны. Трубы заполнены катализатором и соединены с
коллекторами входа парогазовой смеси и выхода конвертированного газа. Для обеспечения протекания эндотермической
реакции конверсии метана сжигают топливный газ, подаваемый в панельные горелки.
Теплота эндотермической реакции конверсии передается от продуктов сгорания в
печи, температуру которой тщательно регулируют.
Конвертированный газ
охлаждают в котле-утилизаторе, где вырабатывается технологический пар, после
чего подают в конверторы СО. Здесь в слое железохромового катализатора,
промотированного медью, СО реагирует с паром, давая водород и СО2.
После конверторов СО
конвертированный газ охлаждается в подогревателях сырья, питательной воды и
блока деаэрации питательной воды. Горячий конденсат отделяют от
конвертированного газ, после чего газ охлаждают в воздухоподогревателе и
холодильнике. Охлажденная смесь поступает в сепаратор конденсата, из которого
газ идет в систему короткоцикловой адсорбции, где водород очищают от метана и
оксидов углерода.
Система очистки работает
в циклическом режиме – повторяются две основные стадии (адсорбции и
регенерации). Очищенный водород выделяется под давлением, практически
совпадающим с давлением сырья, а примеси – при более низком давлении. Адсорбент
регенерируют снижением давления и продувкой.
Адсорбент регенерируют снижением давления и продувкой. Отходящий газ из этой системы идет в горелки
печи конверсии, за счет чего обеспечивается основная часть потребностей в
тепле. Водород после очистки выводится за пределы установки. Термический КПД
оптимизируют, рекуперируя теплоту дымовых газов печи конверсии и
конвертированного газа. За счет этой теплоты подогревают сырье и вырабатывают
пар на собственные нужды и на продажу. Из конвективной камеры дымовые газы
дымососом выбрасываются в трубу.
Процессы паровой
конверсии могут дать определенные преимущества потребителям водорода в
небольших объемах. Так метод паровой конверсии углеводородных газов
технологически и аппаратурно хорошо разработан и является экономически наиболее
эффективным. Данный метод позволяет получать водород чистоты 99,9 % [4].
В настоящее время
паровая каталитическая конверсия углеводородных газов в трубчатых печах
является основным методом производства водорода на нефтеперерабатывающих и
нефтехимических заводах. Это объясняется тем, что данный метод обладает рядом
таких преимуществ, как: получение водородсодержащего газа с более высоким
содержанием водорода; более низкие эксплуатационные затраты по сравнению с
другими методами; использование в качестве сырья заводских газов; обеспечение
установки паром собственной выработки. Также метод технологически и аппаратурно
хорошо разработан и является пока экономически наиболее эффективным.
В результате проведенного нами патентного поиска был
найден способ повышения эффективности работы установки получения водорода.
Этого можно достигнуть с помощью изменения конструкции нагревательного змеевика
трубчатой печи. Данное новшество позволяет снизить гидравлическое сопротивление
в реакционных трубах и повысить выход целевого продукта.
Способ получения
водородсодержащего газа в трубчатой печи с отношением длины реакционной трубы к
ее диаметру, равным от 50 до 150, путем каталитической конверсии природного
газа в присутствии пара при повышенных температуре и давлении. Способ
отличается тем, что, с целью снижения гидравлического сопротивления и повышения
выхода целевого продукта за счет увеличения времени контакта, конверсию
осуществляют последовательно в двух
зонах реакционной трубы. При этом парогазовую смесь подают в первую зону со
скоростью от 1 до 35 м/с, а во вторую зону со скоростью от 0,01 до 0,30 м/с и
температуру в первой зоне поднимают от 450 оС до 700 оС,
а во второй зоне до от 830 до 860 оС способу получения
водородсодержащего газа, в котором конверсию осуществляют в двух зонах
реакционной трубы. Разделение реакционного пространства на две зоны
целесообразно тем, что в первой зоне при большой скорости потока (от 1 до 35
м/с) возможно быстро подогреть исходную парогазовую смесь до температуры
интенсивного протекания реакции во второй зоне.
В результате выполненного технологического расчета было установлено, что предложенное новшество позволяет
повысить выход чистого водорода на 0,07 % объемных. Таким образом, повышение
выхода целевого продукта дает возможность получить дополнительный доход и
повысить рентабельность производства.
Литература:
1.
М.К.Письмен. Производство водорода в нефтеперерабатывающей
промышленности. М.: Химия, 1980 г.
2.
Справочник.
Водород, свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. М.:
Химия, 1989г.
3.
Журнал «Нефтегазовые технологии», № 2, 2001г.
4.
Журнал «Нефтегазовые технологии», № 6, 1996г.