Способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления



Способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления
Способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления
Способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления
Способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления
Способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления
Способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления

 


Владельцы патента RU 2574254:

Чуканин Михаил Геннадьевич (RU)
Тихонов Виктор Иванович (RU)

Изобретение относится к области переработки углеводородного сырья, а конкретно к окислительной конверсии углеводородных газов в синтез-газ. Способ получения синтез-газа путем автотермической парокислородуглекислотной каталитической конверсии углеводородного сырья включает подогрев исходных сырьевых компонентов, очистку углеводородного сырья от серосодержащих соединений, смешение исходных сырьевых компонентов с образованием реакционного газового потока, осевую подачу реакционного потока внутрь трубчатого открытопористого каталитического блока радиальной фильтрации. Реакционный поток подают к первому трубчатому каталитическому элементу блока, выполненному из материала для осуществления процесса парциального окисления, с последующим прохождением частично реформированного потока через коаксиальный трубчатый зазор. Второй трубчатый каталитический элемент блока выполнен из материала для осуществления процесса пароуглекислотной конверсии. При этом на внутренней цилиндрической стенке первого каталитического элемента поддерживают температуру в интервале от 500 до 700°C, а на внутренней - в интервале от 1100 до 1600°C. Также описано устройство для получения синтез-газа. Результатом является повышение селективности и производительности по синтез-газу при прочих равных условиях сравнения по входному сырью. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 5 табл.

 

Изобретение относится к области переработки углеводородного сырья, а конкретно к окислительной конверсии углеводородных газов в синтез-газ.

Известен способ получения синтез-газа из углеводородного сырья (патент СССР №1831468, МКИ С01В 3/38, опубл. БИ №28 1993 г. ), который включает смешение углеводородного сырья и окислителя - кислорода или кислородсодержащего газа, или пара и конверсию полученной смеси в присутствии монолитного катализатора при температуре, которая в реакционной зоне не менее чем на 93°C ниже точки самовоспламенения смеси, а скорость ввода смеси в реакционную зону превышает скорость процесса проскока пламени. Способ требует использования высокоселективного катализатора.

К недостаткам способа можно отнести:

- возможность разрушения катализатора за счет локальных перегревов его входной поверхности в связи с активностью каталитической системы;

- наличие значительного количества метана, двуокиси углерода и воды в составе синтез-газа за счет «затопления» нижних по ходу газа слоев каталитической системы продуктами синтеза, что негативно отражается на показателях эффективности способа, таких как степень конверсии и селективность.

Известен способ получения синтез-газа путем паровой или пароуглекислотной каталитической конверсии углеводородного сырья (патент РФ №2252914, МПК С01В 3/38, опубл. 27.05.2005 г. ), включающий очистку углеводородного сырья от сернистых соединений, смешение его с водяным паром или с водяным паром и диоксидом углерода с образованием парогазовой смеси. Процесс конверсии осуществляется в реакторе радиально-спирального типа на мелкозернистом никелевом катализаторе с размером гранул (0,2-7) мм. В качестве углеводородного сырья может быть использован природный газ, попутные газы при добыче нефти, нафты.

К недостаткам способа можно отнести:

- применение мелкозернистого катализатора, для размещения которого в корпусе реактора необходимо применять корзины загрузки, что утяжеляет конструкцию реактора в целом;

- невозможность реализации процесса конверсии исходного сырья в автотермическом режиме, что требует подвода тепла извне и усложняет конструктивное исполнение реактора;

- требуется подготовка дополнительных исходных реагентов, таких как водяной пар и диоксид углерода, что значительно удорожает технологическую обвязку процесса конверсии углеводородного сырья в синтез - газ в целом;

- способ не предусматривает прямого радиального перемещения реакционного потока в корпусе реактора, что приводит к неоднородному профилю распределения температур и концентраций по аксиальной координате в любой радиальной позиции слоя катализатора, а также приводит к неэффективному, неполному использованию каталитической системы, снижению селективности по конечному продукту (эффект «затапливаемости» пор продуктами синтеза присутствует).

Известны способ и устройство для получения синтез-газа из углеводородного сырья (патент RU №2443764, МПК C10L 3/10, опубл. 27.02.2012 г. ). Устройство включает систему запуска, систему подачи и дозирования реагентов, теплообменники, систему управления, реактор, содержащий, по крайне мере, один слой катализатора, в качестве активного компонента которого используют различные комбинации оксидов алюминия, кремния, переходных и редкоземельных элементов (4-6) периодов, в основном, четвертого и пятого периодов.

Конверсию проводят в присутствии кислородсодержащих соединений, например, паров воды или углекислого газа, или кислорода, или воздуха, или их любой смеси. Кислородсодержащие соединения, например пары воды или углекислый газ, или кислород, или воздух или любую их смесь, можно подавать в различном количестве на любой из слоев катализатора.

Для получения максимального выхода, например, метана при конверсии тяжелых углеводородов при минимальном объеме устройства для любого слоя катализатора в реакторе-конверторе может быть установлено определенное пространственное распределение температурного профиля. Например, любой слой катализатора может находиться как в изотермических условиях, так и в условиях градиента температуры по слою. Конверсия может быть проведена при давлении выше атмосферного.

Кроме метана продуктами конверсии могут являться, например, водород и/или монооксид углерода, и/или углекислый газ.

К недостаткам способа можно отнести:

- отсутствие радиальной фильтрации газового потока, что ведет к снижению селективности по конечному продукту;

- сложность и металлоемкость его конструктивной реализации, претендующей на тандемную схему, когда низкотемпературный процесс (менее 500°C) синтеза метана из тяжелых углеводородов и его высокотемпературную конверсию, например, в синтез-газ проводят в одном корпусе реактора-конвертора;

- невозможность получения синтез-газа состава Н2:СО=2:1, в котором содержание водорода превышало бы 60 об.% (без учета инертной составляющей, например, N2). То есть, невозможность получения повышенной степени селективности близкой к 100% по конечному продукту в силу частичной «затапливаемости» продуктами синтеза нижних (по ходу движения реакционного газового потока) слоев каталитического цилиндрического блока;

- судя по приведенной авторами патента схеме реактра-конвертора, реализация способа предполагает низкое рабочее давление сырьевых компонентов на входе в реактор, а значит сам процесс - малопроизводителен.

Известно устройство (см. патент РФ №2286308, МПК С01В 3/38, B01J 8/04, опубл. 27.10.2006 г. ) радиального типа для осуществления окисления газообразных углеводородных топлив с помощью катализатора, которое может быть использовано для получения синтез-газа. Устройство для получения синтез-газа радиального типа содержит газораспределительную перфорированную трубку и катализатор. Катализатор выполнен в виде кольцевых теплопроводных металлопористых каталитических пластин и теплопроводных сепараторов с пазами, чередующихся между собой с образованием каналов для прохождения газовых потоков и соединенных между собой.

На обеих сторонах сепаратора выполнены пазы в форме эвольвенты от центра к периферии. Кольцевые пластины катализатора установлены перпендикулярно оси газораспределительной перфорированной трубки. Внутри газораспределительной перфорированной трубки расположена система запуска, которая состоит из смесителя с запальной свечой или электрического нагревательного элемента. Устройство компактно и эффективно.

Устройство позволяет при использовании в качестве окислителя кислорода воздуха получать реакционную смесь, содержащую 33 об.% водорода и до (16-17) об.% оксида углерода.

К недостаткам этого устройства можно отнести то, что в объеме универсальной каталитической системы одновременно протекают два процесса - экзотермический (неполное окисление) и эндотермический (процесс пароуглекислотной конверсии). В составе синтез-газа появляются вода и двуокись углерода, которые и снижают общую эффективность процесса в целом.

Известны способ и устройство реактора, реализующие процесс пароуглекислотной конверсии углеводородного сырья в синтез-газ (патент на полезную модель РФ №120092, МПК С01В 3/38, опубл. 10.09.2012 г. ). Устройство состоит из корпуса с расположенным внутри корпуса каталитическим газопроницаемым блоком цилиндрической формы. По оси корпуса внутри каталитического блока расположен распределитель газового потока, представляющий собой систему закрепленных на общей оси дисков разного диаметра, обеспечивающих выравнивание неоднородностей плотности газового потока вдоль его цилиндрической образующей. Распределитель газового потока крепится к газонепроницаемому стальному диску, расположенному на противоположном входу потока газов обрезе каталитического блока. Реакционный поток газовой смеси движется радиально в поровом пространстве стенки цилиндрического каталитического блока. При этом углеводородное сырье окисляется в синтез-газ. Продукты реакции за счет конвективного теплообмена нагревают воздух и углеводородный газ, поступающий на конверсию. Теплообменное устройство располагается в корпусе реактора-генератора и представляет собой пакет трубок, изготовленных из жаропрочного сплава, размещенный между внутренней поверхностью корпуса реактора и внешней поверхностью каталитического блока. Допустимо теплообменное устройство размещать вне корпуса реактора с подводом продуктов реакции через теплоизолированный трубопровод. Реактор-генератор снабжен смесителем и запальным устройством. Нагретый воздух и углеводородный газ, пройдя теплообменник, подаются в смеситель, где смешиваются, после чего газовый поток поступает в каталитический блок.

К недостаткам устройства и способа можно отнести:

- заниженные показатели селективности по конечному продукту - синтез-газу в силу применения универсальной каталитической системы, совмещающей экзотермические и эндотермические процессы в своем поровом пространстве;

- возможное наличие теплообменных устройств внутри корпуса, что в значительной степени увеличивает металлоемкость конструкции реактора и влияет на капитальные затраты в целом;

- при больших отношениях высоты каталитического блока к его диаметру возникает эффект дальнейшего уменьшения эффективности процесса по конечному продукту в связи с односторонним торцевым отводом продуктов синтеза, приводящим к отклонению вектора скорости части реакционного потока от радиального внутри порового пространства (увеличение времени контакта для некоторой части реакционного потока ведет к падению селективности).

Вышеописанное техническое решение получения синтез-газа является наиболее близким к заявляемым способу и устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Задачами настоящего изобретения является повышение селективности и производительности по синтез-газу при прочих равных условиях сравнения по входному сырью.

Технический результат:

- достижение практически 100% селективности по синтез-газу состава СО:Н2=1:2: (азот по балансу) в условиях подачи на вход каталитической системы генератора реакционного потока состава:

СН4:O2:N2:=2:1:(0-3,76);

- достижение объемной скорости потока газовой смеси через реактор в диапазоне от 60000 до 180000 ч-1;

- снижение капитальных затрат на обвязку процесса риформинга метана в синтез-газ не менее, чем на 30%, например, в установках малотоннажного синтеза жидких углеводородов.

Для решения поставленных задач и достижения технического результата заявляется группа изобретений, в которую входит способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления.

Заявляется способ получения синтез-газа путем автотермической парокислородуглекислотной каталитической конверсии углеводородного сырья, включающий подогрев исходных сырьевых компонентов, очистку углеводородного сырья от серосодержащих соединений, смешение исходных сырьевых компонентов с образованием реакционного газового потока, осевую подачу реакционного потока внутрь трубчатого открытопористого каталитического блока радиальной фильтрации, в котором, согласно изобретению, реакционный поток подают к первому трубчатому каталитическому элементу блока, выполненному из материала для осуществления процесса парциального окисления с последующим прохождением частично реформированного потока через коаксиальный трубчатый зазор и второй трубчатый каталитический элемент блока, выполненный из материала для осуществления процесса пароуглекислотной конверсии. При этом на внутренней цилиндрической стенке первого каталитического элемента поддерживают температуру в интервале от 500 до 700°C, а на внешней - в интервале от 1100 до 1600°C.

Допускается поддерживать номинальные величины температур цилиндрических поверхностей первого каталитического элемента путем изменения содержания азота в окисляющем сырьевом компоненте - воздухе.

Устройство (каталитический реактор синтез-газа) для получения синтез-газа содержит корпус, в котором расположены каталитический трубчатый открытопористый блок радиальной фильтрации и распределитель входного потока газовой смеси, установленный по оси блока, а также смеситель исходных сырьевых компонентов и систему запуска, при этом, согласно изобретению, каталитический блок выполнен их двух трубчатых открытопористых элементов, расположенных коаксиально с зазором относительно друг друга. Внутренний каталитический элемент выполнен из материала для осуществления процесса парциального окисления, внешний - из материала для осуществления процесса пароуглекислотной конверсии.

Допускается:

- со стороны входа потока газовой смеси во внутренний каталитический элемент в контакте с его внутренней цилиндрической поверхностью устанавливать теплораспределяющий открытопористый мелкокристаллический наполнитель, практически не активный в реакциях парциального окисления;

- в зазоре между каталитическими элементами в контакте с их цилиндрическими поверхностями размещать теплораспределяющий открыто-пористый мелкокристаллический наполнитель практически не активный в реакциях пароуглекислотного риформинга;

- со стороны внешней поверхности каталитического блока снабжать устройство для получения синтез-газа распределителем выходного потока продуктов конверсии, расположенного либо снаружи корпуса устройства, либо внутри него.

Подогрев исходных сырьевых компонентов, очистка углеводородного сырья от серосодержащих соединений, смешение исходных сырьевых компонентов с образованием реакционного газового потока, осевая подача реакционного потока внутрь трубчатого открытопористого каталитического блока радиальной фильтрации обеспечивают принципиальную возможность риформинга метана в синтез-газ в режиме автотермической парокислородуглекислотной каталитической конверсии углеводородного сырья.

Подача реакционного потока к первому трубчатому каталитическому элементу блока с последующим прохождением частично реформированного потока через коаксиальный трубчатый зазор и второй трубчатый каталитический элемент блока обеспечивают принципиальную возможность последовательного нахождения реакционного потока в трех пространствах, а именно, - в порах первого каталитического слоя, в трубчатом зазоре между каталитическими слоями и в порах второго каталитического слоя.

Выполнение первого (внутреннего) трубчатого каталитического элемента блока из материала для осуществления процесса преимущественно парциального окисления реакционного газового потока с одновременным поддержанием на его внутренней цилиндрической стенке температуры в интервале от 500 до 700°C, а на внешней - в интервале от 1100 до 1600°C, обеспечивает такой сверхсуммарный технический эффект, как возможность реализации высокоскоростного и высокоэффективного по техническому результату экзотермического процесса парциального окисления реакционного потока газовой смеси.

Выполнение второго трубчатого каталитического элемента блока из материала для осуществления процесса преимущественно пароуглекислотной конверсии обеспечивает такой сверхсуммарный технический эффект, как возможность ее реализации в виде высокоскоростного и высокоэффективного по техническому результату эндотермического процесса. Синтез-газ при достаточной каталитической активности обоих открытопористых элементов на выходе лишь в следах содержит воду, двуокись углерода и метан, что и обеспечивает заявленный технический результат способа.

Таким образом, именно две температурные зоны в едином каталитическом блоке радиальной фильтрации - зона экзотермических процессов в первом слое, обусловленных выделением тепла в реакциях парциального окисления метана, сопровождаемых разогревом всего реакционного потока, включая, например, и азот воздуха, и зона эндотермических процессов во втором слое, обусловленных поглощением выделенного тепла в процессах пароуглекислотной конверсии, определяют основные (существенно различающиеся) текстурные и физико-химические показатели материалов соответствующих каталитических слоев, что и приводит к интегральным высоким показателям степени конверсии сырья и селективности процесса риформинга сырьевых углеводородов в синтез-газ. При этом чисто радиальная фильтрация реакционного газового потока обуславливает такой известный технический эффект (за счет малых времен контакта), как возможность достижения его объемной скорости через реактор в диапазоне от 60000 ч-1 до 180000 ч-1.

В зависимости от состава сырьевой газовой смеси поддержание номинальной величины температуры реакционного потока в зазоре между каталитическими элементами блока в интервале от 1100 до 1600°C путем изменения содержания азота в окисляющем сырьевом компоненте - воздухе обеспечивает принципиальную возможность применять, с одной стороны, сырьевые углеводороды разных (в известных пределах) составов, а с другой - оптимизировать габаритно-массовые параметры самого реактора: чем меньше балласта в газохимическом тракте, тем меньше габариты устройства при прочих равных условиях сравнения.

Выполнение реактора, состоящего из корпуса, в котором расположены каталитический трубчатый открытопористый блок радиальной фильтрации, смеситель исходных компонентов и распределитель входного потока газовой смеси, установленный по оси блока, обеспечивает принципиальную возможность получения синтез-газа из сырьевых углеводородов и окислителя - воздуха.

Выполнение каталитического блока их двух трубчатых открытопористых элементов, расположенных коаксиально с зазором относительно друг друга, при одновременном выполнении внутреннего каталитического элемента из материала для осуществления парциального окисления, а внешнего - из материала для осуществления пароуглекислотной конверсии, с одной стороны, реализует пространственное разделение экзотермических и эндотермических каталитических реакций риформинга углеводородного сырья, что и обеспечивает высокую эффективность процесса в целом по конечному продукту - синтез-газу, а с другой, реализует возможность сокращения габаритно-массовых характеристик реактора на фоне сохранения его высокой производительности - итог, сверхсуммарный технический эффект. Например, капитальные затраты на обвязку процесса риформинга метана в синтез-газ снижаются не менее, чем на 30% для установок малотоннажного синтеза жидких углеводородов типа прототипа.

Установка со стороны входа потока газовой смеси во внутренний каталитический элемент в контакте с его внутренней цилиндрической поверхностью теплораспределяющего открытопористого мелкокристаллический наполнителя, практически не активного в реакциях парциального окисления, обеспечивает такой известный технический эффект, как подавление перегрева поверхности первого каталитического элемента выше требующегося номинала (от 500 до 700°C), а также поддержание номинальной величины температуры (450-650°C) газовой смеси, подающейся в его поровое пространство.

Размещение в зазоре между каталитическими элементами в контакте с их цилиндрическими поверхностями теплораспределяющего открытопористого мелкокристаллического наполнителя (практически не активного в реакциях пароуглекислотного риформинга) обеспечивает такой известный технический эффект, как гомогенность состава газового потока на выходе из него, эффективное распределение температурного фронта и флуктуаций давления, что и обеспечивает однородность химических реакций и их одинаковую скорость в порах второго каталитического слоя, реализуя, тем самым, высокую селективность по составу синтез-газа.

Размещение со стороны внешней поверхности каталитического блока распределителя выходного потока продуктов конверсии, расположенного либо снаружи корпуса реактора, либо внутри него, обеспечивает такой технический эффект в схеме с радиальной фильтрацией реакционных газовых потоков, как подавление (в известных пределах) появления газовых струй внутри порового пространства параллельных цилиндрической образующей второго каталитического элемента, что и реализует, как следствие, однородный профиль распределения температур и концентраций продуктов синтеза по аксиальной координате в любой радиальной позиции.

При этом, для малых отношений высоты каталитического блока к его наружному диаметру эффективны и допустимы распределители, расположенные внутри корпуса реактора, а для больших отношений - снаружи.

На фиг. 1 приведен пример схемы устройства для получения синтез-газа, где:

1 - смеситель исходных сырьевых компонентов;

2 - система запуска (запальная свеча);

3 - корпус реактора;

4 - распределитель потока газовой смеси в виде конуса, обеспечивающий сглаживание флуктуаций плотности реакционного потока вдоль центральной оси корпуса реактора 3;

5 - каталитический блок, включающий первый по ходу газовой смеси внутренний трубчатый открытопористый элемент 6, а также второй по ходу газовой смеси внешний трубчатый открытопористый элемент 7;

8 - зазор между каталитическими элементами 6 и 7;

9 - распределитель потока продуктов синтеза;

10 - теплораспределяющий открытопористый мелкокристаллический наполнитель, практически не активный в реакциях парциального окисления;

11 - теплораспределяющий открытопористый мелкокристаллический наполнитель, практически не активный в реакциях пароуглекислотной конверсии.

Способ получения синтез-газа из сырьевых углеводородов и, например, воздуха реализуется следующим образом. Исходные реагенты - углеводородный газ и воздух подаются на риформинг под давлением до 1 МПа в объемных соотношениях воздух/углеводородный газ (8,0-10,0):1 - при запуске. Реагенты раздельно подогреваются. Подогретый углеводородный газ подается на сероочистку и затем совместно с воздухом подается в смеситель 1 исходных сырьевых компонентов, где и происходит их смешивание. Далее реакционный поток подается в зону запальной свечи 2, где газовая смесь воспламеняется (в процессе запуска установки) и подается в корпус реактора 3 на распределитель 4 потока газовой смеси и далее на каталитический блок 5, а именно на его первый трубчатый каталитический элемент 6 одновременно по всей длине его цилиндрической образующей. При достижении температуры (500-700)°C на поверхности каталитического элемента 6, при которой реакция парциального окисления может протекать в автотермическом режиме, постепенно изменяют объемное соотношение воздух/углеводородный газ до (1,5-2):1 - оптимальное для генерации синтез-газа. При этом каталитический блок 5 выполнен из двух трубчатых открытопористых элементов - внутреннего 6 и внешнего 7, расположенных коаксиально с зазором 8 относительно друг друга. Внутренний трубчатый открытопористый элемент 6 выполнен из материала для осуществления процесса преимущественно парциального окисления (пример состава каталитического элемента: Ni/Ce-ZrO2 или NixCeyZrzOx+2(y+z), где х, y, z - молярные отношения Ni, Се и Zr, x+y+z=1, x=0,04-0,45 и y=0,01-0,96). Внешний трубчатый открытопористый элемент 7 выполнен из материала для осуществления процесса преимущественно пароуглекислотной конверсии (пример состава каталитического элемента, мас. %: оксид никеля - (50-65); оксид лантана - (3-10); диоксид церия - (1-8); алюмо-магниевое оксидное соединение - (15-30); диоксид кремния - (5-15); углерод - (1-3), при этом алюмомагниевое оксидное соединение содержит (30-70) мас. % оксида магния, оксид алюминия - остальное. Между корпусом 3 и наружной поверхностью каталитического элемента пароуглекислотной конверсии 7 дополнительно установлен распределитель 9 реформированного газового потока, совмещенный с корпусом реактора 3. В случае больших отношений высоты каталитического блока к его диаметру эффективнее распределитель 9 выполнять снаружи корпуса 3 реактора в виде равномерно распределенных по высоте каталитического блока 5 торообразных газосборников, сообщающихся с полостью корпуса 3 через соответствующие радиальные патрубки, в свою очередь, равномерно распределенные по поперечному сечению реактора (на фиг. 1 не показан).

В стационарном режиме работы реактора синтез-газа радиального типа (режим генерации синтез-газа оптимального состава) газы смешиваются в смесителе 1 и реакционный поток поступает в каталитический блок 5. За счет рекуперации тепла реакционный поток разогревается ИК-излучением, исходящим от поверхности первого каталитического элемента 6 парциального окисления углеводородов.

Теплораспределяющий открытопористый мелкокристаллический наполнитель 10, практически не активный в реакциях парциального окисления (карбид кремния), обеспечивает вспомогательную функцию защиты внутренней поверхности каталитического элемента 6 от перегрева выше номинальной температуры (за счет передачи части тепла обновляемым порциям непрерывно поступающей газовой смеси), а также сглаживает флуктуации плотности реакционного потока вдоль образующей каталитического элемента 6 перед входом потока в его поровое пространство. Ту же функцию выполняет теплораспределяющий открытопористый мелкокристаллический наполнитель 11, практически не активный в реакциях пароуглекислотной конверсии, для второго каталитического элемента 7 (поддерживает на постоянном уровне температуру реакционного потока в зазоре 8 и, соответственно, на внутренней поверхности каталитического элемента 7).

В предлагаемом способе процесс парокислородуглекислотной конверсии углеводородов на примере метана состоит из нескольких стадий. Первая экзотермическая стадия, протекающая в первом каталитическом элементе 6 блока 5 с существенно переменным растущим температурным градиентом на единицу длины по толщине его стенки, характеризуется двумя основными реакциями 1 и 2:

Вторая эндотермическая стадия, протекающая во втором каталитическом элементе 7 с существенным падающим температурным градиентом по толщине его стенки, характеризуется также двумя основными реакциями 3 и 4:

На первой стадии, которая протекает в присутствии катализатора парциального окисления углеводородов, происходит глубокое окисление части метана до углекислого газа, воды и синтез-газа с выделением тепла (реакции 1 и 2). На второй стадии продукты глубокого окисления углекислый газ и вода взаимодействуют с остаточным метаном с образованием синтез-газа (реакции 3, 4) - эти реакции протекают с поглощением тепла.

Реальный суммарный процесс парокислородуглекислотной конверсии углеводородов в синтез-газ характеризуется небольшим тепловыделением (ΔН0298 от -80 до -130 кДж/моль), рассеивающемся в окружающей среде через конструктивную обвязку способа.

В таблицах 1, 2 и 3 (для продукта синтеза объемного состава СО:Н2=1:2), а в таблицах 4 и 5 (для продукта синтеза объемного состава СО:Н2=1,2:2), приведены примеры расчетов массовых расходов продуктов синтеза в идеальных адиабатических условиях теплообмена при разных объемных содержаниях балластного азота в газовых смесях (таблица 1 - СН4:O2:N2=2:1:0; таблица 2 - СН4:O2:N2=2:1:1,88; таблица 3 - СН4:O2:N2=2:1:3,76, таблица 4 - СН4:O2:N2=4:1:0, таблица 5 - CH4:O2:N2=4:1:3,76) сырьевых компонентов с демонстрацией возможности реализации на внутренней стенке первого каталитического элемента температур в интервале от 500 до 700°C (таблицы 4 и 5 - соответственно), а на внешней - в интервале от 1100 до 1600°C (таблицы 4 и 1 - соответственно).

Анализ данных таблиц 1-5 показывает, что предложенные способ и устройство обеспечивают высокую селективность по конечному продукту (практически 100% - графа 5 таблиц) для любого из вариантов по составу входного сырья при временах контакта в интервале от 0,035 до 0,1 с (высокая объемная скорость). Наиболее приемлемы по интегральным показателям технико-экономической эффективности способ и устройство для получения синтез-газа для малотоннажных GTL установок. Несмотря на то что в качестве окислителя в этом случае рекомендуется не обогащенный по кислороду воздух (требуется некоторое увеличение объемов газохимических трактов - удорожание устройства), обеспечивается увеличение надежности системы в целом до первого отказа в связи с известными техническими возможностями поддержания на внутренней стенке реактора более низкой температуры, чем температура выходящего газа в адиабатическом процессе (760°C, таблица 3, графа 5).

Для обеспечения общей эффективности процесса парциального окисления, сохранения теплового баланса реактора и полноты конверсии метана используется прием рекуперации тепла, позволяющий не вносить дополнительную энергию в каталитический процесс, например, для подогрева сырьевых компонентов до соответствующих температур.

Состав каталитической системы, используемой при расчетах значений, указанных в таблицах 1-3:

- катализатор парциального окисления - мас. %; оксид никеля (45); оксид лантана (5); диоксид циркония (13); диоксид церия (4); алюмомагниевое оксидное соединение (20); диоксид кремния (10); углерод (3), при этом алюмомагниевое оксидное соединение содержит (30-70) мас. % оксида магния, оксид алюминия - остальное;

- катализатор пароуглекислотной конверсии - мас. %; оксид никеля (55); оксид лантана (4); диоксид церия (2); диоксид циркония (8); алюмомагниевое оксидное соединение (18); диоксид кремния (11); и углерод (2).

Состав каталитической системы, используемой при расчетах значений, указанных в таблицах 4 и 5:

- катализатор парциального окисления - однофазный сложный оксид редкоземельных металлов - кобальтит лантана LaCoO3, в котором также присутствуют в виде примесей фазы Co3O4 и La2O3;

- катализатор пароуглекислотной конверсии - однофазный сложный оксид редкоземельных металлов La0.5Ca0.5NiO3, в котором также присутствуют в виде примесей фазы СаО и La2O3, NiO.

1. Способ получения синтез-газа путем автотермической парокислородуглекислотной каталитической конверсии углеводородного сырья, включающий подогрев исходных сырьевых компонентов, очистку углеводородного сырья от серосодержащих соединений, смешение исходных сырьевых компонентов с образованием реакционного газового потока, осевую подачу реакционного потока внутрь трубчатого открытопористого каталитического блока радиальной фильтрации, отличающийся тем, что реакционный поток подают к первому трубчатому каталитическому элементу блока, выполненному из материала для осуществления процесса парциального окисления, с последующим прохождением частично реформированного потока через коаксиальный трубчатый зазор и второй трубчатый каталитический элемент блока, выполненный из материала для осуществления процесса пароуглекислотной конверсии, при этом на внутренней стенке первого каталитического элемента поддерживают температуру в интервале от 500 до 700°С, а на внешней - в интервале от 1100 до 1600°С.

2. Способ получения синтез-газа по п.1, отличающийся тем, что поддерживают номинальные величины температур цилиндрических поверхностей первого каталитического элемента путем изменения содержания азота в окисляющем сырьевом компоненте - воздухе.

3. Устройство для получения синтез-газа, содержащее корпус, в котором расположены каталитический трубчатый открытопористый блок радиальной фильтрации и распределитель входного потока газовой смеси, установленный по оси блока, а также смеситель исходных сырьевых компонентов и систему запуска, отличающееся тем, что каталитический блок выполнен их двух трубчатых открытопористых элементов, расположенных коаксиально с зазором относительно друг друга, при этом внутренний каталитический элемент выполнен из материала для осуществления процесса парциального окисления, внешний - из материала для осуществления процесса пароуглекислотной конверсии.

4. Устройство для получения синтез-газа по п.3, отличающееся тем, что со стороны входа потока газовой смеси во внутренний каталитический элемент в контакте с его внутренней цилиндрической поверхностью установлен теплораспределяющий открытопористый мелкокристаллический наполнитель, практически не активный в реакциях парциального окисления.

5. Устройство для получения синтез-газа по п.3 или 4, отличающееся тем, что в зазоре между каталитическими элементами в контакте с их цилиндрическими поверхностями размещен теплораспределяющий открытопористый мелкокристаллический наполнитель, практически не активный в реакциях пароуглекислотного риформинга.

6. Устройство для получения синтез-газа по п.3, отличающееся тем, что со стороны внешней поверхности каталитического блока оно снабжено распределителем выходного потока продуктов конверсии, расположенным либо снаружи корпуса реактора, либо внутри него.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к газификатору биомассы с газификацией в перемещающемся потоке и способу газификации с использованием газификатора для получения синтез-газа из биотоплива в присутствии СВЧ-возбужденной плазмы.

Изобретение относится к способу и системе для образования и обработки синтез-газа с помощью плазменной газификации отходов, включающих муниципальные твердые отходы.

Изобретение относится к области химического машиностроения, а именно к установкам для получения синтез-газа из углеводородсодержащего сырья, и может быть использовано в химической, нефтехимической, энергетической и других смежных отраслях промышленности для переработки углеводородного сырья с получением синтез-газа, используемого для энергетических и технологических целей.

Настоящее изобретение относится к способу газификации углеродсодержащих материалов с образованием синтез-газа. Способ газификации углеродсодержащих материалов в газогенераторе включает загрузку углеродсодержащих материалов в газогенератор, подачу газа, содержащего молекулярный кислород, подачу метансодержащего газа и необязательно воды; причем общее количество подаваемого кислорода составляет от 0.75 до 3.0 фунт на фунт общего количества углерода, загруженного в газогенератор; при этом в газогенераторе получают золу, содержащую углерод в золе, где указанная зола содержит менее 5% углерода в золе; и образуется газ, содержащий монооксид углерода, диоксид углерода, водород и деготь; который затем обрабатывают при температуре от 954°С до 1927°С в присутствии молекулярного кислорода с образованием сингаза-сырца, содержащего моноокисд углерода, водород и углерод в сингазе.

Настоящее изобретение относится к способу газификации углеродсодержащих материалов с образованием синтез-газа. Способ газификации углеродсодержащих материалов в газогенераторе включает загрузку углеродсодержащих материалов в газогенератор, подачу газа, содержащего молекулярный кислород, подачу газообразного диоксида углерода и необязательно воды; причем общее количество подаваемого кислорода составляет от 0.75 до 3.0 фунт на фунт общего количества углерода, загруженного в газогенератор; при этом в газогенераторе получают золу содержащую углерод в золе, где указанная зола содержит менее 10% углерода в золе; и образуется газ, содержащий монооксид углерода, водород и деготь; который затем обрабатывают при температуре от 954°С до 1927°С в присутствии молекулярного кислорода с образованием сингаза-сырца, содержащего моноокисд углерода, водород и углерод в сингазе.

Изобретение относится к способу переработки углеводородного материала, заключающемуся в загрузке материала в бункер, подаче материала в корпус шнека, регулировке подачи материала приводом шнека, прогреве выходной камеры и поданного материала внутри корпуса шнека, выборе режима газификации поданного материала, регулировке мощности плазматронов и нагревателя, плавлении шлака и переводе его в остеклованную форму, отводе и очистке получаемой газовой смеси.

Изобретение относится к способам газификации твердого топлива и может найти применение в газификаторах прямого дутья путем пиролитического разложения твердых углеродосодержащих топлив.

Изобретение может быть использовано для производства электроэнергии из сырьевого материала, содержащего углерод, более конкретно из угля и/или сухой биомассы. Способ получения электроэнергии из сырьевого материала, содержащего углерод, включает стадии газификации сухого сырьевого материала в газификационном реакторе газовым потоком, содержащим главным образом СО2, при высокой температуре с созданием первого газового потока, включающего главным образом молекулы монооксида углерода; окисления в окислительном реакторе носителями кислорода в окисленном состоянии (МеО) при высокой температуре с созданием второго газового потока, содержащего СО2, и носители кислорода в восстановленном состоянии (Ме); активации в активационном реакторе носителей кислорода в восстановленном состоянии газовым потоком активации, включающим элементы кислорода, с созданием обедненного кислородом газового потока активации; и преобразования части тепловой энергии потока активации в электроэнергию.
Изобретение относится к металлургической газификации твердого топлива и может быть использовано в энергетике, металлургии, переработке промышленных и твердых бытовых отходов.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности и энергетике для получения энергии. В реакторе гидрогазификации одновременно нагревают углеродсодержащий материал, водород и воду при температуре и давлении, достаточных для создания потока газообразного продукта, обогащенного метаном и монооксидом углерода.

Изобретение относится к способу и устройству реформинга углеводородов. Способ включает сжигание расширенного выпуска из турбины и первого топлива внутри первой реформинг-установки, чтобы произвести отработавший газ.

Изобретение относится к высокотемпературным каталитическим окислительным способам превращения метана с получением синтез-газа и может быть использовано в химической технологии.

Изобретение относится к способу и системе для образования и обработки синтез-газа с помощью плазменной газификации отходов, включающих муниципальные твердые отходы.

Изобретение относится к способу ввода в эксплуатацию автотермического реактора для получения синтез-газа путем риформинга углеводородсодержащих сырьевых газов в реакционной камере.

Изобретение относится к высокотемпературным каталитическим окислительным способам превращения метана с получением синтез-газа и может быть использовано в химической технологии.

Изобретение относится к установкам получения водорода, водород-метановой смеси, синтез-газа, содержащего в основном Н2 и СО, для производства водорода, спиртов, аммиака, диметилового эфира, этилена, для процессов Фишера-Тропша и может быть использовано в химической промышленности для переработки углеводородных газов, а также в технологиях применения водород-метановой смеси.

Изобретение относится к способу получения водорода, водород-метановой смеси, синтез-газа, содержащего в основном H2 и CO, для производства водорода, спиртов, аммиака, диметилового эфира, этилена, для процессов Фишера-Тропша и может быть использовано в химической промышленности для переработки углеводородных газов, а также в технологиях применения водород-метановой смеси.
Изобретение относится к области химии и может быть использовано для получения водорода. Сплав для получения водорода на основе алюминия и добавки, разрушающей окисную пленку алюминия при взаимодействии с водой, содержит в качестве добавки лантан при следующем соотношении компонентов: лантан- 1,5÷3,0 мас.%, алюминий - остальное.

Изобретение относится к способу производства аммиака. Способ включает осуществление экзотермической реакции первой части потока углеводородного сырья с газообразным окислителем, содержащим молекулярный кислород, для образования синтез-газа, осуществление эндотермического реформинга второй части потока углеводородного сырья паром на катализаторе в реакторе-теплообменнике для образования синтез-газа, объединение образующихся продуктов с получением объединенного потока синтез-газа, охлаждение объединенного потока с получением пара в утилизационном паровом котле, осуществление каталитической реакции объединенного потока в реакторе каталитического сдвига монооксида углерода для производства потока, содержащего дополнительное количество Н2 и CO2, охлаждение полученного потока для получения пара, удаление CO2 из потока с получением потока, обедненного CO2, удаление потока, по существу, чистого Н2 высокого давления из потока, обедненного CO2, используя многослойные системы адсорбции со сдвигом давления, и объединение потока, по существу, чистого Н2 высокого давления с потоком, по существу, чистого N2 высокого давления для производства аммиака, при этом аммиак производят независимо от продувки контура.

Изобретение относится к способу получения метанола. Способ включает получение кислорода на установке разделения воздуха с воздушными компрессорами, приводимыми в действие газовой турбиной, нагревание потока углеводородного сырья с использованием отработанного в газовой турбине газа, экзотермическое взаимодействие первой части потока нагретого углеводородного сырья с паром или газообразным окислителем, включающим молекулярный кислород, с получением сингаза с экзотермическим выделением тепла, эндотермический риформинг второй части потока углеводородного сырья паром над катализатором в риформинг-установке с теплообменником с получением сингаза эндотермического риформинга, причем часть тепла, использованного при получении сингаза эндотермического риформинга, образуется при извлечении экзотермического тепла от образовавшегося сингаза и образовавшегося сингаза эндотермического риформинга, объединение образовавшегося с экзотермическим выделением тепла сингаза и образовавшегося сингаза эндотермического риформинга с получением потока объединенного сингаза, получение пара в котле, использующем тепло отходящего газа, охлаждением потока объединенного сингаза, отделение воды от охлажденного объединенного сингаза с получением сырья для установки по производству метанола, после отделения воды подачу охлажденного объединенного сингаза в установку по производству метанола и объединение горючего потока, выходящего из установки по производству метанола, с метановым топливом в газовой турбине.

Настоящее изобретение относится к способу саморегулируемого получения в зависимости от потребности газа (G) в погружных условиях, при этом газ (G) образуется при химической реакции между жидкостью (L) и твердым веществом (S) (например, водород, образующийся при гидролизе гидрида металла) и не загрязняется в период между его образованием и доставкой.
Наверх