Способ управления процессом получения синтез-газа



Способ управления процессом получения синтез-газа
Способ управления процессом получения синтез-газа
Способ управления процессом получения синтез-газа
Способ управления процессом получения синтез-газа

 


Владельцы патента RU 2632825:

Общество с ограниченной ответственностью "Генератор синтез-газа" (RU)

Изобретение относится к технологии получения синтез-газа из углеводородных газов путем их парциального окисления для целевого использования в качестве промежуточного продукта в нефте- и газохимических производствах. Заявлен способ управления процессом получения синтез-газа путем парциального окисления углеводородных газов кислородом в камере сгорания реактора, оборудованного узлами ввода углеводородного газа и кислорода. В узел ввода углеводородного газа, в качестве которого используют попутные нефтяные газы, установлен газоанализатор, узлы ввода углеводородного газа и кислорода оборудованы расходомерами-регуляторами массового расхода, управление которыми осуществляют системой автоматического управления, которая по результатам дискретно поступающей с газоанализатора информации о текущей концентрации метана в попутном нефтяном газе автоматически рассчитывает скорректированные значения массовых расходов углеводородного газа и кислорода, которые в виде управляющих напряжений подают на входы каждого из расходомеров-регуляторов углеводородного газа и кислорода. Технический результат – стабилизация состава синтез-газа, повышение технико-экономических показателей установок, использующих конверсию синтез-газа для получения конечных товарных продуктов. 2 ил., 2 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к технологии получения синтез-газа из углеводородных газов (УВГ) - метана, природного газа, попутных нефтяных газов (ПНГ), каменноугольных и сланцевых газов и др. - путем их парциального окисления для целевого использования в качестве промежуточного продукта в различных нефте- и газохимических производствах.

Синтез-газ, представляющий собой смесь водорода (Н2) и монооксида углерода (СО), широко применяется в качестве сырья для химической промышленности в технологиях получения водорода, метанола, моторных топлив и других товарных продуктов. Требования к составу синтез-газа определяются параметрами технологических процессов конверсии синтез-газа, предназначенного для получения конкретных товарных продуктов. Например, в технологиях получения водорода для увеличения его выхода желательно добиваться максимального отношения объемных концентраций компонентов синтез-газа Сн2со, при этом рабочие давления процессов находятся в диапазоне 1,0-3,0 МПа. Для получения метанола желаемое отношение объемных концентраций компонентов синтез-газа Сн2/Cco≈2,1-2,4 при рабочих давлениях в диапазоне 5,0-10,0 МПа.

Важнейшим химическим соединением, входящим в состав УВГ и определяющим в конечном итоге балансовые соотношения продуктов парциального окисления, является метан. Объемная концентрация метана, имеющего наибольшее водородное число среди входящих в состав УВГ химических соединений, может варьироваться в широких пределах от 20 до 95 об. % в зависимости от типа УВГ, характеристик месторождений УВГ и других факторов. Поэтому и соотношение компонентов синтез-газа, и массовое содержание синтез-газа по отношению к балластным газам (водяной пар, двуокись углерода, азот и его окислы) в продуктах парциального окисления УВГ может значительно изменяться. Таким образом, синтез-газ может иметь различный качественный и количественный состав, поэтому режимы его получения должны быть управляемыми для получения желаемых соотношений компонентов.

Известны различные технологии получения синтез-газа. Одним из перспективных и находящих все более широкое применение способов его получения является метод парциального окисления УВГ кислородом, обогащенным кислородом воздухом или воздухом при давлениях 0,2-10,0 МПа и расходе кислорода 0,2-0,4 от стехиометрии (1,0), реализуемый в реакторах парциального окисления - газогенераторах синтез-газа.

Управление технологическим процессом получения синтез-газа заданного состава состоит в стабилизации параметров номинального режима парциального окисления в реакторах, а управляющими воздействиями на процесс являются массовые расходы подачи реагентов (УВГ и окислителя) в реактор. При этом требуемую производительность реактора по синтез-газу и желаемое соотношение его компонентов в традиционных способах управления поддерживают путем подачи постоянных массовых расходов реагентов в строгом соответствии с их расчетными количествами.

Одним из основных параметров, характеризующих технологический режим парциального окисления УВГ, является коэффициент избытка окислителя, рассчитываемый по формуле

где mc - массовый расход УВГ, mo - массовый расход окислителя; Km0 - стехиометрическое значение соотношения компонентов для пары окислитель - УВГ (например, для пары кислород - ПНГ это значение, изменяющееся в зависимости от концентрации метана в ПНГ, составляет Km0=2,9-4,2).

Как правило, , где - значение коэффициента избытка окислителя в номинальном режиме, который выбирается по данным предварительных термодинамических расчетов для конкретной пары окислитель - УВГ, исходя из условий обеспечения заданного состава синтез-газа в номинальном режиме, предотвращения сажеобразования, ограничения температуры газа на выходе реактора и других факторов.

Известны способ и устройство для получения синтез-газа (пат. РФ 2191743, опубл. 27.10.2002 г.). Способ получения синтез-газа включает смешивание углеводородного сырья с воздухом в соотношении, соответствующем коэффициенту избытка окислителя меньше 1, принудительное воспламенение воздушно-углеводородной смеси и парциальное окисление углеводородного сырья кислородом воздуха в реакционной зоне, охлаждение с последующим выводом продуктов процесса, содержащих синтез-газ. Парциальное окисление углеводородного сырья проводят в проточной камере горения, при этом принудительное воспламенение проводят при коэффициенте избытка окислителя =0,6-0,7, и после прогрева проточной камеры горения соотношение кислорода к углеводородному сырью доводят до уровня, соответствующего значению =0,30-0,56. Устройство для получения синтез-газа включает камеру парциального окисления углеводородного сырья кислородом воздуха, смеситель. Также оно снабжено системой предварительного подогрева реагентов и регулятором расхода углеводородного сырья. Как следует из описания данного способа и описания самого устройства, процесс получения синтез-газа фактически не управляется. Настройка параметров режима парциального окисления осуществляется вручную через регулятор расхода подаваемого на смешение с окислителем углеводородного сырья.

Другим примером регулирования процесса получения синтез-газа является устройство по пат. РФ №2535121 и способ получения синтез-газа, реализуемый в этом устройстве согласно пат. РФ №2521377. Сущность способа в том, что с целью обеспечения максимальной гомогенизации реакционной смеси осуществляют идеальное смешивание УВГ с окислителем в специализированных технологических узлах установки. Узел ввода реагентов содержит регулятор-расходомер, обеспечивающий в ручном режиме подачу рассчитанного количества УВГ.

Установка работает следующим образом: окислитель готовят смешением обогащенного кислородом воздуха с водяным паром. Воздух поступает в аппарат обогащения воздуха кислородом, затем кислородно-воздушная смесь по магистралям поступает на компрессор, а затем в смеситель А, в который также подается водяной пар. В смесителе А образуется паро-кислородно-воздушная смесь, которая затем поступает в смеситель Б. Все линии подачи оснащены датчиками температуры, давления и расхода, контролирующими параметры смеси в магистралях. Исходное сырье - углеводородный газ - подается компрессором в охлаждающий тракт - рубашку реактора. Такой способ управления процессом не обеспечивает требуемое качество синтез-газа при использовании нестабильного сырья, особенно ПНГ. Поэтому в этих случаях необходимо проводить перерасчеты соотношения реагентов, исходя из реальных показателей содержания метана в ПНГ.

Недостатком традиционного способа является невозможность учета изменения энтальпии горючего в случае использования УВГ с изменяющейся концентрацией входящих в его состав химических соединений, главным образом метана. В результате соотношение компонентов синтез-газа на выходе может выходить за пределы допустимого диапазона, также изменяется и массовый расход синтез-газа вследствие изменения концентрации продуктов сгорания в водородсодержащем газе на выходе реактора.

Существующие известные способы получения синтез-газа, в том числе и способ по пат. РФ №2521377, принятый за прототип, не позволяют осуществлять оперативное управление процессом с целью получения синтез-газа заданного состава в условиях поступления на переработку неоднородного сырья или при необходимости поддержания заданной производительности установки. Так, при поступлении УВГ со значительно отличающимся от номинального значения содержанием метана приходится производить перерасчет потребных реагентов для обеспечения требуемого состава синтез-газа. При использовании в качестве окислителя обогащенного воздуха с различным уровнем содержания кислорода также приходится производить перерасчет массовых расходов реагентов. В силу названных причин изменяются производительность установки, эксплуатационные расходы и стоимость синтез-газа.

Целью предлагаемого изобретения является техническое решение по автоматическому управлению процессом получения синтез-газа в установках с реакторами парциального окисления УВГ, оборудованных технологическими узлами для осуществления процесса.

Задача решается путем обустройства узла ввода УВГ газоанализатором оперативного контроля и его подсоединения к системе автоматического управления (САУ), что позволяет периодически измерять объемную концентрацию метана в УВГ и использовать эту информацию для целей управления.

Достигаемым техническим результатом от конструктивных решений по осуществлению оперативного контроля за составом сырья и формированием по данным контроля управляющих воздействий на расходомеры-регуляторы для обеспечения скорректированных количественных соотношений реагентов в реакторе является стабилизация требуемого состава синтез-газа как целевого продукта для последующего химического синтеза. Вследствие этого достигается повышение технико-экономических показателей установок, использующих конверсию синтез-газа для получения конечных товарных продуктов.

Способ управления процессом получения синтез-газа иллюстрируется блок-схемой САУ, изображенной на рис. 1, где обозначены: 1 - персональный компьютер (ПК), 2 - газоанализатор, 3 - расходомер - регулятор окислителя (РХМ1), 4 - расходомер-регулятор УВГ (РХМ2), 5 - блок газогенератора синтез-газа, 6 - блок информационных датчиков (чувствительных элементов). Газоанализатор ГАММА-100, производитель «Аналитприборы», г. Смоленск. Расходомеры-регуляторы марки F-206AI-AGD-55-V, серия EL-FLOW, производитель Bronkhorst High-Tech B.V., Нидерланды.

В основу САУ заложен оригинальный алгоритм управления, который реализуется с учетом дискретно поступающей в ПК информации о составе УВГ. В ПК автоматически пересчитываются значения массовых расходов реагентов для каждой линии подачи и формируются управляющие сигналы, которые через цифро-аналоговые преобразователи подаются в виде управляющих напряжений на исполнительные устройства САУ - расходомеры-регуляторы УВГ и окислителя. В алгоритме также учитываются данные о стехиометрических отношениях компонентов подачи Km0 и данные предварительно проведенных термодинамических расчетов отношений объемных концентраций компонентов синтез-газа при различных концентрациях метана в УВГ.

Пример реализации способа управления в соответствии с разработанным алгоритмом.

Шаг 1. Измерение на произвольном текущем шаге управления n концентрации метана в УВГ с помощью газоанализатора и передача информации в ПК.

Шаг 2. Определение по данным предварительных термодинамических расчетов стехиометрического соотношения компонентов подачи Km0(n).

В таблице 1 приведены значения стехиометрических соотношений для принятых в качестве примера следующих реагентов: углеводородный газ - ПНГ, окислитель - кислород.

Шаг 3. Определение текущего значения (Сн2/Cco)(n) по данным предварительных термодинамических расчетов при (n-1) и Спнг(n).

Для пары ПНГ - кислород, взятой в качестве примера, эти значения определяются согласно графикам, полученным в результате предварительных термодинамических расчетов и приведенным на рис. 2.

Шаг 4. Расчет Δ=(Сн2со)(n)-(Сн2со)н, где (Сн2со)н - номинальное отношение компонентов синтез-газа, задаваемое в технических условиях.

Шаг 5. Проверка условия , где Δн - заданная допустимая погрешность реализации отношения компонентов синтез-газа.

Если условие выполняется, то корректировки сигналов управления на текущем шаге не требуется, иначе переходят к следующему шагу.

Шаг 6. Из рис. 2 по графику, соответствующему Спнг(n), определяют (n), при котором (Сн2со)(n)=(Сн2со)н.

Шаг 7. Проверка условия

При выполнении условия можно проводить корректировку сигнала управления массовыми расходами компонентов подачи. Невыполнение условия является признаком аварийной ситуации.

Шаг 8. Расчет массовых расходов компонентов подачи на основе формулы (1).

Как следует из формулы (1), желаемого отношения компонентов синтез-газа можно достичь путем согласованного изменения массовых расходов обоих компонентов подачи. Возможно управление только по одному каналу массового расхода окислителя при неизменном расчетном значении массового расхода УВГ, что имеет ряд преимуществ: во-первых, более простое управление; во-вторых, регулирование ведется, как правило, в сторону уменьшения массового расхода окислителя, поскольку чаще приходиться работать на менее обогащенных смесях с более низкой концентрацией метана в УВГ.

Система управления работает следующим образом. В ПК поступают информационные сигналы с датчиков температуры, расходов, давлений в магистралях установки, а также информация о концентрации метана в УВГ с газоанализатора 2. В соответствии с показаниями газоанализатора 2 по данным предварительно проведенных термодинамических расчетов, занесенных в ПК (в примере иллюстрируются графиками, приведенными на рис. 2), определяется коэффициент избытка окислителя, при котором для текущей концентрации метана в УВГ достигается требуемое соотношение компонентов синтез-газа. С использованием найденного коэффициента избытка окислителя и массового стехиометрического соотношения УВГ-окислитель по формуле (1) рассчитывают скорректированные значения массовых расходов компонентов.

Управляющие сигналы в виде напряжений подаются от ПК через стандартные устройства сопряжения на исполнительные механизмы САУ - расходомеры-регуляторы 3,4 массового расхода окислителя (РХМ1) и УВГ (РХМ2).

Способ осуществления управления поясняется примером.

Пример. Пусть в качестве окислителя используется кислород, а в качестве углеводородного газа - ПНГ. Параметры номинального режима: =0,35, , давление газа в камере горения реактора 5,0 МПа, mпнг=135,20 г/с, mk=150 г/с, номинальная концентрация метана в ПНГ составляет , диапазон изменения концентраций метана в ПНГ от 0,55 до 0,95, содержание паров воды составляет 20% к массе ПНГ, Km0=3,17. Требуемое соотношение объемных концентраций компонентов синтез-газа составляет , допустимая погрешность Δн=0,03.

Шаг 1. Пусть в произвольный n-ый момент времени концентрация метана в ПНГ изменилась и составила Спнг(n)=0,65. Пусть, например, предыдущие значения настроек и параметров на n-1 шаге соответствовали номинальному режиму.

Шаг 2. По данным таблицы 1 имеем Km0(n)=2,99.

Шаг 3. При и Спнг(n)=0,65 определим по графику на рис. 2 текущее значение (Сн2со)=1,63.

Шаг 4. Рассчитаем Δ=(Сн2со)-(Сн2со)н=1,63-1,75=-0,12.

Шаг 5. Найдем , откуда следует необходимость корректировки управляющих воздействий.

Шаг 6. Из рис. 2 по графику, соответствующему Спнг(n)=0,65, найдем, что для достижения (Сн2со)(n)=(Сн2со)н=1,75 необходимо обеспечить (n)=0,31.

Шаг 7. Найдем , т.е. значение (n) не выходит за допустимые пределы, и можно проводить корректировку сигнала управления массовыми расходами компонентов подачи.

Шаг 8. По формуле (1) при постоянном значении mпнг рассчитаем.

mk(n)=(n)⋅Km0(n)⋅mпнг=0.31⋅2,99⋅135,12=125,24 г/с.

В таблице 2 приведены данные о составе синтез-газа при изменении концентрации метана в ПНГ до и после введения корректирующего управления, где обозначены: , - массовые концентрации компонентов в синтез-газе на выходе камеры сгорания ВТР, М - массовый расход синтез-газа.

Как следует из таблицы 2, управление по предлагаемому способу компенсирует влияние возмущения, связанного с уменьшением концентрации метана в ПНГ по сравнению с номинальным режимом, и обеспечивает требуемое отношение объемных концентраций компонентов синтез-газа.

Таким образом, предлагаемый способ управления технологическим процессом парциального окисления УВГ позволяет оперативно стабилизировать состав синтез-газа на выходе газогенератора в условиях значительного изменения состава УВГ, а также стабилизировать состав синтез-газа в случае использования окислителя с различной заранее известной объемной концентрацией кислорода.

Способ управления процессом получения синтез-газа путем парциального окисления углеводородных газов кислородом в камере сгорания реактора, оборудованного узлами ввода углеводородного газа и кислорода, отличающийся тем, что в узел ввода углеводородного газа, в качестве которого используют попутные нефтяные газы, установлен газоанализатор, узлы ввода углеводородного газа и кислорода оборудованы расходомерами-регуляторами массового расхода, управление которыми осуществляют системой автоматического управления, которая по результатам дискретно поступающей с газоанализатора информации о текущей концентрации метана в попутном нефтяном газе автоматически рассчитывает скорректированные значения массовых расходов углеводородного газа и кислорода, которые в виде управляющих напряжений подают на входы каждого из расходомеров-регуляторов углеводородного газа и кислорода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии переработки газового сырья, в частности к способу получения синтез-газа, который может быть в дальнейшем использован для процессов синтеза метанола.
Изобретение может быть использовано в наноэлектронике. Частицы графита помещают в вакуум между электродами, при этом разность потенциалов устанавливают достаточной для электродинамического ожижения частиц и получения ими энергии, превышающей работу, необходимую для их раскола по плоскостям спайности на слои графена при хрупком разрушении во время ударов об электроды.

Изобретение относится к катализатору для гетерогенного катализа, который содержит по меньшей мере смешанный оксид никеля и магния и магниевую шпинель, где смешанный оксид никеля и магния обладает средним размером кристаллитов ≤100 нм, фаза магниевой шпинели обладает средним размером кристаллитов ≤100 нм.

Изобретение может быть использовано в энергетической, нефтехимической, химической, металлургической отраслях промышленности. Способ получения водорода из газовых смесей, содержащих диоксид углерода, осуществляют путем его абсорбционного удаления абсорбентом на основе водных растворов аминов, способ включает процессы абсорбции диоксида углерода при повышенном давлении, расширения насыщенного абсорбента в турбине с получением механической энергии, регенерации насыщенного абсорбента при повышенной температуре и/или пониженном давлении с подводом тепла через кипятильник, рекуперации тепла горячего регенерированного абсорбента, сжатие регенерированного абсорбента насосом, охлаждение регенерированного абсорбента в холодильнике и подачу его в абсорбер, а также охлаждение парогазовой фазы, выделенной при регенерации абсорбента.

Изобретение относится к способу получения ацетилена и синтез-газа путем частичного окисления углеводородов при помощи кислорода, причем первый исходный поток, содержащий один или несколько углеводородов, и второй исходный поток, содержащий кислород, предварительно нагреваются отдельно друг от друга, смешиваются в соотношении массовых потоков из второго исходного потока и первого исходного потока, соответствующем кислородному числу λ, меньше или равному 0,35, причем под кислородным числом λ понимают соотношение из фактически присутствующего во втором исходном потоке количества кислорода и стехиометрически необходимого количества кислорода, которое требуется для полного сгорания одного или нескольких углеводородов, содержащихся в первом исходном потоке, посредством блока горелок (В) подаются в камеру сгорания (F), где происходит частичное окисление этих углеводородов с получением крекинг-газа, который после камеры сгорания относительно направления движения потока при помощи впрыскивания масла для гашения подвергается гашению до температуры от 200 до 250°С.

Изобретение относится к утилизации органических отходов, а именно к устройствам для их переработки путем пиролиза с получением генераторного газа, и может быть использовано для утилизации отходов заводов по производству риса и овса с получением аморфного кремнийсодержащего остатка.

Изобретение относится к установке получения водорода методом паровой конверсии углеводородного сырья и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Изобретение относится к химической и фармацевтической промышленности и может быть использовано в медицине для лечения аллергии, астмы, дерматитов, ишемических болезней, радиационных поражений.

Изобретение относится к способу получения метанола, включающему комбинированную конверсию газообразных реагентов в синтез-газ, синтез метанола и отбор готового продукта.

Изобретение относится к нефте- и газохимии, а именно к способам получения углеводородов путем каталитической конверсии смеси, преимущественно содержащий СО, Н2. Получаемые при этом жидкие углеводородные фракции могут быть использованы в качестве топлив, в том числе автомобильных, характеризующихся высокой экологической чистотой.
Изобретение относится к технологии получения синтетических алмазов методом динамического детонационного синтеза и может быть использовано для очистки и извлечения высокочистого алмаза из первичных продуктов. Способ очистки алмазов осуществляют в водных растворах азотной кислоты под давлением и при повышенной температуре, при этом заранее приготовленную суспензию шихты с концентрацией твердой фазы 0,5-8% в водном растворе азотной кислоты концентрации 10-40% с добавками 10-40 в.ч. нитрата аммония на 1 в.ч. шихты обрабатывают в автоклаве при температуре 180-280°С при непрерывном перемешивании реакционной массы, обеспечивающем поддержание суспензии во взвешенном состоянии с отводом избыточных газов окисления, превышающих заданный уровень давления в пределах 2-10 МПа до прекращения выделения газообразных продуктов, после чего реакционную массу охлаждают до 40-180°С, разделяют на газовую и жидкую фазы, которые раздельно дросселируют до атмосферного давления и отмывают суспензию очищенных алмазов деионизованной водой от остатков нитратов. Изобретение позволяет проводить окислительную обработку алмазов без выделения токсичных окислов азота, требующих утилизации и регенерации, и обеспечивает возможность поддержания высокой активности окисляющего агента в течение всего периода реакции. В результате очистки шихты детонационного динамического синтеза уровень остаточного окисляемого углерода составляет менее 0,2%, остаточной зольности продукта менее 0,3%. 2 з.п. ф-лы, 5 пр.

Группа изобретений относится к способу получения водородсодержащего газа для производства метанола из углеводородных газов (метана, природного газа, попутных нефтяных газов, сланцевых газов) и устройству для осуществления способа, и могут быть использованы в химической, нефте- и газохимической отраслях промышленности, в том числе при создании малотоннажных газохимических производств. Способ включает раздельную подачу при повышенном давлении углеводородного газа, предварительно смешанного с водяным паром, и подогретого окислителя в форсуночную головку реактора в турбулентном режиме течения газов, смешивание смеси газов и парциальное окисление увлажненного углеводородного газа при температуре ниже 1400°C кислородом окислителя в камере горения реактора, начальное охлаждение водородсодержащего газа потоком воды, дальнейшее охлаждение водородсодержащего газа в первом теплообменнике, в котором осуществляется получение водяного пара для смешивания с углеводородным газом, охлаждение во втором теплообменнике, в котором осуществляется подогрев углеводородного газа, и охлаждение в котле-утилизаторе, в котором вырабатывается технологический пар для потребителя, затем подачу охлажденного после котла-утилизатора водородсодержащего газа в блок коррекции, в котором осуществляется частичная паровая каталитическая конверсия монооксида углерода с целью получения оптимального для синтеза метанола мольного соотношения Н2/СО≈2,1-2,4, далее охлаждение водородсодержащего газа в третьем теплообменнике-холодильнике, отделение жидкой фазы в сепараторе, подогрев отходящего после сепаратора сухого водородсодержащего газа в четвертом теплообменнике паром, вырабатываемым в третьем теплообменнике-холодильнике, и подачу на вход блока синтеза метанола. Группа изобретений обеспечивает эффективное получение водородсодержащего газа, требуемого для производства метанола, состава и параметров, исключение образования сажи и оксидов азота. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил., 7 табл., 7 пр.
Наверх