Процесс конверсии природного газа по схеме «Тандем»
Суть парокислородной каталитической конверсии природного газа по схеме «ТАНДЕМ» заключается в утилизации тепла конвертированного газа после шахтной доконверсии за счёт предварительной конверсии исходной парогазовой реакционной смеси. Для этого необходимо проведение двухступенчатого процесса, на первой ступени которого осуществляется паровая трубчатая эндотермическая конверсия природного газа за счёт тепла конвертированного газа после второй ступени кислородной доконверсии. Конвертированный газ после первой ступени конверсии имеет температуру 650 – 700оС, а после второй ступени -900 – 950оС.
Схема газовых потоков в процессе «ТАНДЕМ» представлена на рисунке 1. Из рисунка видно, что конвертированный газ после шахтного конвертера подается в трубчатый конвертор, в котором отдает тепло на процесс конверсии в реакционных трубах трубчатого конвертора.
Балансовые расчеты для процесса «ТАНДЕМ» выполнены по методу «черного ящика» [3].
Согласно указанному методу обе ступени конверсии метана рассматриваются совместно без детализации внутренних процессов. Система имеет два входа (потоки исходной парогазовой смеси и парокислородной смеси) и выход – поток конвертированного газа из межтрубного пространства конвертора. Существуют ограничения на параметры, например, в данном случае, на остаточное содержание метана в выходящем потоке [3]. Решение системы трансцендентных уравнений, описывающих процесс, позволяет определить искомые параметры.
Необходимое количество кислорода, для проведения процесса определяется из теплового баланса всего отделения:
,
здесь
- энтальпии входного потока газа, потока
кислорода и потока греющего газа на
выходе из межтрубного пространства
трубчатого реактора соответственно;
- потери тепла в шахтном реакторе.
Для решения трансцендентного уравнения
теплового баланса необходимо знать
состав выходящего газа для определения
.
Температура греющего газа на выходе из
межтрубного пространства задана, а
состав газа не изменяется после выхода
из шахтного реактора. Поэтому на
каждом шаге решения рассчитывается
равновесие на выходе шахтного реактора
(% CH4 в сухом
конвертированном газе задается) и,
соответственно, определяется температура
газа на выходе из шахтного реактора.
Следующим шагом из теплового баланса трубчатого реактора определяются температура и состав газа на выходе трубчатого реактора.
,
где:
- энтальпии входного и выходного потоков
реакционного и греющего газа соответственно.
3. Катализаторы для автотермической конверсии
Все реакции, участвующие в процессе конверсии природного газа протекают в газовой фазе с участием твердого пористого катализатора содержащего никель, количество которого зависит от марки катализатора.
В настоящее время выпускают отечественные никелевые катализаторы нанесенного типа, например, ГИАП-3, ГИАП-8 и смешанного типа ГИАП-16. Кроме того, в качестве верхнего защитного слоя во вторичных шахтных реакторах применяют хромоалюминиевый катализатор нанесенного типа марки ГИАП-14.
Катализаторы по их назначению можно подразделить на две основные группы: катализаторы эндотермической конверсии в трубчатых аппаратах и катализаторы автотермической конверсии в шахтных реакторах.
Для процессов протекающих на пористых катализаторах важно обеспечить доступ реагентов и отвод продуктов реакции в основной газовый поток. Поэтому в последнее время разработаны катализаторы имеющую сложную геометрическую форму, например, катализаторы фирмы «Топсе» с 7 дырками: R-67-7H- для трубчатой конверсии, RKS-2 – для шахтной конверсии или новейшие разработки этой же фирмы для конверсии сырья, содержащего большое количество высших углеводородов -RK-211, RK-201 [5].
Поскольку в природном газе присутствуют следы серы, являющимся отравляющим веществом для катализаторов конверсии, то необходимо добавление водородной фракции к природному газу для проведения процесса сероочистки и, соответственно пересчет состава исходной парогазовой смеси. В программе расчета предусмотрена возможность смешения исходной парогазовой смеси с водородной фракцией.