Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время наблюдается устойчивый рост потребности на мировых рынках на высокооктановые, экологически чистые топлива класса Евро-4, Евро-5. Последние производятся на основе нефти и природного газа. Но качество моторных топлив из природного газа существенно выше. В Российской Федерации основные запасы природного газа расположены в Арктической зоне, характеризующейся неразвитой сетью железных дорог. Трубопроводный транспорт газа для малодебитных месторождений и месторождений с низким пластовым давлением нерентабелен, хотя мощности подобных месторождений исчисляются десятками миллиардов кубических метров газа. Поэтому является перспективным производство жидких углеводородных моторных топлив или жидких продуктов нефтехимического синтеза непосредственно на промыслах, ибо транспорт последних автомобильным и водным транспортом дешев и рентабелен. Среди ключевых продуктов нефтехимического синтеза важное значение имеет метанол, так как он может быть непосредственно использован на промыслах в качестве ингибитора гидратообразования, так и в качестве сырья для производства моторных топлив на стационарных ГПЗ. Причем создаваемые блочно-модульные, мобильные установки переработки газа должны состоять из элементов, которые традиционно эксплуатируются на УКПГ. Следовательно, эксплуатация подобных установок не будет представлять значительных трудностей. Вышеизложенное указывает на своевременность и актуальность данной работы.
Цель работы. Разработка и исследование энергозамкнутого процесса переработки природного газа в энергокаталитических машинах в синтез-газ с последующей конверсией синтез-газа в метанол.
Поставленная цель достигается решением следующих задач: 1. Разработка процесса гомогенного парциального окисления природного газа в газовых турбинах.
2. Построение модели процесса гомогенного парциального окисления
природного газа.
Расчет режимов эксплуатации газовых турбин без выделения свободного углерода и при селективности более 85 % преобразования метана в синтез-газ.
Построение кинетической модели каталитических реакций на никелевых катализаторах паровой конверсии метана и оксида углерода.
5. Построение модели зерна катализатора и опытно-промышленного
реактора паровой конверсии метана производительностью по метанолу 0,5 тонн
в час или 4 000 тонн в год.
6. Построение модели энергокаталитического агрегата конверсии метана в
метанол производительностью 10 000 тонн в год.
7. Разработка технологии энергозамкнутого процесса переработки
низконапорного природного газа в метанол.
Научная новизна. Предложен метод решения жестких систем кинетических дифференциальных уравнений парциального окисления метана и метод решения уравнений модели паровой конверсии метана.
Создан комплекс алгоритмов и программ решения уравнений моделей аппаратов процессов получения из природного газа синтез-газа и метанола.
Построена кинетическая модель реакции паровой конверсии метана оксида углерода и по экспериментальным данным оценены константы кинетической модели. Показано соответствие модели эксперименту.
Построена модель зерна катализатора для процесса получения водорода. Оценены по модели факторы эффективности работы зерна катализатора для ключевых веществ и стехиометрических реакций итоговых уравнений по маршрутам для основных технологических режимов эксплуатации каталитического реактора. Показано соответствие расчетных факторов эффективности и экспериментально определенных.
Построена модель каталитического процесса получения водорода.
По модели рассчитаны конструктивные параметры реактора и режимы его эксплуатации для производительности реактора в 900 м водорода в час.
Построена модель газо-турбинной установки производства синтез-газа парциальным окислением природного газа производительностью по сырью 1120 м /час. Показано соответствие модели стендовому эксперименту.
Выполнен термодинамический анализ работы газотурбинной установки. Определены зависимости состава производимого синтез-газа от мольного соотношения горючее-окислитель, температуры и давления в камере сгорания. Установлены границы области бессажевого горения в газовой турбине.
Предложена энергозамкнутая, ресурсосберегающая химико-
технологическая схема конверсии природного газа в метанол. Установлены конструктивные размеры основных аппаратов блочно-модульной установки и режимы их эксплуатации, обеспечивающие низкую себестоимость производимой продукции.
Практическая ценность работы. Разработан бифункциональный никель-хромовый катализатор получения водорода методом паровой конверсии природного газа, обеспечивающий повышенное содержание водорода в продуктовом газе. Предложена конструкция каталитического реактора получения водорода и установлены энергосберегающие режимы ее эксплуатации.
Установлены режимы эксплуатации газовой турбины, позволяющие конвертировать метан в синтез-газ со степенью использования сырья по углероду свыше 85 % и при мольном соотношении водорода и оксида углерода, равному 1,85-1,90.
Предложена конструкция блочно-модульной, энерго-, ресурсосберегающей установки производительностью по метанолу 10 000 тонн в год. Оценены тепловые и материальные балансы отдельных аппаратов установки и ХТС в целом. Показана высокая рентабельность эксплуатации разработанного блочно-модульного агрегата.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы декларировались и обсуждались на Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии (Москва, 2004-2007 г.г.), конференции «Математические методы в технике и технологии ММТТ» (Воронеж, 2006 г.)
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 5 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 120 страницах и состоит из введения, шести глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа содержит 11 рисунков и 25 таблиц. Список использованной литературы включает источники 180 наименований, из них 115 на иностранных языках.
