Спосіб двоступінчатої каталітичної конверсії вуглеводневої сировини

Предлагаемое изобретение относится к способу конверсии углеводородного сырья и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности для получения газа для синтеза метанола, высших спиртов, аммиака, а также технического водорода. Наиболее близким техническим решением является способ двухступенчатой каталитической конверсии природного газа, где газ делят на два потока, один из которых смешивают с паром, подогревают до температуры 480°C и под давлением 3,4МПа подают на первую ступень паровую конверсию углеводородов. Процесс паровой конверсии осуществляют в трубчатом реакторе на никелевом катализаторе. Конвертированный газ с температурой 790 800°C смешивают со вторым потоком газа, увлажняют паром и подают на вторую ступень - в шахтный реактор, куда подают и кислород. В шахтном реакторе протекает парокислородная конверсия и выходящий из шахтного реактора конвертированный газ при температуре 980°C и давлении 3,3МПа подают в межтрубное пространство трубча того реактора, где он охлаждается до температуры 560 - 590°C, отдавая тепло реакционным трубам [1]. Недостатком известного способа является то, что на первой ступени конверсии используют дорогостоящий, сложный в изготовлении и эксплуатации трубчатый реактор с огневым обогревом или обогревом конвертированным газом с температурой 1700 - 600°C. Реакционные трубы изготавливаются из дорогостоящей жаропрочной стали. Катализатор конверсии располагается в трубах и для агрегатов большой мощности требуются реакторы с большим количеством труб. По конструктивным соображениям требуется в некоторых случаях использовать два и более реакторов. Конструкция трубчатого реактора сложная, а из-за большого числа реакционных труб снижается надежность его работы. Скорость эндотермической реакции паровой конверсии углеводородов в тр убах лимитируется подводом тепла от греющего. газа. При этом наблюдаются большие градиенты температур между газовым потоком и наружной поверхностью реакционной трубы, а также в слое катализатора от внутренней стенки трубы к ее центру. Температура по длине реакционной трубы в слое катализатора меняется от 400 - 530°C на входе до 750 - 880°C на выходе. Значительная часть катализатора находится при температуре 400 650°C, при которой скорость реакции низкая. Это приводит к увеличению числа труб, и х диаметра и длины и, следовательно, объема катализатора. Задачей предварительного изобретения является упрощение технологического процесса конверсии и увеличение производительности единицы объема катализатора. Указанная задача решается реализацией способа двухступенчатой каталитической конверсии углеводородного сырья путем превращения его на первой ступени за счет тепла продуктов реакции второй ступени в присутствии водяного пара с последующим превращением полученных продуктов на второй ступени в присутствии кислородсодержащего газа, причем паровую конверсию на первой ступени ведут при разности температур на входе и вы ходе из слоя катализатора 25 - 70°C за счет тепла продуктов реакции второй ступени при нагревании твердых мелкодисперсных частиц, циркулирующи х по замкнутому контуру. Температура конверсии на первой ступени составляет 629 - 773°C. Конвертированный газ на выходе из системы имеет температуру 700 - 818°C. Сущность предлагаемого способа двухступенчатой каталитической конверсии углеводородного сырья заключается в следующем. Природный газ, очищенный от сернистых соединений, смешивают с паром и направляют на 1 ступень конверсии. Возможно деление его на два потока, тогда первый поток смешивают с паром и при температуре 480 - 530°C и давлении 2 - 7МПа подают на первую ступень конверсии, где парогазовую смесь нагревают твердым мелкодисперсным теплоносителем, имеющим температуру 700 - 820°C. Затем смесь поступает в шахтный реактор на никелевый катализатор. В реакторе с заторможенным псевдоожиженным слоем проводят эндотермическую реакцию. Затем продукты реакции на выходе из первой ступени отделяют от твердых частиц и смешивают со вторым потоком природного газа, который увлажняют водяным паром и направляют на вторую ступень конверсии, на входе в которую смешивают с кислородом. В шахтном конверторе проходит каталитическая парокислородная конверсия углеводородов. Парогазовая смесь после второй ступени конверсии поступает в подогреватель твердых мелкодисперсных частиц, которые подают из первой ступени. В подогревателе твердые мелкодисперсные частицы нагревают до температуры 700 - 820°C и направляют на первую ступень конверсии для проведения реакции. Полученную парогазовую смесь используют для утилизации тепла и направляют на дальнейшую переработку. Использование на первой ступени конверсии углеводородного сырья в качестве теплоносителя твердых мелкодисперсных частиц, которые находятся в поровом пространстве зерен катализатора в режиме заторможенного псевдоожиженного слоя, позволяет отказаться от трубчато го реактора и проводить паровую конверсию в реакторе шахтного типа, что значительно упрощает технологический процесс конверсии. Перепад температур на входе и вы ходе из слоя катализатора равный 25 - 70°C достигается за счет подвода тепла с помощью твердого мелкодисперсного теплоносителя, обеспечивая при этом высокую скорость реакции во всем объеме катализатора. Выходящая из системы парогазовая смесь с температурой 700 - 820°C позволяет эффективно утилизировать тепло этого потока. Существенным отличительным признаком предлагаемого способа двухступенчатой каталитической конверсии углеводородного сырья является то, что паровую конверсию на первой ступени ведут при разности температур на входе и выходе из слоя катализатора 25 - 70°C за счет тепла продуктов реакции второй ступени при нагревании твердых мелкодисперсных частиц, циркулирующих по замкнутому контур у, причем конвертированный газ на выходе из системы имеет температуру 700 - 818°C. Приведенные ниже примеры выполнения заявляемого способа иллюстрируют практическое осуществление предлагаемого способа. Пример 1. Природный газ состава, об.%: 93,1; -2,6; - 1,3; - 0,3; - 2,7 в количестве 40000м 3/час делят на два потока. Первый поток - 16000м 3/час природного газа смешивают с паром в количестве 45600м 3/час и с температурой 530°C и давлением 3МПа подают в шахтный реактор на первую ступень конверсии, где парогазовую смесь нагревают твердым мелкодисперсным теплоносителем, имеющим температуру 726°C. После смешения температура двухфазной смеси становится равной 714°C. С такой температурой смесь поступает на никелевый катализатор в объеме 30м 3. В реакторе с заторможенным псевдоожиженным слоем проводят эндотермическую реакцию и температура на выходе из реактора снижается до 689°C. Состав сухого конвертированного газа, об.%; 25,39; - 1,10; - 11,38; - 57,56; 1,10. Количество газа - 35750м 3/час. Продукты реакции на выходе из первой ступени отделяют от твердых частиц и смешивают со вторым потоком природного газа в количестве 24000нм 3/час, который увлажняют водяным паром в количестве 12000нм 3/час. Парогазовую смесь направляют на вторую ступень конверсии, на входе в которую смешивают с кислородом в количестве 19200нм 3/час. В шахтном конверторе с объемом катализатора 36м 3 протекает конверсия углеводородов и температура на выходе из слоя катализатора составляет 969°C. Состав сухого конвертированного газа на выходе из второй ступени, об.%: - 1,69; - 22,25; 7,85; - 67,30; - 0,92. Количество сухого конвертированного газа 129200нм 3/час. Парогазовую смесь из второй ступени конверсии с температурой 969°C поступает в подогреватель твердых мелкодисперсных частиц, которые подают из первой ступени с температурой 689°C. В подогревателе твердые мелкодисперсные частицы нагревают до 726°C и направляют на первую ступень конверсии для проведения реакции. Парогазовую смесь с температурой 726°C используют для утилизации тепла и направляют на дальнейшую переработку для производства метанола, высших спиртов или технического водорода. Пример 2. Природный газ, состав которого приведен в примере 1 в количестве 40000нм 3/час смешивают с паром в количестве 104000нм 3/час и с температурой 530°C и давлением 3МПа подают в первую ступень конверсии в ша хтный реактор, где парогазовую смесь нагревают твердыми мелкодисперсными частицами, имеющими температуру 700°C. При смешении с парогазовой смесью твердых частиц температура последней повышается до 673°C и эту смесь подают на катализатор в количестве 48м 3. В зоне катализатора в присутствии заторможенного псевдоожиженного слоя твердых мелкодисперсных частиц протекают эндотермические реакции углеводородов с паром. Температура на выходе из реактора снижается до 629°C. Состав сухого конвертированного газа, об.%: - 37,57; 2,29; - 10,96; - 47,52; - 1,35, количество - 80200нм 3/час. Продукты реакции на выходе из слоя катализатора отделяют от твердого мелкодисперсного теплоносителя и подают на вторую ступень конверсии, на входе в которую смешивают с кислородом в количестве 20000нм 3/час. В ша хтном конверторе с объемом катализатора 32м 3 протекает конверсия остаточного метана с водяным паром, а температура реакционной смеси повышается до 998°C. Состав сухого конвертированного газа на выходе из второй ступени, об.%; - 0,39; 19,27; - 10,58; - 68,89; - 0,87. Количество газа 135600нм 3/час. Парогазовую смесь после второй ступени конверсии с температурой 998°C направляют в подогреватель твердого мелкодисперсного теплоносителя, который подают из первой ступени конверсии с температурой 629°C. В подогревателе твердые частицы нагревают, а парогазовую смесь охлаждают до температуры 700°C. Твердый мелкодисперсный теплоноситель подают в первую ступень конверсии, а парогазовую смесь используют для утилизации тепла и направляют на дальнейшую переработку. Пример 3. Природный газ, состав которого приведен в примере 1, делят на два потока. Первый поток 16000нм 3/час смешивают с паром в количестве 45600нм 3/час и с температурой 530°C и давлением 6,5МПа подают в первую ступень конверсии в шахтный реактор, с объемом катализатора 22м 3, где парогазовую смесь нагревают твердым мелкодисперсным теплоносителем, имеющим температуру 787°C. После смешения температура на входе в слой катализатора становится 761°C. Температура на выходе из слоя катализатора равна 726°C. Состав сухого конвертированного газа, об.%: - 28,99; - 4,40; - 10,81; - 54,64; - 1,17. Количество газа - 37190нм 3/час. Продукты реакции на выходе из реактора отделяют от твердых частиц и смешивают со вторым потоком природного газа в количестве 24000нм 3/час, который увлажняют водяным паром в количестве 12000нм 3/час. Парогазовую смесь подают во вторую ступень конверсии, на входе в которую смешивают с кислородом в количестве 20000нм 3/час. В шахтном конверторе второй ступени с объемом катализатора 34м 3 протекают реакции углеводородов, и температура на выходе из слоя катализатора составляет 1037°C. Состав сухо го конвертированного газа на выходе из второй ступени, об.%: - 2,15; - 22,96; - 7,62; - 66,32; - 0,95. Количество газа 125500нм 3/час. Парогазовую смесь с температурой 1037°C направляют в подогреватель твердого мелкодисперсного теплоносителя, который подают из первой ступени с температурой 726°C. Парогазовая смесь нагревает теплоноситель до температуры 787°C. Твердый мелкодисперсный теплоноситель подают на первую ступень конверсии. Парогазовую смесь используют для утилизации тепла и направляют на дальнейшую переработку в метанол, высшие спирты и технический водород. Пример 4. Природный газ, состав которого приведен в примере 1, в количестве 40000нм 3/час смешивают с паром в количестве 120000нм 3/час и с температурой 530°C и давлением 3МПа подают на первую ступень конверсии с объемом катализатора 68м 3, где парогазовую смесь нагревают твердым мелкодисперсным теплоносителем, имеющим температуру 818°C. После смешения температура парогазовой смеси становится 773°C. В реакторе с заторможенным псевдоожиженным слоем твердого мелкодисперсного теплоносителя протекает эндотермическая реакция углеводородов с паром и температура на выходе из реактора снижается до 703°C. Состав сухого конвертированного газа, об.%: - 23,09; - 5,17; - 11,53; - 59,16; - 1,05, количество 103040нм 3/час. Продукты реакции на выходе из реактора отделяют от твердых частиц и подают на вторую ступень конверсии, на входе в которую смешивают с кислородовоздушной смесью состава, об.%: 40; - 60, в количестве 60000нм 3/час. В шахтном конверторе второй ступени с объемом катализатора 24м 3 происходит конверсия остаточного метана и температура на выходе составляет 1239°C. Состав сухого конвертированного газа на выходе из второй ступени, об.%: - 0,10; - 16,86; - 8,16; - 52,25; - 22,63. Количество 163880нм 3/час. Парогазовую смесь из второй ступени конверсии с температурой 1239°C направляют в подогреватель твердых мелкодисперсных частиц, которые поступают из первой ступени конверсии с температурой 703°C. После смешения температура смеси становится 818°C. Твердый мелкодисперсный теплоноситель подают на первую ступень конверсии, а парогазовую смесь используют для утилизации тепла и после дальнейшей переработки получают синтез-газ для производства аммиака. Пример 5 (сравнительный). Природный газ, состава об.%: - 1,3; - 95,74; - 1,0 ; - 0,16; - 1,8, в количестве 40000нм 3/час под давлением 3МПа делят на два потока. Первый поток в количестве 16000нм 3/час с температурой 480°C подают в тр убчатый реактор с объемом катализатора 40м 3. Конвертированный газ после трубчатого реактора с температурой 792°C состава, об.%: - 9,9; - 8,7; 6,44; - 16,1; - 0,9 в количестве 43000нм 3/час смешивают со вторым потоком природного газа в количестве 24000нм 3/час увлажненным водяным паром в количестве 14400нм 3/час и нагретым до 480°C. Парогазовую смесь направляют на вторую ступень конверсии в шахтный реактор, куда подают кислород в количестве 17200нм 3/час. В шахтном реакторе с объемом катализатора 34м 3 протекают реакции и температура на выходе повышается до 980°C. Состав конвертированного газа, % об.: - 7,5; - 22,0; - 67,4; - 2,2; - 0,9. Количество конвертированного газа 129100нм 3/час. За счет тепла конвертированного газа обогревают трубчатый реактор, откуда газ выходит с температурой 587°C и направляют на дальнейшую переработку для получения метанола или технического водорода. В таблице приведены основные параметры процесса конверсии. Из таблицы видно, что температура в первой ступени конверсии составляет 629 - 773°C, причем. разность температур между входом и вы ходом составляет от 25 до 70°C. Средняя температура на первой ступени составляет от 651 до 744°C, в то время как в сравнительном примере 636°C. Более высокая температура и небольшая разность ее между входом и выходом (в сравнительном примере разность температур между входом и выходом составляет 312°C) обеспечивает более высокую производительность катализатора на первой ступени. Параметры второй ступени в заявляемом способе принципиально не отличаются от параметров, приведенных в сравнительном примере. Предлагаемый способ двухступенчатой каталитической конверсии углеводородного сырья значительно упрощает технологическую схему, повышает производительность катализатора, снижает металлоемкость реактора и увеличивает надежность процесса.