Анализ зависимости расхода природного газа на тонну синтетического метанола от технологических особенностей организации процесса

Реклама. ООО «ИЭС», ИНН 7707520310
Erid: F7NfYUJCUneTTxQCQ7c8

Метанол является одним из важнейших продуктов органического синетза. Он находит широкое применение в качестве растворителя, полупродукта при производстве других продуктов (формальдегида, диметилтерефталата, метилметакрилата, метиламина, уксусной кислоты, карбамидных смол и др.) Только на производство формальдегида расходуется 40-50% общего объема производства метанола.

Кроме того, в последнее время метанол начали широко использовать в качестве сырья для микробиологического синтеза белка, в качестве источника энергии, а также для синтеза компонента моторных топлив – метилтретбутилового эфира – эффективного антидетонатора. В настоящее время производство метанола по объему занимает 7-8-е место среди остальных производств органических продуктов.

Большинство крупных производств метанола базируется на использовании природного газа. Для получения исходного газа углеводородное сырье подвергают конверсии различными окислителями — кислородом, водяным паром, двуокисью углерода и их смесями.

В зависимости от используемых видов окислителей или их смесей различают следующие способы конверсии: паро-углекислотная при атмосферном или повышенном давлениях, паро-углекислотная с применением кислорода, высокотемпературная и паро-углекислородная газификация жидких или твердых топлив. Выбор окислителя или их комбинации определяется назначением получаемого исходного газа (для синтеза метанола на цинк-хромовом или медьсодержащем катализаторах) и технико-экономическими факторами.

Текст:

Актуальность исследования

Расходные коэффициенты — величины, характеризующие расход различных видов сырья, воды, топлива, электроэнергии, пара на единицу полученной продукции. Особое значение имеют расходные коэффициенты по сырью, поскольку для большинства химических производств 50-70% себестоимости продукции приходится на эту статью расхода.

Целями нахождения и совершенствования методик по расчету расходных коэффициентов являются в основном определение расхода сырья и вспомогательных материалов для обеспечения заданной производительности по целевому продукту, оценка экономической эффективности и выявление возможных путей усовершенствования процесса и его интенсификации, калькуляция себестоимости получаемого продукта, так как расходные коэффициенты по сырью на 50–70% определяют этот показатель, анализ влияния изменения основных технологических параметров на технико-экономические показатели процесса.

Для достижения этих целей при расчёте расходных коэффициентов учитывают селективность процесса, механические потери сырья и продуктов, степень извлечения целевого продукта из продуктов реакции и другие факторы.

Основным компонентом природного газа является метан; наиболее значительно меняется содержание гомологов метана (этан, пропан, бутан) и инертных газов. Природный газ является основным сырьем для производства метанола. Таким образом, этот компонент является основным составляющим себестоимости.

Расход природного газа на тонну метанола зависит от большого числа параметров:

• Способы конверсии природного газа (в т.ч. соотношение пар/газ), синтеза метанола (тип реактора, производительность циркуляционного компрессора), ректификации, их аппаратурное оформление и технологические параметры (температура, давление, процент нагрузки от проектного значения);
• Катализаторы конверсии и синтеза, их пробег, активность, селективность;
• Характеристика сырья: природного газа (средняя молекулярная масса, содержание гомологов и примесей соединений серы), технического кислорода (содержание инертных для конверсии и синтеза примесей азота и аргона) и прочее.

Литературный обзор

Авторами [1, с.170-172] приводятся следующие предельные (минимальные) затраты природного газа на 1 тонну метанола:

• 700 нм³ ПГ/т для парокислородной конверсии исходного газа;
• 525 нм³ ПГ/т для пароуглекислотной конверсии исходного газа.

Следует заметить, что данные приведены с большими допущениями: в качестве исходного газа принят чистый метан, все сырье полностью перерабатывается в продукты реакции, не учитываются технологические потери сырья, полупродуктов и целевого продукта.

В отчете Института финансовых исследований [2, с.17] приводится значение 850-900 нм³ ПГ/т, подтвержденное специалистами профильных компаний.

В справочнике 2016 г. [3, с.140] приведены следующие данные по расходным нормам природного газа на тонну метанола: 1184, 1300 и 1152 нм³ ПГ/т для различных схем синтеза на цинк-хромовых катализаторах и 1131 и 1165 нм³ ПГ/т для схем синтеза метанола на цинк-медных катализаторах. Данные значения расхода явно являются устаревшими и завышенными, так как взяты из издания 1984 г. [4, с.115]. К тому же приведенные в справочнике технологические схемы синтеза не привязаны к технологическим схемам конверсии исходного газа и не показывают зависимость от них.

В современной научно-технической литературе приведены следующие данные по расходным нормам: в [5, с.156] для каталитической конверсии природного газа в трубчатой печи расходная норма на тонну метанола – 1022 нм³ ПГ/т, в т.ч. 760 нм³ ПГ/т на технологию и 262 нм³ ПГ/т в качестве топлива.

В другом современном издании [6, с.179] приведены следующие данные по расходным нормам в зависимости от типа процесса:

• Паровой риформинг – 35,24 ГДж/т (1036 нм³ ПГ/т);
• Паровой риформинг  с частичным добавлением СО₂ – 33,72 ГДж/т (991 нм³ ПГ/т);
• Комбинированный риформинг – 33,16 ГДж/т (975 нм³ ПГ/т);
• Технология ОГР+АТР, лежащая в основе технологии получения метанола LCM – 31,94 ГДж/т (939 нм³ ПГ/т).

У этих же авторов [6, с.195] приведены следующие данные по расходным нормам в зависимости от конкретного производителя метанола:

• ICI LPM – 30,30 ГДж/т (891 нм³ ПГ/т);
• ICI LCM – 26,76 ГДж/т (767 нм³ ПГ/т);
• Lurgi-NG – 31,40 ГДж/т (923 нм³ ПГ/т);
• Lurgi-NG/СО₂ – 29,30 ГДж/т (975 нм³ ПГ/т);
• Lurgi-combined – 29,30 ГДж/т (891 нм³ ПГ/т).

(В пересчете считали, что одна тысяча кубических метров природного газа содержит 34,02 ГДж энергии)

Автор [7] приводит следующие расходный нормы природного газа на тонну метанола в зависимости от способа риформинга:

• Паровой риформинг – 30 MMBTU/т (838 нм³ ПГ/т);
• Комбинированный риформинг – 28,5 MMBTU/т (796 нм³ ПГ/т).

Показателен рост расходной нормы природного газа на тонну метанола для производств малой мощности: промышленная группа ЗАО «Безопасные технологии» представила презентацию [8] комплекса получения метанола малой производительности (15000 т/год). Разработанная технология производства метанола состоит из трех стадий: стадии получения синтез-газа в адиабатическом шахтном реакторе методом автотермического риформинга (АТР); конверсии синтез-газа в трубчатом реакторе синтеза метанола; стадии выделения метанола-сырца (91-92 % масс.).

При этом расход природного газа составляет 2128 нм³ ПГ/т. Также в презентации [9] также представлены установки малых мощностей, 12500 и 40000 т/год с расходами 1800 и 1700 нм³ ПГ/т соответственно.

В источнике [10] представлены характеристики агрегатов, установленных на предприятиях-производителях метанола в странах СНГ. Данные для удобства сведены в таблицу:

Для прочих производителей не указаны расходные нормы природного газа на тонну производимого метанола.

Имеются сведения по бизнес-плану проекта производства метанола производительностью 1350 тонн/сутки (первый пусковой комплекс первая очередь газохимического комплекса в Центральном регионе Республики Саха, Якутия). Технологическая схема разработана компанией «Haldor Topsoe» и включает в себя получение синтез-газа путем двухступенчатой парокислородной конверсии, синтеза метанола-сырца в изотермическом реакторе с рециркуляцией и последующую ректификацию с получением товарного метанола. Расходные нормы природного газа на тонну метанола – 855 нм³ ПГ/т.

В презентации [11] ООО «Научно-проектного института «Химтехнология». (Северодонецк) представлены основные технические решения:

• по агрегату М-400 (400 тыс. тонн метанола в год), получение синтез-газа – двухступенчатая конверсия природного газа в реакторах «Тандем». Расходные нормы природного газа на тонну метанола – 835 нм³ ПГ/т, в т.ч. 822 нм³ ПГ/т на технологию и 13 нм³ ПГ/т в качестве топлива;
• по агрегату М-130 (130 тыс. тонн метанола в год), получение синтез-газа – двухступенчатая конверсия природного газа. Расходные нормы природного газа на тонну метанола – 957,6 нм³ ПГ/т, в т.ч. 691,2 нм³ ПГ/т на технологию и 266,4 нм³ ПГ/т в качестве топлива.

Расчетная часть

При проведении расчетов применялись программы Mathcad 8 и Microsoft Excel

Так как в научной и технической литературе нет уравнения, учитывающего влияние основных технологических параметров на процесс получения синтетического метанола и позволяющего с достаточной степенью точности вычислять расходные нормы природного газа на тонну метанола, нами предложено следующее уравнение.

Расходный\, коэффициент \,X = \frac{\text{нм}^3\,\text{ПГ}}{\text{m метанола}} \, рассчитывали\, исходя\, из\, следующей\, зависимости:

X =
\frac{\displaystyle \vphantom{\bigg|}\Sigma V}
     {\displaystyle \vphantom{\bigg|}n^{\mathrm{CO+CO_2}} \cdot 32 \cdot 10^{-3} \cdot \Pi^{k}} \;(1), \; где

ΣV – сумма объема природного газа, на который производился расчет материального баланса отделения конверсии, как правило 1000 нм³, и дополнительного объема природного газа, затраченного на подвод тепла к слою катализатора через стенку (для трубчатых печей и реакторов);

n^CO+CO2 – сумма кмоль моно- и диоксида углерода, образующаяся на стадии конверсии из V нм³ природного газа. В случае, если значение функционала f корректировалось стадией моноэтаноламинной очистки CO₂, сумма принимается скорректированной на значение извлеченного количества CO₂. Данное значение можно рассчитать по уравнению, исходя из требуемого значения функционала:

n^{\mathrm{CO_2}_{\mathrm{удал}}}
= 
n^{\mathrm{CO_2}}
- 
\frac{n^{\mathrm{H_2}} - n^{\mathrm{CO}}\!\cdot f_{\mathrm{треб}}}
     {f_{\mathrm{треб}} + 1}\, ;

П^k – произведение понижающих коэффициентов

\Pi^{k} = k_{1} \cdot k_{2} \cdot k_{3} \cdot k_{4}, \, где

k₁ – коэффициент, учитывающий потери части газа с постоянной продувкой на стадии синтеза. Численно может быть оценен как

k₁=1-(N_СГ^инерт/N_ЦГ^инерт), где N_СГ^инерт и N_ЦГ^инерт – доля инертных газов (N₂, Ar и CH₄) в свежем и циркуляционном синтез-газе соответственно;

k₂ – коэффициент, численно равен селективности катализатора по целевому веществу – метанолу, s^м-л;

k₃ – коэффициент, учитывающий потери метанола на стадии ректификации метанола-сырца;

k₄ – коэффициент, учитывающий повышение расхода сырья при снижении нагрузки установки от проектной мощности.

В [12, с.24] указан выход товарного метанола со стадии ректификации равный 95%. Анализ работы промышленной установки ректификации показывает, что k₃, действительно, допустимо принять равным 0,95.

Произведем расчеты для:

1. «Традиционный» автотермический риформинг в шахтном конверторе с температурой ПГС на входе в конвертор 350 °С;
2. Автотермический риформинг в шахтном конверторе с предварительным подогревом ПГС в рекуперативном теплообменнике, описанный в [13] с температурой ПГС на входе в конвертор 800 °С;
3. Паровой риформинг в трубчатой печи;
4. Двухступенчатый утилизационный риформинг с тепловым насосом, описанный в [14];
5. Риформинг в трубчатом реакторе с керамическими нагревательными трубами, описанный в [15].

В расчетах задавались селективностью по метанолу 98%, содержанием инертов в рецикле синтеза метанола 16%, потери на стадии ректификации 5% и 100% нагрузкой установки (k₄=1,00).

Производственные данные для технологической схемы, описанной в первом расчете, следующие: 954 нм³ ПГ/т и 665,2 нм³ кислорода/т. Расхождение с расчетом 0,75%, что свидетельствует об адекватности примененной зависимости.

Зависимость расходной нормы природного газа на тонну метанола от содержания инертных соединений в синтез-газе и циркуляционном газе, рассчитанная по уравнению (1) показана на рисунке.

Также проведен анализ промышленной установки на предмет зависимости расхода природного газа от нагрузки от проектного значения. Установка получения метанола-ректификата включает в себя следующие основные стадии:

• парокислородная конверсия метана под избыточным давлением не более 2,0 МПа в шахтном конверторе;
• моноэтаноламиновая очистка конвертированного газа;
• осушка конвертированного газа;
• компремирование конвертированного газа до избыточного давления не более 9,3 МПа;
• синтез метанола-сырца под избыточным давлением не более 9,3 МПа;
• ректификация метанола-сырца.

Граничные условия

Следует, однако заметить, что уравнение (1) справедливо лишь для рецикловых технологических схем синтеза метанола и не применимо для технологических схем с использование прочных реакторов синтеза.

Выводы

1. Проведен обзор литературных источников на предмет определения расходной нормы природного газа на тонну метанола.
2. Предложена методика расчета расходной нормы природного газа на тонну метанола, результаты расчетов согласуются с производственными данными.
3. Определены технологические параметры, изменения которых оказывают влияние на расходную норму природного газа на тонну метанола.

Список литературы

1. Лейтес И.Л., Сосна М.Х., Семенов В.П. Теория и практика химической энерготехнологии. – М.: Химия, 1988. 280 с.
2. Институт финансовых исследований. Анализ экономической эффективности альтернативных проектов утилизации природного газа. Москва, 2007 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ifs.ru/upload/090807.pdf
3.  Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям ИТС 18-2016 «Производство основных органических химических веществ». – М.: Бюро НТД, 2016. 337 с.
4. Караваев М.М., Леонов В.Е., Попов И.Г., Шепелев Е.Г. Технология синтетического метанола. М.: Химия, 1984, 240 с.
5. Вакк Э.Г., Шуклин Г.В.. Лейтес И.Л. Получение технологического газа для производства аммиака, метанола, водорода и высших углеводородов. Теоретические основы, технология, катализаторы, оборудование, системы управления: Учебное пособие. – М., 2011, 480 с.
6. Чернышев А.К., Даут В.А., Сурба А.К. и др. Метанол: свойства, производство, применение. М.: Инфохим, 2011, Т1, 459 с.
7. Трегер Юрий Анисимович. Использование метана для получения органических продуктов. Научно-исследовательский инженерный центр «Синтез» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.creonenergy.ru/upload/iblock/654/Treger_Sintez.pdf
8. Комплекс получения метанола (КПМ) малой производительности. ЗАО «Безопасные технологии» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://forum.newgaztech.ru/assets/files/Stompel_sect_3.pdf
9. Сравнительный анализ тактико-технических характеристик установок получения метанола мощностью 12,5 и 40 тысяч тонн. Презентация компании «Метапроцесс» на 7-м Российском Нефтегазовом Конгрессе 2009 года [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://en.ppt-online.org/11887
10. Профили производителей метанола [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=5921
11. Родин Леонид Михайлович. 50 лет отечественных разработок и проектирования производств метанола. Химтехнология Северодонецк. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.alvigo-group.com/wp-content/uploads/2016/07/50yrs.pdf
12. Кемалов Р.А. Технологии получения и применения метанола. Р.А.Кемалов, А.Ф. Кемалов. – Казань: Казан. ун-т, 2016. – 167 с.
13. Е.С.Тимошин, Л.Н.Морозов, О.Ю.Алекперов, А.В.Буров, А.А.Исаченков. Анализ энерго-, ресурсоэффективности технологической схемы парокислородной конверсии природного газа в производстве метанола// Изд. «Наука и технологии»​, Химическая технология. 2015. Т.16, №5. С.317-320.
14. Пат. РФ 2 620 434 (С1), МПК C01B 3/00, C07C 31/04, C10L 3/10. Способ получения синтез-газа для производства метанола / Тимошин Евгений Сергеевич (RU), Морозов Лев Николаевич (RU), Алекперов Олег Юрьевич (RU), Колосовский Андрей Леонидович (RU); заявитель и патентообладатель государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» (RU) – N 2015157329/16; заявл. 30.12.2015; опубл. 25.05.2017
15. Пат. РФ 2615768 (С1), МПК C07C 2/84, C07C 2/86, B01J 19/24, B01J 8/02. Реактор для каталитической паровой и пароуглекислотной конверсии углеводородов / Тимошин Евгений Сергеевич (RU), Морозов Лев Николаевич (RU), Дульнев Алексей Викторович (RU); заявитель и патентообладатель государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» (RU) – N 2016121006/16; заявл. 27.05.2016; опубл. 11.04.2017

ООО «ИЭС Консалтинг»

ias-engineering.ru
info@ias-engineering.ru
+7 499 647 5863
119049, РФ, Москва 4-ый Добрынинский пер. 8, оф. С11-03