способ ступенчатой каталитической конверсии углеводородного сырья

Формула изобретения

Способ ступенчатой каталитической конверсии углеводородного сырья, включающий его конверсию на первой ступени в присутствии водяного пара с последующей конверсией полученных продуктов в присутствии кислородсодержащего газа, отличающийся тем, что на входе в систему соотношение водяной пар : углерод углеводородного сырья составляет 8-11 : 1, процесс каталитической конверсии проводят в адиабатических условиях в три ступени и между первыми двумя ступенями осуществляют компрессию промежуточных продуктов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу конверсии углеводородного сырья и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности для получения синтез-газа и технического водорода.

Известен способ двухступенчатой каталитической конверсии углеводородного сырья, где на первой ступени проводят паровую конверсию углеводородов в трубчатых печах с обогревом реакционных труб за счет тепла, которое выделяется при сгорании топлива, например углеводородного сырья. На второй ступени проводят конверсию в шахтном реакторе в присутствии кислородсодержащего газа при температуре 1000-1300^oС (Производство аммиака. Под ред. В.П. Семенова. - М.: Химия, 1985. 368 с.).

Потребление углеводородного сырья в качестве топлива в данном способе составляет около 38% от общего расхода углеводородов. Реакционные трубы изготавливают из дорогостоящей жаропрочной стали. В ходе реакции паровой конверсии углеводородов наблюдаются большие градиенты температуры между газовым потоком и наружной поверхностью реакционной трубы, а также в слое катализатора от внутренней стенки трубы к ее центру, что приводит к увеличению числа труб, их длины и объема катализатора.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ двухступенчатой каталитической конверсии углеводородного сырья путем превращения его на первой ступени в присутствии водяного пара с последующим превращением полученных продуктов на второй ступени в присутствии кислородсодержащего газа, заключающийся в том, что превращение сырья на первой ступени осуществляют в трубчатом реакторе-теплообменнике за счет тепла продуктов второй ступени и вторую ступень ведут при температуре 900-1200^oС и соотношении кислород : углерод сырья, равном 0,4-0,45:1. На входе в систему соотношение пар : углерод сырья составляет 2-3:1 (Авторское свидетельство СССР 784148; кл. С 01 В 3/16, 1977).

Однако в этом способе лишь 77,5-80,0% углеводородов потребляется как химическое сырье для получения водорода и около 20,0-22,5% расходуется как топливо в результате применения высокого соотношения кислород : углерод на второй ступени конверсии. Используемый трубчатый реактор-теплообменник обладает громоздкой конструкцией с противоточным движением конвертируемой смеси через трубы и охлаждаемых продуктов конверсии в межтрубном пространстве.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение расхода углеводородного сырья, используемого как топливо.

Поставленная задача решается способом ступенчатой каталитической конверсии углеводородного сырья, включающим его конверсию на первой ступени в присутствии водяного пара с последующей конверсией полученных продуктов в присутствии кислородсодержащего газа, заключающимся в том, что на входе в систему соотношение водяной пар : углерод углеводородного сырья составляет 8-11: 1, процесс каталитической конверсии проводят в адиабатических условиях в три ступени и между первыми двумя ступенями осуществляют компрессию промежуточных продуктов. В предложенном способе отсутствует внешний подвод теплоты к реакционной смеси, что позволяет использовать более простые и компактные реакторы, через которые движется единственный газовый поток. Затраты работы на компрессию промежуточных продуктов первой ступени компенсируют рекуперативной турбиной, в которой производится работа расширения горячих газов после третьей ступени конверсии. Основным источником энергии для осуществления эндотермической реакции конверсии служит разность энергии между потоком водяного пара среднего потенциала, превышающим количество углеводородного сырья на входе в систему в 8-11 раз, и отдаваемым потоком пара низкого потенциала. За счет этого на стадии использования кислородсодержащего газа соотношение кислород : углерод сырья снижают до 0,075-0,13, что и приводит к итоговому уменьшению доли потребления углеводородного сырья как топлива до 7,5-13%.

Предложенный способ осуществляется по схеме (чертеж) следующим образом. Смесь природного газа с паром подают через теплообменник F в реактор А на первую ступень конверсии. Затем проводят компрессию смеси в компрессоре В, после чего она поступает в реактор С на вторую ступень. На третью ступень, в реактор D, подают смесь из второй ступени и кислородсодержащий газ. Полученный после трех ступеней конверсии синтез-газ используют далее для получения водорода либо в синтезе метанола и диметилового эфира.

Способ осуществляют следующим образом.

Пример 1. В систему подают смесь водяного пара с метаном в мольном соотношении 11:1 при температуре 265^oС и давлении 6,9 атм. После теплообменника смесь поступает на первую ступень каталитической конверсии при температуре 735^oС. Степень конверсии метана (долю превращения метана в водород и монооксид углерода) на первой ступени доводят до 59%. Затем проводят компрессию смеси до давления 23 атм и температуры 785^oС. На второй ступени конверсию доводят до 84%. На третью ступень подают смесь из второй ступени и кислородсодержащий газ в соотношении молекулярный кислород : углерод сырья, равном 0,26: 1. На третьей ступени температура повышается до 860^oС и конверсию доводят до 99,6%. Расход метана как топлива составляет 13% от общего расхода.

Пример 2. В систему подают смесь водяного пара с природным газом в мольном соотношении пар : углерод сырья 10:1 при температуре 265^oС и давлении 6,9 атм. После теплообменника смесь поступает на первую ступень каталитической конверсии при температуре 735^oС. Конверсию метана на первой ступени доводят до 55%. Затем проводят компрессию смеси до давления 23 атм и температуры 785^oС. На второй ступени конверсию доводят до 80%. На третью ступень подают смесь из второй ступени и кислородсодержащий газ в соотношении молекулярный кислород : углерод сырья, равном 0,26:1. На третьей ступени температура повышается до 850^oС, и конверсию доводят до 99,4%. Расход природного газа как топлива составляет 13,6% от общего расхода.

Пример 3. В систему подают смесь водяного пара с природным газом в мольном соотношении пар : углерод сырья 8:1 при температуре 455^oС и давлении 12 атм. После теплообменника смесь поступает на первую ступень каталитической конверсии при температуре 925^oС. Конверсию метана на первой ступени доводят до 67%. Затем проводят компрессию смеси до давления 50 атм и температуры 970^oС. На второй ступени конверсию доводят до 91%. На третью ступень подают смесь из второй ступени и кислородсодержащий газ в соотношении молекулярный кислород : углерод сырья, равном 0,15:1. На третьей ступени температура повышается до 970^oС и конверсию доводят до 99,1%. Расход природного газа как топлива составляет 7,5% от общего расхода.

Преимуществами предлагаемого способа являются: сокращение расхода углеводородного сырья, используемого как топливо; снижение максимальной температуры конверсии на стадии использования кислородсодержащего газа; уменьшение габаритов и материалоемкости каталитических реакторов.