Научный руководитель: канд. техн. наук Е. А. Соловьев

Сибирский федеральный университет

 

На современном этапе развития нефтяной отрасли, добывающие компании взяли курс на повышение эффективности переработки попутного нефтяного газа (ПНГ).

Весьма перспективной является технология каталитического пиролиза углеводородов с получением водорода и нановолокнистого углерода (НВУ).

В качестве сырья для переработки возможно использование осушенного ПНГ.

Водород может быть использован: в водородных топливных элементах; в химической промышленности; как топливо для космических аппаратов.

НВУ представляет ценность как: компонент композитных материалов; абсорбент для хранения газов; носитель катализаторов; фильтрующий элемент.

Именно поэтому разработка реактора для каталитической переработки ПНГ с получением водорода и НВУ, применимой для условий нефтепромыслов, является актуальной технической задачей.

Технология каталитического пиролиза углеводородов

В качестве перерабатываемого сырья рассматриваются легкие углеводороды (С₁–С₄), поскольку ПНГ на 91.5 % состоит из алканов С₁–С₄(данные для месторождений Западной Сибири)[1].

В результате экспериментальных исследований [2] было установлено, что наиболее эффективные результаты по конверсии углеводорода и селективности водорода достигаются при использовании катализатора составом 50% Cu и 40% Ni. В качестве носителя катализатора предполагается использовать сферические частицы из Al₂O₃диаметром 5 мм.Температура 600 ◦С является оптимальной для проведения реакций КП при переработке алканов С₂–С₄.Проведение реакции КП предполагается при атмосферном давлении. Цикл работы предлагаемого реактора составляет 16 часов.

Для повышения эффективности работы катализатора, перед переработкой, ПНГ необходимо осушить.

Для увеличения эффективности переработки ПНГ предполагается извлекать непрореагировавшие углеводороды из продуктов переработки, и возвращать их обратно в реактор. Для этой цели предполагается использовать мембранный модуль, который отделяет водород от прочих продуктов переработки [3]. Результатом изучения химической составляющей процесса КП углеводородов была предложена технологическая схема переработки ПНГ с получением водорода и НВУ (рис. 1).

 

 

 

Рисунок 1 –Технологическая схема переработки ПНГ с получением водорода и НВУ.

 

Обзор существующих конструкций реакторов и возможных технических решений

Прежде чем приступить к конструированию, были рассмотрены существующие конструкции реакторов для данной технологии. Общим недостатком данных конструкций является малоэффективное перемешивание катализатора как вибрационным, так и реверсивным вращательно-колебательным движением. Помимо этого вибропривод низкий ресурс работы, из-за постоянного воздействия циклических вибрационных нагрузок. Для нагрева реакторов используются электронагреватели, что экономически не оправдано при больших значениях производительности.

Предлагаемая конструкция реактора

В предлагаемой конструкции реактора (рис. 2)[4], для улучшения качества перемешивания катализатора, используется ротационный метод перемешивания катализатора, в виде рабочих колес двух видов с лопастями, вращающихся на валу.

Рациональным и конструктивно простым методом нагревания реактора является, нагрев за счет тепла сгорания части перерабатываемого ПНГ. При таком методе нагрева электроэнергия расходуется только на привод вала, средства автоматизации и контрольно-измерительные приборы.

Рисунок 2 – Предлагаемая конструкция реактора. 1 – шлюзовые ворота; 2 – двойной корпус;3 – буферная камера; 4 – блок подачи азота; 5 – патрубок ввода катализатора;               6 – теплогенератор; 7 – патрубок вывода тепловых газов; 8 – полый вал; 9 – блок подачи перерабатываемых углеводородов; 10 - патрубок вывода перерабатываемых углеводородов; 11 – цепной электропривод; 12 – рабочие колеса.

 

Работает реактор следующим образом. Перед запуском реактора шлюзовые ворота 1 двойного корпуса 2 и герметизирующий шлюз буферной камеры 3приводят в положении закрыто (на рис. 2 в положении открыто).

Работает реактор следующим образом. Блок подачи азота 4подает азот в реактор для очистки его от воздуха.После этого через патрубок ввода катализатора 5в зону реакции вводится катализатор. Часть перерабатываемых углеводородов, поступает в теплогенератор 6, где газ смешивается с воздухом и происходит процесс горения. Раскаленные продукты горения поступают в пространство между внутренней и внешнейчастью двойного корпуса2 и обогревают зону реакции до рабочей температуры. Выводятся тепловые газы с помощью патрубка для их вывода 7.

Перерабатываемые углеводороды проходят через полый вал 8, охлаждая вал, а сами получают предварительный нагрев и попадают в блок подачи перерабатываемых углеводородов 9, откуда они попадают в зону реакции. Получаемыеводород и непрореагировавшие углеводороды выводятся через патрубок для их вывода 10.

Полый вал 8 приводится в движениецепным электроприводом 11. Закрепленные на полом валу 8 рабочие колеса 12 вращаются и обеспечивают перемешивание катализатора. В центре зоны реакции расположены четыре центральных рабочих колеса. По краям зоны реакции расположено по одному крайнему рабочему колесу.Причем центральные рабочие колеса обеспечивают перемешивание катализатора, а крайние рабочие колеса перемещают катализатор от краев зоны реакции к центральным рабочим колесам. Форма рабочих колес изображена на рисунке 3.

 

Рисунок 3 (а) – форма центрального рабочего колеса. (б) – формы крайних рабочих колес.

 

После окончания цикла прекращается подача теплового газа и перерабатываемых углеводородов. НВУ с примесью катализатора ссыпается в буферную камеру 3, останавливается вращение полого вала. Блок закачки азота 4подает азот в реактор для очистки его от остаточных перерабатываемых углеводородов. Герметичный шлюз буферной камеры 3 открывается и можно извлекать НВУ, после извлечения НВУ цикл повторяется.

Расчетная модель предлагаемой конструкции реактора

Для проверки эффективности перемешивания катализатора, создана расчетная модель предлагаемой конструкции реактора.

Моделирование перемешивающего устройства разработанной конструкции реактора показало, что распределение частиц катализатора по горизонтальным зонам приближено к идеальному. Помимо этого на графиках видна тенденция постепенного приближения распределения частиц катализатора к идеальному как в горизонтальных, так и в вертикальных зонах.

 

Список литературы

 

1. Андрейкина Л. В. Состав, свойства и переработка попутных газов нефтяных месторождений Западной Сибири. Автореф. дис. канд. техн. наук.: 02.00.13. Уфа. Государственное научное учреждение «НИИ малотоннажных химических продуктов и реактивов» (НИИРеактив) Министерства образования и науки РФ. 2005. 22 С.

2. Соловьев Е.А., Кувшинов Д.Г., Чуканов И.С., Ермаков Д.Ю, Кувшинов Г.Г. Получение водорода на основе селективного каталитического пиролиза пропана // Химическая технология. 2007. №8-12. С. 544-553.

3. Бабак В. Н., Диденко Л. П., Квурт Е.П., Семенцова Л.А. Извлечение водорода из бинарных газовых смесей с помощью мембранного модуля на основе палладиевой фольги с учетом дезактивации мембраны // Теоретические основы химической технологии. 2018. №52-3. С. 318–333.

4. Полезная модель №185231. Российская федерация. Реактор для переработки углеводородов с получением водорода и нановолокнистого углерода. Корнеев А. Е, Соловьев Е. А., Петровский Э.А.

 

 

УДК 622.24-622.121.543

 

⇐ Предыдущая27282930313233343536Следующая ⇒

Поделиться: