Аппаратное обеспечение производства по конверсии метана

Подогреватель природного газа

Он предназначен для подогрева природного газа от 135 до 420 °C перед его сероочисткой.

Подогреватель природного газа:

1 - лестница; 2 - корпус; 3 - заслонка; 4 - дымовая труба.

Технические характеристики:

рабочее давление - 4,5 МПа;

температура газа на входе - 135 °C, на выходе - 420 °C;

площадь поверхности конвективной части - 607 м², радиантной части - 136,6 м²;

общая масса аппарата - 90 т

Природный газ сначала поступает в трубы, расположенные в конвективной части подогревателя прямоугольной формы. Затем газ поступает в трубы радиантной части подогревателя.

Радиантная часть имеет цилиндрическую форму и диаметр 4 м. Вдоль внутренней стенки расположен трубный экран, а в центральной части расположены вертикальные газовые горелки. Для визуального контроля предусмотрены смотровые окна. Подогреватель изнутри футерован огнеупорным кирпичом, снаружи покрыт слоем теплоизоляции.

Реактор гидроочистки

Он предназначен для каталитического гидрирования сернистых соединений при температуре 400-420 °C под давлением 4,5 МПа.

Алюмокобальтмолибденовый катализатор (АКМ) объемом 40 м³ расположен на двух полках. Газ движется в реакторе сверху вниз. В верхней части реактора имеется распределитель газа, предназначенный для равномерного распределения газа по поперечному сечению слоя катализатора. Размещение катализатора на двух полках вызвано необходимостью уменьшения нагрузки на опоры поддерживающих решеток, а также уменьшения разрушения гранул нижних слоев катализатора.

Схема реактор гидроочистки

Адсорбер сероводорода (поглотитель ГИАП 10)

Трубчатая печь паровой конверсии метана

В промышленности используют трубчатые печи различной конструкции, отличающиеся формой печи, типом горелок, направлением потоков и т.д. Наибольшее распространение получили прямоточные, многорядные печи с верхним пламенным обогревом.

Трубчатые печи состоят из двух основных частей: радиантной (топочной камеры) и камеры конвекции.

Многорядная трубчатая печь фирмы Kellog:

1 - топочная (радиационная) камера; 2 - реакционная труба; 3 - нижний коллектор;

4 - секционная газоотводящая труба; 5 - футеровка; 6- газоход; 7 - потолочные инжекционные горелки; 8 - газосборный коллектор; 9 - система пружинных подвесок; 10- газоподводящая труба; 11 - газоотводящий коллектор; 12 - конвективная камера; 13 - газоход вспомогательного котла; 14 - дополнительные горелки; 15 - II ступень пароперегревателя; 16- подогреватель паровоздушной смеси; 17 - подогреватель парогазовой смеси; 18 - Iступень пароперегревателя; 19- экономайзер; 20 - подогреватель топливного газа

В радиантной камере установлены 12 параллельных секций, каждая из которых имеет по 42 реакционные бесшовные трубы, изготовленные методом центробежного литья из жаростойкой высоколегированной стали ОХ20Н25С2. Общее число труб равно 504 шт. Температура стенки труб до 930 °C, Р = 3,7 МПа. Диаметр труб 114 х 21 мм, длина 11 м, в том числе обогреваемая часть труб 9,6 м. Трубы заполнены Ni-катализатором объемом 20,4 м³. Это кольца с наружным диаметром 15 мм, d_вн = 7 мм, h = 12 мм.

Снизу реакционные трубы вварены в нижний секционный коллектор с шагом 230 мм. Коллектор, диаметр которого равен 142 х 19 мм, снаружи тщательно теплоизолирован.

Сверху трубы свободно подвешены к несущим балкам на специальных пружинах, что позволяет им свободно удлиняться при нагреве без деформации и изгиба на 100-150 мм. Кольцевые зазоры между реакционными трубами и верхним сводом камеры радиации уплотняют огнеупорными сальниковыми устройствами. Подвод парогазовой смеси к каждой из труб осуществляется через специальные гибкие элементы (пиктели). В центре каждой секции труб установлена теплоизолированная подъёмная труба по которой конвертированные газы покидают печь. В верхней части печи, между рядами реакционных труб, расположены 260 газовых горелок. Факелы направлены вертикально вниз.

Камера радиации изнутри футерована двумя слоями высококачественного легковесного шамота общей толщиной 150 мм. Снаружи печь изолирована слоем стекловаты толщиной 300 мм и обшита стальным листом толщиной 6 мм. Температура наружной стенки работающей печи не должна превышать 60 °C.

Камера радиации снабжена смотровыми окнами и люк-лазами. В верхней части печи между реакционными трубами установлены потолочные факельные горелки инжекционного типа для обогрева реакционных труб. Факелы направлены строго вниз.

Температура газовой смеси на выходе из реакционных труб составляет 840 - 860 °C.

Отработанные дымовые газы, образующиеся при сжигании топлива, с температурой 900 - 1100 °C из нижней части камеры радиации направляются в камеру конвекции, имеющую П-образную форму для нагрева исходного сырья, воздуха, получения водяного пара и др. Поле этого отработанные дымовые газы с температурой 160-200 °C при помощи дымососа выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу в количестве около 400 тыс. м³/ч. Для повышения надежности работы имеется резервный дымосос.

Трубчатая печь паровой конверсии природного газа (поперечный разрез)

1 - металлоконструкция; 2 - футерованный газопровод; 3 - входной коллектор; 4 - патрубок подвода газа в реакционную трубу (пиктель); 5 - реакционная труба; 6 - подъемная труба; 7 - вспомогательная горелка; 8 - инжекционная горелка потолочная

Трубчатая печь паровой конверсии природного газа

(продольный разрез)

9 - шамотный кирпич; 10 - огнеупорный материал

Конструкция реакционных труб

Реакционные трубы являются весьма ответственными элементами в конструкции печи. Так как эксплуатируются при высокой температуре около 900 °C и агрессивной среде в которой возможна водородная коррозия, науглероживание и др.

Трубы изготавливают методом центробежного литья из жаростойкой высоколегированной стали ОХ20Н25С2. Все сварные швы подвергаются рентгеноконтролю, цветной дефектоскопии и бороскопии. После сварки трубы должны пройти гидравлическое испытание в течение 30 мин. Максимально допустимая кривизна труб не должна превышать 8 мм. При нагреве до 900 °C удлинение труб может составлять 160-170 мм.

Трубы перед загрузкой в них катализатора должны быть тщательно очищены от механических загрязнений. Загрузку проводят чаше всего методом "чулка". Для этого порцию предварительно взвешенного количества катализатора осторожно загружают в брезентовый рукав, нижний конец которого завернут так, чтобы предотвратить высыпание катализатора во время опускания рукава в трубу. Рукав опускают до конца трубы, сила трения не позволяет открыться сложенному концу рукава. При последующем медленном поднятии "чулка" вверх, он раскрывается и из него высыпается катализатор. После заполнения катализатором каждая труба подвергается вибрации для уплотнения слоя и продувке сверку струей воздуха в течение 3-5 мин. для удаления катализаторной пыли. Выгрузку катализатора осуществляют при помощи, вакуум-насоса присоединенного через емкость для сбора катализатора к гибкому вакуумному шлангу, опущенному сверху в реакционную трубу.

Шахтный конвертор

Он служит для практически полной доконверсии метана, оставшегося в конвертированном газе после трубчатой печи, а также для введения в его состав необходимого количества азота.

Шахтный конвертер метана

Штуцеры: I - вход парогазовой смеси; II - выход газа;

III - вход паровоздушной смеси; IV-V - люки;

VI-VII - для термопар; IX-XII- для КИП; XIII - вход воды;

XIV - вход пара; XV - для циркуляции; XVI - дренаж;

XVII - перелив; XVIII - выход воды; XIX, XX - воздушники

Он представляет собой вертикальную цилиндрическую обечайку, изготовленную из малоуглеродистой котельной стали. Верхняя часть этой обечайки служит опорой приваренной к ней смесительной камеры. Нижняя часть аппарата заканчивается коническим днищем.

Изнутри реактор футеруют жаропрочным бетоном. Который наносят методом торкретирования (напыления). Общая толщина футеровки составляет 270-450 мм. Основное требование к внутреннему слою жаропрочного бетона - минимальное содержание (не более 1-3%) химически не связанного SiO₂.

Это объясняется тем, что свободный SiO₂, входящий в состав бетона, при высоких температурах способен вступать во взаимодействие с водяным паром с образованием летучего тетрагидрата Si(ОН)_4, который при дальнейшем охлаждении газа распадается с выделением тонкодисперсного осадка SiO₂ в виде белой сажи. Этот осадок забивает газоходы, катализаторы и аппаратуру.

Катализатор (кольца размером 14х13х7; 16х14х8; 19х19х9 мм и крупнее) загружают в реактор через верхний штуцер, расположенный над смесителем. Его засыпают при помощи различных приспособлений, не допуская падений гранул с высоты более 1-2 м. Сверху слой катализатора, как правило, защищен слоем высокоогнеупорного материала высотой 400-1000 мм. Сопротивление всего слоя катализатора составляет 49-98 кПа. Катализатор покоится на своде из жаропрочного кирпича. Над сводом для избежания просыпания катализатора укладывается слой шариков из глинозема.

Для качественного смешивания конвертированного газа с воздухом используется специальный центробежный смеситель, при этом требуемая скорость движения воздуха составляет 10-60 м/с, а газа 6-20 м/с. Наибольшая температура (1245 °C) развивается в свободном объеме над слоем катализатора.

По мере прохождения в низ реактора через слой катализатора за счет протекания эндотермических реакций паровой и углекислотной конверсии температура газа понижается до 1000-1005 °C. При этом остаточное содержание метана снижается до 0,5 % и менее.

Важным показателем работы шахтного реактора является степень достижения равновесной концентрации метана в конвертированном газе. Чем лучше равномерность распределения газового потока по сечению аппарата, чем выше качество изготовления футеровки (отсутствие байпасов) и чем выше активность катализатора, тем меньше потребуется перегревать конвертированный газ на выходе из аппарата, чтобы достигнуть заданного содержания остаточного метана.

Чрезвычайно важным является (также) нормальная работа смесителя конвертированного газа с воздухом, ибо при ее разрушении процесс потребления кислорода воздуха не успевает закончиться в свободном объеме реактора и продолжается в слое катализатора, вызывая его перегрев, разрушение и ухудшение гидродинамики работы всего зернистого слоя, увеличение остаточного содержания метана и возрастание гидравлического сопротивления аппарата.

Ниже приведены некоторые технические характеристики шахтного конвертора:

Производительность, тонн аммиака /сутки: 1300-1500

Рабочее давление, МПа: 26-31

Объем катализатора, м³: 38

Объемная скорость газа (в пересчете на сухой газ на входе в реактор), ч^-1: 4000

Высота, м: 20

Наружный диаметр, мм: 4000

Надежная работа реактора (отсутствие байпасов конвертированного газа) во многом определяется качеством футеровки, поэтому в ней предъявляются повышенные требования. Глубокие трещины приводят к опасным перегревам корпуса. Исходя из условий безопасности почти все реакторы снабжаются наружной "рубашкой" для водяного охлаждения.