Введение 4
1 Литературный обзор 8
1.1 Синтез газ и способы его получения 8
1.1.1 Частичное окисление и газификация углеводородов или твердого
сырья 10
1.1.2 Частичное окисление углеводородного сырья 10
1.1.3 Газификация угля и лигнита 15
1.2 Конверсия монооксида углерода 16
1.2.1 Стадия конверсии 17
1.2.2 Селективное окисление 19
1.2.3 Удаление оксидов углерода 19
1.3 Окончательная очистка 22
1.3.1 Медный щелок 22
1.3.2 Криогенная очистка 23
1.3.3 Поглощение при перепаде давления 24
1.3.4 Метанирование 24
1.3.5 Метанолирование 26
1.4 Термодинамика процесса конверсии и методы снижения энергозатрат в
производстве технологических газов 26
1.5 Устройство и узкие места печи риформинга 31
1.5.1 Основные элементы трубчатых печей риформинга 31
1.5.2 Реакционные трубы высокого давления 32
1.5.5 Устройство многорядной трубчатой печи 34
1.6 Основные технологические решения перевооружения агрегата аммиака 38
1.6.1 Узел редуцирования и подогрева природного газа 38
1.6.2 Техническое перевооружение системы утилизации тепла дымовых
газов печи риформинга 41
2 Предложение по оптимизации процесса получения синтез газа 48
3 Расчетная часть 53
3.1 Расчет базового материально-теплового баланса трубчатой печи 53
3.2 Кинетический расчет реакционных труб 66
3.2.1 Результаты кинетического расчета. Трубы 121X16 мм 67
3.2.2 Результаты кинетического расчета. Трубы 125 X12 мм 69
3.3 Расчет гидравлического сопротивления слоя катализатора в
реакционных трубах 71
3.4 Экономическая эффективность 77
Заключение 87
Список используемой литературы 90
Актуальность и научная значимость настоящего исследования
Увеличение производительности и надежности основных узлов крупнотоннажных агрегатов по производству аммиака из синтез-газа является одной из наиболее значимых и перспективных задач на данный момент. Агрегат по производству аммиака состоит из четырех отделений на каждом из которых выполняется отдельная технологическая стадия производства. Одним из главных реакторов на производстве является трубчатая печь, находящаяся на отделении риформинга, где в результате парового риформинга метана получают синтез-газ. Трубчатая печь является одним из самых больших и сложных реакторов на агрегате. Главными элементами печи являются реакционные трубы, параметры и физические возможности которых на прямую влияют на надежность и основные параметры эффективности всего агрегата.
На данный момент одним из перспективных подходов к увеличению производительности и надежности реакционных труб является применение инновационных исследований в сфере нефтехимии и нефтепереработки, основным уклоном которых является разработка новых материалов - сплавов.
Объект исследования: промышленное получение синтез-газа.
Предмет исследования: получение синтез-газа при использовании модернизированных реакционных труб с измененными параметрами.
Целью настоящей работы является: разработка технического решения, способного увеличить эффективность, производительность и надежность реакционных труб на отделении получения синтез-газа, составляющего часть агрегата по производству аммиака.
Гипотеза исследования состоит в: предположении о возможности использования новых сплавов и современных технологий может существенно увеличить срок службы реакционных труб, увеличить
Для успешной реализации поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
— Провести анализ научно-технической информации в сфере производства синтез-газа и устройства трубчатых печей риформинга природного газа.
— Исследовать современные методы увеличения эффективности, производительности и надежности основных узлов трубчатых печей риформинга.
— Произвести расчет материально-теплового баланса трубчатой печи риформинга.
— Произвести кинетический и гидравлический расчет реакционных труб, выполненных из современного сплава, доказывающий их установку технически целесообразным решением.
— Рассчитать технико-экономическую эффективность предлагаемой оптимизации печи риформинга.
Методы исследования: в работе были использованы эмпирические и теоретические методы, позволившие накопить информационную базу, для расчета материально-теплового баланса и кинетики реакционных труб.
Научная новизна исследования заключается в:
— Внедрении реакционных труб из принципиально нового металлического сплава.
— Уменьшении толщины стенки реакционной трубы за счет более высоких показателей прочности у принципиально нового сплава.
— Увеличение общего реакционного объема трубчатой печи риформинга, и в следствии увеличение производительности, за счет применения новых реакционных труб, с меньшей толщиной стенки.
Практическая значимость исследования заключается в предложении оптимизации реакционных труб, являющихся главными элементами в трубчатой печи, с целью увеличения надежности, производительности и эффективности агрегата.
Достоверность и обоснованность результатов оптимизации обеспечивались: результатами расчетов, произведенных на действующем агрегате.
Личное участие автора в организации и проведении исследования состоит в:
— Поиске информации для теоретического обоснования научной работы.
— Сбор данных для проведения комплексных расчетов, связанных с темой исследования.
— Выполнении расчетов, необходимых для выполнения поставленных задач.
— Анализе полученных результатов и оформлении выводов.
Апробация и внедрение результатов велись в течение всего исследования. Его результаты докладывались на следующих конференциях:
— V Всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (ЭЭПП-2019), Тольятти, 2019
— Всероссийская студенческая научно-практическая междисциплинарная конференция «Молодежь.Наука.Общество», Тольятти, 2020
— Научно-практическая конференция «Студенческие Дни науки в ТГУ», Тольятти, 2021
На конференциях представлены доклады по теоретической и практической частям диссертационной работы. По результатам конференций опубликованы тезисы в сборнике конференции:
А.В. Безладнов. Оптимизация системы утилизации тепла дымовых газов печи риформинга на агрегатах по производству аммиака АМ-76 // Сборник конференции «Молодежь.Наука.Общество». 2021. C. 687.
На защиту выносится:
— Предложение по оптимизации основного аппарата на отделении риформинга природного газа, путем внедрения реакционных труб с лучшей теплоотдачей, термостойкостью и с увеличенным внутренним диаметром.
— Кинетический расчет, доказывающий целесообразность внедрения новых реакционных труб.
— Предложение по увеличению общего реакционного объема трубчатой печи риформинга, и в следствии увеличение производительности, за счет применения новых реакционных труб, с меньшей толщиной стенки
Структура магистерской диссертации.
Работа состоит из введения, 3 разделов, заключения, содержит 19 рисунков, 32 таблицы, 20 формулы, список используемой литературы (71 источник). Основной текст работы изложен на 96 страницах.
На данный момент одним из перспективных подходов к увеличению производительности и надежности реакционных труб является применение инновационных исследований в сфере нефтехимии и нефтепереработки, основным уклоном которых является разработка новых сплавов, обладающих большим запасом прочности.
Проведен анализ информации по производству синтез-газа и его дальнейшей конверсии. Рассмотрены способы получения синтез-газа, которые включают в себя три основных метода: частичное окисление и газификация углеводородов или твердого сырья, частичное окисление углеводородного сырья, газификацию угля и лигнита.
Далее рассмотрена конверсия монооксида углерода, в том числе: стадии конверсии, селективное окисление и дальнейшее удаление оксидов углерода. Приведена информация по окончательной очистке: медным щелоком, криогенной очисткой, поглощением при перепаде давления, метанированием, метанолированием.
Рассмотрена термодинамика процесса конверсии и методы снижения энергозатрат в производстве технологических газов. Кроме того, рассмотрено устройство печи риформинга с точки зрения, как основного строения, так и по реакционным трубам в частности. В разделе представлены основные технологические решения по перевооружению агрегата аммиака по узлу редуцирования и подогрева природного газа и по системе утилизации тепла дымовых газов печи риформинга.
Рассмотрели современные методы увеличения эффективности, производительности и надежности основных узлов трубчатых печей риформинга, по которым сделали вывод о том, что в качестве обогреваемых реакционных труб можно использовать трубы, изготовленные из сплава ХН33БС. Это позволит увеличить внешний диаметр реакционной трубы при одновременном уменьшении толщины стенки, что улучшит процесс теплопередачи. С другой стороны, это делает возможным ведение процесса в более мягком температурном режиме, способствуя тем самым лучшему использованию углеводородного сырья и продлению прогнозируемого срока эксплуатации реакционных труб с 12,5 до 15 лет.
На основе материально-теплового баланса произведены кинетический и гидравлический расчет реакционных труб, выполненных из современного сплава, доказывающий их установку технически целесообразным решением.
Из полученных данных по кинетическому расчету следует, что в режиме работы агрегата на момент обследования (производительность по аммиаку - 50 тонн в час) при использовании труб 125х12 вместо 121х16 достигается:
— снижение содержание метана в сухом газе на выходе из реакционных труб на 2,135% (11,4419% против 13,5768%), что дает возможность существенно увеличить нагрузку на трубчатую печь;
— снижение линейной скорости газа в слое катализатора на ~ 0 , 5 м/с, что не значительно влияет на производительность печи, однако позволяет более качественно проводить реакцию;
— увеличение тепловой нагрузки на трубы на 7,4%, что свидетельствует о увеличении теплопередачи новых труб;
— максимальная и средняя по длине температура стенки для обеих труб остается в пределах нормы;
— распределения температуры конвертированного газа по сечению для обеих труб отличаются несущественно.
По приведенным гидравлическим расчетам распределения параметров конвертированного газа и распределения линейной скорости по длине реакционных труб диаметров 121X16 мм и 125 Х12 мм, заполненных катализатором НИАП-03-01, при часовых производительностях по аммиаку 50 тонн.
В результате выполненных расчетов и обследований получим:
— наибольшее гидравлическое сопротивление (Д Р ) отмечается для реакционных труб 121X16 мм, работающих в базовом (по результатам обследования) режиме при производительности по аммиаку 50 тонн в час;
— при тех же условиях нагрузки трубы 125 X12 мм имеют гидравлическое сопротивление, составляющее 57% от сопротивления труб 121X16 мм, что допускает их использование в широком диапазоне нагрузок агрегата вплоть до производительности 1700 - 1800 тонн аммиака в сутки;
— трубы 125 X12 мм при использовании катализатора, загруженного в настоящее время, позволяют увеличить производительность агрегата на 10% без дополнительных мероприятий, за счет более эффективной теплопередачи и увеличенного внутреннего диаметра.
Рассчитана технико-экономическая эффективность предлагаемой оптимизации трубчатой печи риформинга для производства синтез-газа, в ходе которого произведен расчет себестоимости продукции, составляющая порядка 6000 рублей, сравнительной прибыли от модернизации производства и срока окупаемости капитальных затрат.
По полученным данным видно, что оптимизация, в теории, является выгодной, и по предварительным расчетам полные капитальные затраты окупаются в течение 5 лет.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
