СПОСОБ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА Российский патент 1997 года по МПК C01B3/38 

Изобретение относится к области химической технологии, конкретно к способам каталитической конверсии природного газа и может быть использовано в технологических комплексах, в которых наряду с процессом конверсии природного газа и последующим производством из него метанола, технического водорода или аммиака вырабатывает электроэнергию.

Известен способ двухступенчатой каталитической конверсии природного газа (преимущественно метана) в синтез-газ (смесь водорода и оксида углерода), который служит исходным сырьем для крупнотоннажных производств метанола, технического водорода и аммиака. Первую стадию проводят в трубчатой печи с огневым обогревом реакционных труб, так что температура их теплообменной поверхности достигает 900-950^oC, при этом перепад давления составляет от 40-60 атм и выше в реакционных трубах до 1-2 атм в межтрубном пространстве. Вторую стадию проводят в шахтном реакторе, в котором необходимую для окончания процесса конверсии теплоту получают путем частичного сжигания смеси, поступающей с первой ступени [1]
Осуществление первой стадии конверсии природного газа в трубчатой печи с множеством горелочных устройств характеризует способ в целом высоким удельным расходом природного газа, низкой эксплуатационной надежностью и как загрязняющий окружающую среду продуктами сгорания.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату изобретения является способ, в котором первую стадию конверсии природного газа проводят в реакторе-теплообменнике, вторую в шахтном реакторе. На первой стадии в реакционные трубы реактора-теплообменника подают смесь природного газа и водяного пара в соотношении от 1:2 до 1:4, где при 600-800^oC происходит разложение большей части метана. На второй стадии процесса частично конвертированный газ подают в шахтный реактор, где в пустом пространстве над катализатором его смешивают с кислородом или воздухом в соотношении кислород:углерод равном 0,4-0,45. При выгорании кислорода температура реакционной смеси повышается до 1400-1500^oC, которую затем направляют на слой никелевого катализатора, где за счет физического тепла конвертированного газа, происходит процесс доконверсии остаточного метана. Газовый поток, покидающий шахтный реактор, с температурой 900-1200^oC подают в межтрубное пространство реактора-теплообменника, где за счет тепла продуктов реакции второй ступени в реакционных трубах происходит первичный процесс конверсии метана. Обе стадии ведут при одинаковом давлении, которое может варьироваться от 20 до 300 атм [2]
Однако организация теплообмена между интенсивными технологическими потоками ведет к созданию устройств, обладающих большой массой и значительными габаритами, в которых неизбежно возникает тепловые потери, связанные с наличием высоких градиентов температур между горячими и холодными потоками. Совместное действие высоких давлений и температур, при которых ведут процесс, приводит к необходимости применения высококачественных конструкционных материалов. Сжигание части продуктов конверсии первой ступени, вызывает дополнительный расход природного газа.

Задача изобретения создание способа каталитической конверсии природного газа, в котором устраняются эти недостатки.

Задачу в предлагаемом способе решают тем, что взаимодействие природного газа проводят при давлении 1 4 атм со смесью водяного пара с углекислым газом при соотношении природный газ парогазовая смесь равном 1 25 30. Предпочтительно взаимодействие проводить при 700 800^oC.

Существо предлагаемого способа состоит в том, что природный газ смешивают при давлении 1 4 атм в объемном соотношении 1:25-30 с парогазовой смесью, имеющей температуру порядка 700-800^oC и состоящей из водяного пара и углекислого газа. Полученную таким образом реакционную смесь направляют в реактор шахтного типа с загруженным никелевым катализатором, где за счет физического охлаждения исходной смеси проводится одностадийный процесс паро-углекислотной конверсии метана в синтез-газ. Исходную парогазовую смесь с указанными характеристиками получают с выхлопа турбины газотурбинной энергетической установки, в которой окислителем углеводородного топлива служит кислород. В качестве топлива может быть использована часть продуктов конверсии метана, непревращенных в метанол или оставшихся после выделения водорода.

Пример 1. Природный газ, очищенный от сернистых соединений, состоящий на 97% из метана и парогазовую смесь, полученную с выхлопа турбины газотурбинной установки, в которой окислителем углеводородного топлива служит кислород, в соотношении 1:28 подают в смеситель. Парогазовая смесь состоит на 63% из водяного пара и на 37% из углекислого газа. Газовые потоки смешиваются при температуре 720^oC и давлении 3 атм, в результате образуется газообразная смесь следующего состава об.

CH₄ 3,5
H₂O 60,8
CO₂ 35,7
которую подают в шахтный реактор с никелевым катализатором. При каталитическом взаимодействии метана с водяным паром и углекислым газом, сопровождающимся охлаждением реакционной смеси, образуется синтез-газ. Синтез-газа на выходе из реактора имеет температуру равную 568^oC и следующий состав об.

CH₄ 0,2
H₂O 53,4,
CO₂ 34,2,
H₂ 10,1,
CO 2,1.

Степень конверсии метана в этих условиях составляет 93% После конденсации воды полученный газ может быть использован для синтеза метанола.

Пример 2. Процесс проводят аналогично примеру 1 при давлении p 4 атм, температуре газа на выходе в реактор 800^oC, соотношении метан: парогозовая смесь равным 1 25.

В этих условиях синтез-газа на выходе из реактора имеет температуру равную 627^oC и следующий состав об.

CH₄ 0,1,
H₂O 52,7,
CO₂ 33,4,
H₂ 10,8,
CO 3,0.

Степень конверсии метана выше 96%
Пример 3. Процесс проводят аналогично примеру 1 при давлении p 1 атм, температуре газа на входе в реактор 700^oC, соотношении метана парогазовая смесь равным 1 30.

в этих условиях синтез-газа на выходе из реактора имеет температуру равную 556^oC и следующий состав об.

CH₄ 0,06,
H₂O 53,7,
CO₂ 34,4,
H₂ 10,0,
CO 1,84.

Степень конверсии метана достигает почти 98%
Таким образом предлагаемый способ позволяет проводить конверсию природного газа в одну стадию без внешнего теплообмена, что приводит к сокращению удельного расхода природного газа на 20% и улучшению массо-габаритных характеристик установки, реализующей этот процесс.

Использование: в способах каталитической конверсии природного газа. Сущность изобретения: природный газ взаимодействует на никелевом катализаторе с парогазовой смесью, содержащей водяной пар и углекислый газ, при объемном соотношении природный газ : парогазовая смесь, равном 1:25-30, и давлении 1-4 атм. Взаимодействие проводят при 700-800^oC. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ каталитической конверсии природного газа, включающий взаимодействие на никелевом катализаторе природного газа с реагентом, содержащим водяной пар, отличающийся тем, что в качестве реагента, содержащего водяной пар, используют парогазовую смесь, содержащую водяной пар и углекислый газ, взаимодействие природного газа с парогазовой смесью ведут при объемном соотношении природный газ: парогазовая смесь, равном 1 25 30, и давлении 1 4 атм. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что взаимодействие природного газа с парогазовой смесью ведут при 700 800^oС.