Компактный реактор для получения синтез-газа из природного/попутного газа в процессе автотермического риформинга Российский патент 2018 года по МПК C10J3/00 C01B3/38 

Изобретение относится к газохимии и касается реакторов для получения синтез-газа из природного/попутного газа в процессе автотермического риформинга.

При автотермическом риформинге в реактор подается смесь природного/попутного газа, пара и кислорода, при этом одна часть углеводородов окисляется кислородом, а другая реагирует с водяным паром, образуя водород и оксиды углерода. Окисление природного/попутного газа обеспечивает высокую температуру, необходимую для проведения парового риформинга. Процесс является комбинацией парциального окисления и парового риформинга. Реакции, протекающие при автотермическом риформинге, на примере метана можно представить в виде следующих уравнений:

К преимуществам автотермического риформинга природного/попутного газа относятся высокая степень превращения сырья, возможность получения синтез-газа с широким диапазоном отношения H₂/CO в зависимости от условий процесса. Присутствие кислорода в сырье способствует минимизации коксообразования.

Процесс автотермического риформинга природного/попутного газа возможно использовать совместно с блоком получения углеводородов методом Фишера-Тропша в компактном варианте. Для обеспечения работы блока синтеза Фишера-Тропша в компактном варианте при объемной скорости сырья не менее 20000 ч^-1 необходим способ осуществления процесса конверсии природного/попутного газа, обеспечивающий получение синтез-газа с мольным соотношением H₂/СО от 2 до 3 при производительности не менее 7000 м³/(м³_кат⋅ч) и конверсии природного/попутного газа не ниже 85%. При этом суммарное остаточное содержание CH₄ и CO₂ в составе газопродуктовой смеси блока получения синтез-газа не должно превышать 5 об. %, поскольку их присутствие ухудшает условия последующего синтеза углеводородов.

В качестве катализаторов автотермической конверсии углеводородов с получением смеси СО и H₂ (синтез-газ) используют металлы VIII группы периодической системы элементов, наиболее часто, никель, в количестве 5-25 мас. % нанесенный на пористые носители, обычно тугоплавкие оксиды.

Процесс автотермического риформинга природного/попутного газа можно проводить в несколько стадий, включая стадии парового риформинга и парциального окисления углеводородов, так и в одну стадию непосредственно в реакторе автотермического риформинга на каталитическом слое. Проведение процесса в несколько стадий увеличивает металлоемкость установки и затрудняет реализацию данного способа на месторождениях природного/попутного газа в компактном варианте. Задачу переработки природного/попутного газа в синтез-газ методом автотермического риформинга с использованием реактора в компактном исполнении, обеспечивающим получение синтез-газа производительностью не менее 7000 м³/м³_кат⋅_ч при конверсии природного/попутного газа не менее 85%, возможно решить, сочетая реакции парового риформинга и парциального окисления углеводородов в каталитическом слое непосредственно в реакторе автотермического риформинга. Для обеспечения высокой активности катализатора, загруженного в реактор, и предотвращения спекания никелевых активных центров необходимо, чтобы распределение температур по слою катализатора было равномерным.

Для осуществления переработки природного/попутного газа в синтез-газ методом автотермического риформинга применяются способы с использованием трубчатых реакторов со стационарным и кольцевым слоем катализатора. Получение синтез-газа в реакторе со стационарным слоем катализатора может быть осуществлено путем окисления части углеводородного сырья внутри камеры сгорания реакторного блока с последующим протеканием паровой/углекислотной конверсии природного/попутного газа на никельсодержащих катализаторах. Смесь пара и углеводородов подается в реактор автотермического риформинга, смешивается с воздухом, либо с воздухом, обогащенным кислородом, или с чистым кислородом, и пламени горелки конвертируется в блоке частичного сгорания. Продукты частичного сгорания реагируют в неподвижном слое катализатора с образованием газа, содержащего пар, водород, окись углерода и двуокись углерода. В ряде случаев с целью снижения расхода на обогрев сырьевой смеси и самого реактора используются теплообменные аппараты, обеспечивающие охлаждение продуктов реакции и обогрев поступающей в реактор сырьевой смеси. Теплообменные аппараты могут устанавливаться как отдельно от реакционной зоны, так и быть вмонтированными в конвекционных секциях реакторного блока. С целью рекуперации тепла внутри реактора за счет периодического изменения направления движения сырьевых потоков процесс автотермического риформинга природного/попутного газа может быть проведен с использованием реверсивной схемы подачи сырья. Процесс конверсии природного/попутного газа методом автотермического риформинга обычно проводится при мольном соотношении H₂O:С от 1 до 5, O₂:С от 0,3 до 0,8, объемной скорости подачи углеводородного сырья от 1000 до 10000 ч^-1 в диапазоне температур от 700 до 1200°C и давлений от 0,1 до 2,0 МПа.

Известен способ переработки природного/попутного газа в синтез-газ методом автотермического риформинга в трубчатом реакторе со стационарным слоем катализатора, описанный в патенте US №2892693. Данный способ получения синтез-газа включает две стадии: стадию (1) парового риформинга на никелевом катализаторе и стадию (2) некаталитического парциального окисления остаточных после стадии (1) углеводородов. Стадию (1) парового риформинга проводят преимущественно на никелевом катализаторе в двух последовательных секциях трубчатых реакторов, обогреваемых теплом отходящих из реакционной камеры газов. В этой стадии от 10 до 60% масс. углеводородов преобразуется в оксид углерода, диоксид углерода и водород. Выходящий из каналов парового риформинга газ направляется на вход в реакционную камеру блока парциального окисления, где соединяется с кислородом в соотношении, достаточном для конверсии непрореагировавших углеводородов и поддержания температуры выше 1100°C. Горячие продукты реакции направляются в теплообменную камеру стадии (1), где охлаждаются, нагревая реакционные трубы парового риформинга, а затем направляются на выход из реактора.

Недостатками данного способа осуществления являются низкая конверсия сырья за проход (не более 60%), двухстадийность процесса, высокие температуры в блоке парциального окисления углеводородов, достигающие 1200°C.

В изобретении US №5023276 предложен способ переработки природного/попутного газа в синтез-газ методом автотермического риформинга. Способ включает следующие стадии: предварительный нагрев сырья, содержащего обычно газообразные углеводороды, H₂O, кислород и оксиды углерода, введение предварительно нагретого потока в первую зону, имеющую несколько каналов для прохода газа. Количество углеводородного сырья, пара и кислорода, вводимого в первую зону катализатора, регулируется для достижения соотношения H₂О/С от 0,5 до 5 и О₂/C от 0,4 до 0,65; стадия парового риформинга, при котором температура катализатора должна быть на 140°C выше, чем температура воспламенения подаваемого потока. Тепло, выделяющееся при окислении углеводородов кислородом, обеспечивает достижение оптимальной температуры проведения каталитического парового риформинга без дополнительного нагрева; выделение из потока отходящего газа диоксида углерода и его рециркуляция; вывод очищенного синтез-газа.

Недостатками данного способа получения синтез-газа является необходимость создания внутри реактора высокотемпературной камеры сгорания углеводородов, что увеличивает металлоемкость конструкции, снижает компактность реакторного блока, создает сильный температурный градиент внутри реактора и по слою катализатора. Высокий расход водяного пара при реализации данного способа (H₂O/C до 5,0) может увеличить операционные затраты и привести к повышению стоимости получаемого синтез-газа.

Способ переработки природного/попутного газа в синтез-газ методом автотермического риформинга посредством его пропускания газосырьевой смеси через кольцевой слой катализатора описан в патенте RU №2548410. Реактор выполнен в форме кольца, в котором движение реагентов осуществляется от внутренней к наружной поверхности кольцевого слоя катализатора, устройство нагрева реагентов и катализатора выполнено в виде плазматрона. Преимуществом рассматриваемого варианта является увеличение производительности процесса получения синтез-газа и снижение теплопотерь в окружающую среду. Максимальная конверсия углеводородного сырья по данному способу составляет 98%.

Недостатками данного метода являются низкая объемная скорость сырьевого потока, что ограничивает достижение высоких значений производительности катализатора, высокая рабочая температура в реакторе (1200°C), использование плазмотрона, сложности при масштабировании реактора.

В патенте RU №2520482 описан способ переработки природного/попутного газа в синтез-газ методом автотермического риформинга в реакторе со стационарным слоем катализатора с нагревающим теплообменником, который включает в себя многостадийное получение синтез-газа. При этом проводят как минимум две последовательные стадии, в каждой из которых поток, содержащий низшие алканы, пропускают через нагревающий теплообменник, а затем через адиабатический реактор, наполненный катализатором, и после последней стадии из потока выделяют водяной пар. Изобретение позволяет повысить конверсию углеводородов и снизить концентрацию балластных газов в продуцируемом газе.

Недостатками данного решения являются высокое отношение H₂/CO в получаемом синтез-газе (более 3,0), высокая объемная концентрация CO₂ на выходе из реактора (около 10 об. %), а также многостадийность процесса.

Известен способ переработки природного/попутного газа в синтез-газ методом автотермического риформинга, в котором проводят окисление углеводородного газа водяным паром, предварительно подогретым до 750-950°C, и кислородсодержащим газом (патент RU №2571147). Получение водяного пара производят в нагревающем теплообменнике за счет отвода тепла от продуктов парциального окисления углеводородного газа к конденсату, образующемуся при охлаждении продуктов парциального окисления. Изобретение позволяет повысить конверсию метана и других низших алканов и термическую эффективность способа, снизить металлоемкость, а также уменьшить содержание балластных газов в продуцируемом газе.

Недостатками данного способа получения синтез-газа является высокое остаточное содержание CO₂ в составе газопродуктовой смеси (более 6 об. %), высокие давления в реакторе (до 90 атм), высокое соотношение H₂/СО в составе получаемого синтез-газа (более 3,0), а также значительный расход водяного пара - в 4-12 раз больше, чем объемный расход углеводородного газа, что существенно повышает капитальные и операционные затраты и увеличивает стоимость получаемого синтез-газа.

Известны способы переработки природного/попутного газа в синтез-газ методом автотермического риформинга с рекуперацией тепла внутри реактора за счет периодического изменения направления движения сырьевых потоков. В патенте RU №2574464 описан способ получения синтез-газа из водородсодержащего сырья в реакторе с обращаемым потоком. В патенте описано получение синтез-газа или водорода с более высокой энергетической эффективностью, т.е. при наименьшей возможной доле сырья, окисляемой кислородом в процессе, в том числе за счет вовлечения в реакцию водяного пара. Преимущество метода по данному изобретению состоит в раздельной подаче реагентов: газообразный реагент (смесь углеводородов) поступает в начало реактора, а второй реагент (водяной пар) подается в среднюю часть реактора, где происходит смешение реагентов.

Недостатками данного изобретения являются громоздкость и высокая металлоемкость конструкции, необходимость монтажа нескольких линий подачи компонентов сырьевого потока в разные участки реактора, необходимость реализации двух параллельно работающих устройств. Это повышает капитальные затраты на строительство установки и препятствует созданию блока конверсии природного/попутного газа в компактном варианте.

Известен способ переработки природного/попутного газа в синтез-газ методом автотермического риформинга в реакторе со стационарным слоем катализатора и реверсивным обращением потоков с получением синтез-газа, содержащего в основном H₂ и CO, описанный в патентной заявке US №20090062591 (дата публикации 05.03.2009). Процесс непрерывного риформинга углеводородсодержащего газа с окислителем в реверсивной системе проточного реактора, как правило, включает стадии нагрева реактора, заполненного катализатором, до температуры в интервале 500-3000°C и попеременного направления смеси реагентов через пористую матрицу катализатора. Реакционная зона может быть расположена в любой части камеры реактора, изменение направления потока реакционной смеси происходит после заданного интервала времени с целью поддержания заданной температуры в реакционной зоне и повышения энергетической эффективности.

Недостатком данного способа получения синтез-газа является высокая температура в каталитическом слое (более 1500°C), что повышает требования к конструкционным материалам, а также может приводить к дезактивации катализатора вследствие спекания активного металла.

Известны способы переработки природного/попутного газа в синтез-газ методом автотермического риформинга при сочетании реакций парового риформинга и парциального окисления в реакторе штыкового типа. Под реактором штыкового типа понимается реактор вертикальной конструкции, в середине которого расположен стационарный слой катализатора, в который погружены вертикальные патрубки. В патенте US №2579843 описан способ осуществления и устройство реактора для производства синтез газа с соотношением H₂/CO в диапазоне от 1,0 до 3,0. Данный способ включает в себя стадии, протекающие в одном реакторе: предварительного разогрева гасосырьевой смеси в пределах 100-600°C, парового риформинга части углеводородов (от 20 до 50 об. %) (H₂О/С=1,0) и парциального окисления оставшихся алканов при температуре 980-1650°C и соотношении O₂/C, равном 0,5-0,7. Процесс осуществляют в присутствии никельсодержащего катализатора.

Недостатками данного способа являются высокий градиент температуры в каталитическом слое и высокие температуры осуществления процесса (до 1650°C), многостадийность процесса, а также громоздкость конструкции в связи с большим соотношением диаметров корпуса аппарата к диаметру внутренних патрубков.

Наиболее близким аналогом к предложенному изобретению является способ переработки природного/попутного газа в синтез-газ с использованием реактора штыкового типа, предложенный в патенте US №4919844. Процесс конверсии природного газа и легких углеводородных газов в синтез-газ проводится при 760-870°C и давлении до 2,5 МПа. При этом одна часть водяного пара непосредственно смешивается с углеводородсодержащим сырьем и вводится в реактор через внутренние реакторные каналы, в которые загружен катализатор. Полученный в результате реакции на катализаторе реформат смешивается с газовой смесью, поступающей из дополнительного реактора конверсии, и проходит противотоком вдоль внешней поверхности патрубков с катализатором, за счет чего обеспечивается их обогрев.

Недостатками данного изобретения являются необходимость применения дополнительного реактора для обеспечения протекания эндотермической реакции в основном реакторе штыкового типа, высокое давление в штыковом реакторе, что снижает компактность и увеличивает его металлоемкость, невозможность протекания процесса парового риформинга в слое катализатора без внешнего источника тепла, возникновение высокого градиента температур в слое катализатора.

Технический результат от реализации изобретения заключается в повышении конверсии природного/попутного газа до величины не менее 85% при производительности по синтез-газу не ниже и суммарном остаточном содержании CH₄ и CO₂ не более 5 об. %.

Технический результат достигается тем, что реактор, включающий реакторные каналы, частично заполненные катализатором и расположенные параллельно продольной оси реактора, боковой патрубок вывода продукта, снабжен каналом подачи воздуха с распределителем потока, выход которого расположен напротив выхода реакторных каналов, при этом часть катализатора размещена на выходе из реакторных каналов, между реакторными каналами и корпусом реактора, причем нижний уровень катализатора находится между выходами реакторных каналов и канала подачи воздуха, при этом внутренняя площадь поперечного сечения корпуса реактора в 2,5-4 раза больше суммарной внутренней площади поперечного сечения реакторных каналов, а выход канала для подачи воздуха расположен на расстоянии 2-4 внутренних диаметров корпуса напротив выходов реакторных каналов.

На фиг. 1 представлен общий вид реактора в разрезе.

На фиг. 2 представлено сечение А-А на фиг. 1

Реактор включает корпус 7, в котором расположены параллельно его продольной оси реакторные каналы 1. В нижней части корпуса 7 расположен канал подачи воздуха 5 с распределителем потока 2. Сбоку корпуса 7 установлен патрубок вывода продукта 6. Часть К1 катализатора конверсии природного/попутного газа в синтез-газ загружена в реакторные каналы 1. Часть К2 катализатора конверсии природного/попутного газа в синтез-газ помещен на выходе из реакторных каналов 1 и в межтрубном пространстве между корпусом 7 и реакторными каналами 1 реактора, причем нижний уровень катализатора К2 находится между выходами реакторных каналов 1 и каналом подачи воздуха 5. Катализаторы К1 и К2 являются одним и тем же катализатором, различается только его пространственное расположение в объеме реактора.

Особенностью работы предлагаемого реактора является первичный проход смеси сырьевых газов и пара, содержащей 0,3…0,5 объемной части необходимого количества воздуха, через часть катализатора К1, последующее смешение с оставшейся частью воздуха, изменение направления движения потока на противоположное и дальнейший проход газового потока через вторую часть катализатора К2. Изменение направления потока на противоположное позволяет обеспечить термическую стабильность процесса за счет снижение градиента температур по слою катализатора и обеспечить равномерный теплообмен между газосырьевым потоком, поступающим по реакторным каналам 1, и газопродуктовым потоком, движущимся в пространстве между корпусом реактора 7 и реакторными каналами 1 в направлении бокового патрубка 6. Снизу через газовый рассекатель 2 обеспечивается подача части воздуха для формирования восходящего потока газов и снижения температурных градиентов. Для фиксации слоя катализатора К2 в стационарном состоянии используется засыпка инертного материала выше и ниже слоя катализатора, либо подпорные металлические сетки 8, расположенные с обеих сторон слоя катализатора. Инертный материал зафиксирован подпорными металлическими сетками 3 (ячейка 0,3 мм), которые устанавливаются в муфты реактора на входе и выходе газа. В качестве инертного материала выступает кварц фракции 1-2 мм и 0,5-1 мм или любой другой известный в технике инертный материал. Вдоль реакторных каналов 1 установлен термопарный канал 4 в виде капилляра, изготовленного из жаропрочной стали. Для измерения температурных показателей используются термопары (например, типа ТХА), распределенные по длине термопарного канала 4, либо другие известные в технике способы измерения температуры. Такое расположение позволяет контролировать температуру теплоносителя на выходе из реактора, в центре катализатора, а также на выходе из реакторных каналов 1.

Способ переработки природного/попутного газа в синтез-газ методом автотермического риформинга в соответствии с настоящим изобретением заключается в проведении конверсии с неподвижным каталитическим слоем при 850-1000°C и 0,5-1,0 МПа. Конструкция реактора включает реакторные каналы 1 длиной L1 и диаметром d, расположенные параллельно продольной оси корпуса 7 реактора длиной L, а также канал подачи воздуха 5, с распределителем воздуха 2 и термопарный канал 4 длиной L2. Выход газопродуктовой смеси осуществляется через боковой патрубок 6, расположенный на расстоянии L3 от реакторных каналов 1. Внутренняя площадь поперечного сечения корпуса реактора 7 в 2,5-4 раза больше суммарной внутренней площади поперечного сечения реакторных каналов 1, что обеспечивает теплообмен между частями катализатора К1 и К2, отсутствие высокого перепада давления и постоянство объемных скоростей сырья. Выход канала для подачи воздуха 5 расположен на расстоянии 2...4 внутренних диаметров корпуса 7 напротив выходов реакторных каналов 1, что обеспечивает равномерный прогрев поступающей в слой катализатора К2 оставшейся части воздуха.

Данный реактор может быть выполнен также с одним реакторным каналом 1, но это может привести к понижению эффективности конверсии природного/попутного газа в синтез-газ.

Перед проведением конверсии проводится активация катализатора. В качестве сырья блока автотермического риформинга используется природный/попутный газ, водяной пар и кислород воздуха при мольном соотношении компонентов в смеси C:H₂О = 1:0,6-1:1 и О₂:С = 0,4:1-0,5:1. С целью поддержания стабильной температуры в реакторе осуществляется предварительный подогрев газосырьевой смеси до 300-500°C. Объемная скорость природного/попутного газа составляет 2000-30000 ч^-1. Подача природного/попутного газа, водяного пара и 0,3…0,5 части воздуха осуществляется через реакторные каналы 1, а остальная часть воздуха 0,5…0,7 подается снизу реактора через распределенный вход воздуха 2 для формирования восходящего потока газов и снижения температурных градиентов в лобовом слое катализатора, что обеспечивает более полную конверсию сырья и невысокое остаточное содержание CO₂ и CH₄.

В качестве смеси, моделирующей состав природного газа, используется газ, содержащий 99% CH₄, остальное - компоненты С₂₊. В качестве смеси, моделирующей состав попутного газа, используется газ, содержащий 15% C₂H₆+10% C₃H₈+5% C₄H₁₀ и 70% CH₄.

Расчет конверсии углеводородов C₁-C₄, входящих в состав природного/попутного газа, в процессе автотермического риформинга осуществляется по следующей формуле:

,

где m^вх - масса C₁-C₄-углеводородов, входящих в реактор за время τ;

m^вых - масса С₁-C₄-углеводородов, выходящих из реактора за время τ.

Расчет производительности катализатора по синтез-газу осуществляется по следующей формуле:

,

где V_H2 - объем водорода, полученного в результате конверсии, м³/ч;

V_CO - объем моноксида углерода, полученного в результате конверсии, м³/ч;

V_кат-ра - объем загруженного в реактор катализатора, м³.

Модуль (n) получаемого синтез-газа в конверсии природного/попутного газа определяется по формуле

,

где V_H2 - объем полученного водорода в ходе конверсии, м³/ч;

V_CO - объем полученного оксида углерода(II) в ходе конверсии, м³/ч.

Определение содержания исходных и образующихся веществ в отходящих газах из реактора конверсии природного/попутного газа, определение состава получаемого синтез-газа может осуществляться любым известным способом, например, методом газовой хроматографии.

Работу реактора иллюстрируют следующие примеры.

Пример 1

Переработка природного/попутного газа в синтез-газ автотермическим риформингом в соответствии с настоящим изобретением заключается в проведении конверсии в компактном реакторе с неподвижным каталитическим слоем при 850°C и 0,5 МПа. Конструкция реактора включает два реакторных канала, расположенных параллельно продольной оси корпуса реактора, а также канал ввода воздуха и термопарный канал. Внутренняя площадь поперечного сечения корпуса реактора в 2,5 раза больше внутренней площади поперечного сечения реакторного канала. Выход канала для подачи воздуха расположен на расстоянии 2 внутренних диаметров корпуса напротив выходов реакторных каналов.

В качестве сырья используется природный газ, водяной пар и кислород воздуха, предварительно подогретые до 300°C, при мольном соотношении компонентов в смеси С:H₂O=1:1 и О₂:C=0,4:1. Объемная скорость по природному газу составляет 2000 ч^-1. Подача природного газа, водяного пара и 0,3 части воздуха осуществляется по реакторным каналам, а остальная часть воздуха (0,7) подается через распределенный вход воздуха.

Пример 2

Переработка природного/попутного газа в синтез-газ автотермическим риформингом в соответствии с настоящим изобретением заключается в проведении конверсии в компактном реакторе с неподвижным каталитическим слоем при 850°C и 0,5 МПа. Конструкция реактора включает три реакторных канала, расположенных параллельно продольной оси корпуса реактора, а также канал ввода воздуха и термопарный канал. Внутренняя площадь поперечного сечения корпуса реактора в 2,5 раза больше внутренней площади поперечного сечения реакторных каналов. Выход канала для подачи воздуха расположен на расстоянии 2 внутренних диаметров корпуса напротив выходов реакторных каналов.

В качестве сырья используется природный газ, водяной пар и кислород воздуха, предварительно подогретые до 350°C, при мольном соотношении компонентов в смеси C:H₂O=1:1 и О₂:C=0,4:1. Объемная скорость по природному газу составляет 10000 ч^-1. Подача природного газа, водяного пара и 0,5 части воздуха осуществляется по реакторным каналам, а остальная часть воздуха (0,5) подается через распределенный вход воздуха.

Пример 3

Переработка природного/попутного газа в синтез-газ автотермическим риформингом в соответствии с настоящим изобретением заключается в проведении конверсии в компактном реакторе с неподвижным каталитическим слоем при 850°C и 0,5 МПа. Конструкция реактора включает четыре реакторных канала, расположенных параллельно продольной оси корпуса реактора, а также канал ввода воздуха и термопарный канал. Внутренняя площадь поперечного сечения корпуса реактора в 2,5 раза больше суммарной внутренней площади поперечного сечения реакторных каналов. Выход канала для подачи воздуха расположен на расстоянии 2 внутренних диаметров корпуса напротив выходов реакторных каналов.

В качестве сырья используется природный газ, водяной пар и кислород воздуха, предварительно подогретые до 350°C, при мольном соотношении компонентов в смеси C:H₂O=1:1 и О₂:C=0,4:1. Объемная скорость по природному газу составляет 20000 ч^-1. Подача природного газа, водяного пара и 0,7 части воздуха осуществляется по реакторным каналам, а остальная часть воздуха (0,3) подается через распределенный вход воздуха.

Пример 4

Переработка природного/попутного газа в синтез-газ автотермическим риформингом в соответствии с настоящим изобретением заключается в проведении конверсии в компактном реакторе с неподвижным каталитическим слоем при 850°C и 0,5 МПа. Конструкция реактора включает пять реакторных каналов, расположенных параллельно продольной оси корпуса реактора, а также канал ввода воздуха и термопарный канал. Внутренняя площадь поперечного сечения корпуса реактора в 2,5 раза больше суммарной внутренней площади поперечного сечения реакторных каналов. Выход канала для подачи воздуха расположен на расстоянии 2 внутренних диаметров корпуса напротив выходов реакторных каналов.

В качестве сырья используется природный газ, водяной пар и кислород воздуха, предварительно подогретые до 400°C, при мольном соотношении компонентов в смеси C:H₂O=1:0,6 и O₂:С=0,45:1. Объемная скорость по природному газу составляет 20000 ч^-1. Подача природного газа, водяного пара и 0,5 части воздуха осуществляется по реакторным каналам, а остальная часть воздуха (0,5) подается через распределенный вход воздуха.

Пример 5

Переработка природного/попутного газа в синтез-газ автотермическим риформингом в соответствии с настоящим изобретением заключается в проведении конверсии в компактном реакторе с неподвижным каталитическим слоем при 850°C и 0,5 МПа. Конструкция реактора включает шесть реакторных каналов, расположенных параллельно продольной оси корпуса реактора, а также канал ввода воздуха и термопарный канал. Внутренняя площадь поперечного сечения корпуса реактора в 2,5 раза больше внутренней площади поперечного сечения реакторных каналов. Выход канала для подачи воздуха расположен на расстоянии 3 внутренних диаметров корпуса напротив выходов реакторных каналов.

В качестве сырья используется попутный газ, водяной пар и кислород воздуха, предварительно подогретые до 400°C, при мольном соотношении компонентов в смеси C:H₂О=1:0,6 и О₂:С=0,45:1. Объемная скорость по попутному газу составляет 20000 ч^-1. Подача попутного газа, водяного пара и 0,5 части воздуха осуществляется по реакторным каналам, а остальная часть воздуха (0,5) подается через распределенный вход воздуха.

Пример 6

Переработка природного/попутного газа в синтез-газ автотермическим риформингом в соответствии с настоящим изобретением заключается в проведении конверсии в компактном реакторе с неподвижным каталитическим слоем при 900°C и 0,5 МПа. Конструкция реактора включает семь реакторных каналов, расположенных параллельно продольной оси корпуса реактора, а также канал ввода воздуха и термопарный канал. Внутренняя площадь поперечного сечения корпуса реактора в 2,5 раза больше внутренней площади поперечного сечения реакторных каналов. Выход канала для подачи воздуха расположен на расстоянии 3 внутренних диаметров корпуса напротив выходов реакторных каналов.

В качестве сырья используется природный газ, водяной пар и кислород воздуха, предварительно подогретые до 450°C, при мольном соотношении компонентов в смеси C:H₂О=1:0,8 и O₂:C=0,45:1. Объемная скорость по природному газу составляет 20000 ч^-1. Подача природного газа, водяного пара и 0,5 части воздуха осуществляется по реакторным каналам, а остальная часть воздуха (0,5) подается через распределенный вход воздуха.

Пример 7

Переработка природного/попутного газа в синтез-газ автотермическим риформингом в соответствии с настоящим изобретением заключается в проведении конверсии в компактном реакторе с неподвижным каталитическим слоем при 950°C и 0,75 МПа. Конструкция реактора включает десять реакторных каналов, расположенных параллельно продольной оси корпуса реактора, а также канал ввода воздуха и термопарный канал. Внутренняя площадь поперечного сечения корпуса реактора в 2,5 раза больше внутренней площади поперечного сечения реакторных каналов. Выход канала для подачи воздуха расположен на расстоянии 3 внутренних диаметров корпуса напротив выходов реакторных каналов.

В качестве сырья используется природный газ, водяной пар и кислород воздуха, предварительно подогретые до 450°C, при мольном соотношении компонентов в смеси C:H₂О=1:0,6 и О₂:С=0,45:1. Объемная скорость по природному газу составляет 25000 ч^-1. Подача природного газа, водяного пара и 0,5 части воздуха осуществляется по реакторным каналам, а остальная часть воздуха (0,5) подается через распределенный вход воздуха.

Пример 8

Переработка природного/попутного газа в синтез-газ автотермическим риформингом в соответствии с настоящим изобретением заключается в проведении конверсии в компактном реакторе с неподвижным каталитическим слоем при 1000°C и 1,0 МПа. Конструкция реактора включает пятнадцать реакторных каналов, расположенных параллельно продольной оси корпуса реактора, а также канал ввода воздуха и термопарный канал. Внутренняя площадь поперечного сечения корпуса реактора в 2,5 раза больше внутренней площади поперечного сечения реакторных каналов. Выход канала для подачи воздуха расположен на расстоянии 4 внутренних диаметров корпуса напротив выходов реакторных каналов.

В качестве сырья используется природный газ, водяной пар и кислород воздуха, предварительно подогретые до 500°C, при мольном соотношении компонентов в смеси C:H₂О=1:0,6 и O₂:С=0,5:1. Объемная скорость по природному газу составляет 30000 ч^-1. Подача природного газа, водяного пара и 0,5 части воздуха осуществляется по реакторным каналам, а остальная часть воздуха (0,5) подается через распределенный вход воздуха (см. рисунок).

Пример 9

Переработка природного/попутного газа в синтез-газ автотермическим риформингом в соответствии с настоящим изобретением заключается в проведении конверсии в компактном реакторе с неподвижным каталитическим слоем при 850°C и 0,5 МПа. Конструкция реактора включает десять реакторных каналов, расположенных параллельно продольной оси корпуса реактора, а также канал ввода воздуха и термопарный канал. Внутренняя площадь поперечного сечения корпуса реактора в 3 раза больше суммарной внутренней площади поперечного сечения реакторных каналов. Выход канала для подачи воздуха расположен на расстоянии 4 внутренних диаметров корпуса напротив выходов реакторных каналов.

В качестве сырья используется природный газ, водяной пар и кислород воздуха, предварительно подогретые до 400°C, при мольном соотношении компонентов в смеси C:H₂О=1:0,6 и O₂:С=0,45:1. Объемная скорость по природному газу составляет 20000 ч^-1. Подача природного газа, водяного пара и 0,5 части воздуха осуществляется по реакторным каналам, а остальная часть воздуха (0,5) подается через распределенный вход воздуха (см. рисунок).

Пример 10

Переработка природного/попутного газа в синтез-газ автотермическим риформингом в соответствии с настоящим изобретением заключается в проведении конверсии в компактном реакторе с неподвижным каталитическим слоем при 850°C и 0,5 МПа. Конструкция реактора включает десять реакторных каналов, расположенных параллельно продольной оси корпуса реактора, а также канал ввода воздуха и термопарный канал. Внутренняя площадь поперечного сечения корпуса реактора в 4 раза больше суммарной внутренней площади поперечного сечения реакторных каналов. Выход канала для подачи воздуха расположен на расстоянии 4 внутренних диаметров корпуса напротив выходов реакторных каналов.

В качестве сырья используется природный газ, водяной пар и кислород воздуха, предварительно подогретые до 400°C, при мольном соотношении компонентов в смеси C:H₂О=1:0,6 и О₂:С=0,45:1. Объемная скорость по природному газу составляет 20000 ч^-1. Подача природного газа, водяного пара и 0,5 части воздуха осуществляется по трем реакторным каналам, а остальная часть воздуха (0,5) подается через распределенный вход воздуха (см. фиг. 1).

В таблице ниже представлены значения конверсии природного/попутного газа, производительности по синтез-газу и состава синтез-газа, получаемого при осуществлении данного изобретения в соответствии с примерами.

Из таблицы видно, что осуществление автотермического риформинга природного/попутного газа в компактном реакторе в соответствии с данным изобретением позволяет получить синтез-газ с мольным соотношением H₂/СО в диапазоне от 2 до 3 и производительностью не менее 7000 м³/(м³_кат⋅ч) при конверсии сырья не менее 85% и объемной скорости подачи природного/попутного газа от 2000 до 30000 ч^-1. При этом суммарное содержание балластных газов (CH₄, CO₂) в продуцируемом газе составляет не более 5 об. %.

Изобретение относится к газохимии и касается реакторов для получения синтез-газа из природного/попутного газа в процессе автотермического риформинга. Реактор включает реакторные каналы, частично заполненные катализатором и расположенные параллельно продольной оси реактора, боковой патрубок вывода продукта. При этом он снабжен каналом подачи воздуха с распределителем потока, выход которого расположен напротив выхода реакторных каналов, причем часть катализатора размещена на выходе из реакторных каналов, между реакторными каналами и корпусом реактора. Кроме того, нижний уровень катализатора находится между выходами реакторных каналов и канала подачи воздуха, причем внутренняя площадь поперечного сечения корпуса реактора в 2,5-4 раза больше суммарной внутренней площади поперечного сечения реакторных каналов, а выход канала для подачи воздуха расположен на расстоянии 2-4 внутренних диаметров корпуса напротив выходов реакторных каналов. Технический результат заключается в повышении конверсии природного/попутного газа до величины не менее 85% при производительности по синтез-газу не ниже 7000 м³/(м³_кат·ч) и суммарном остаточном содержании CH₄ и CO₂ не более 5 об.%. 2 ил., 1 табл., 10 пр.

Компактный реактор для получения синтез-газа из природного/попутного газа в процессе автотермического риформинга, включающий реакторные каналы, частично заполненные катализатором и расположенные параллельно продольной оси реактора, боковой патрубок вывода продукта, отличающийся тем, что он снабжен каналом подачи воздуха с распределителем потока, выход которого расположен напротив выхода реакторных каналов, при этом часть катализатора размещена на выходе из реакторных каналов, между реакторными каналами и корпусом реактора, причем нижний уровень катализатора находится между выходами реакторных каналов и канала подачи воздуха, при этом внутренняя площадь поперечного сечения корпуса реактора в 2,5-4 раза больше суммарной внутренней площади поперечного сечения реакторных каналов, а выход канала для подачи воздуха расположен на расстоянии 2-4 внутренних диаметров корпуса напротив выходов реакторных каналов.