Установка производства водорода в цикле нефтеперерабатывающего завода

«Назначение установки – производство водорода, потребность в котором возрастает из года в год в связи с постоянным углублением процессов переработки нефти, повышением требований к качеству получаемых топлив и смазочных материалов, а также в связи с необходимостью обессеривания энергетического топлива. В качестве сырья для получения водорода методом паровой каталитической конверсии легких углеводородов могут быть использованы природные и заводские (сухие и жирные) газы, а также прямогонные бензины. Этот наиболее распространенный метод производства водорода включает три стадии: подготовку сырья к конверсии, собственно конверсию и удаление из продуктов оксидов углерода» [8].

«Применяемая в настоящее время технология регламентирует некоторые требования к качеству сырья, в частности по содержанию в нем соединений серы (в газах до 100мг/м3, в бензинах до 0,3 мг/кг), отравляющих как никелевый катализатор паровой конверсии углеводородов, так и цинкмедный катализатор низкотемпературной конверсии оксида углерода. Присутствие в сырье непредельных углеводородов вызывает образование углеродистых отложений на катализаторе паровой конверсии углеводородов» [8].

«В промышленности получают технический водород с содержанием водорода 95-98 % (об.). Производство технического водорода меньшей концентрации приводит к его повышенному расходу на установке гидрокрекинга, а большей концентрации – требует значительных затрат и экономически не рентабельно» [7].

Процесс паровой конверсии углеводородов протекает в вертикальных трубчатых реакторах, заполненных катализатором и размещенных в радиантной секции печи в один, два или несколько рядов, закрепленных только внизу или вверху и обогреваемых с двух сторон. Типичный катализатор процесса – никель, нанесенный на оксид алюминия, то есть kat = Ni/Al2O3. Топливом для печи служит очищенный от сернистых соединений технологический или природный газ. Образующийся в результате протекания процесса диоксид углерода СО2 вместе с парами воды выволится в атмосферу. Водородсодержащий газ проходит через реактор метанирования, где непревращенный оксид и неудаленный диоксид углерода гидрируются с образованием метана, после чего от него отделяется сконденсировавшийся в сепараторе водяной пар.

Проект изучаемой установки очистки и производства водорода разработан компанией «Экссайа Хаумер» (Axsia Howmar) по заказу фирмы «Джей-Джи-Си КОРПОРЭЙШН» (JGC CORPORATION), Япония. Установка очистки и производства водорода состоит из двух секций: секции очистки водорода 78-Z-001 и секции генерирования (получения) водорода 78-Z-002.

2 Расчет материального и энергетического балансов процесса получения водорода

 

Материальный баланс

Рассчитаем материальный баланс установки получения водорода.

Условия процесса конверсии углеводородов:

1. Температура t = 800-900 ^оС;

2. Давление Р = 2,2-2,4 МПа;

3. Катализатор kat = Ni/Al₂O₃;

4. Расход сырья 1,03-1,05 м³ на 1 м³ получаемого ВСГ;

5. Расход водяного пара 0,60-0,66 м³ на 1 м³ сухого газа.

«Спецификой работы установки, требующей строжайшего соблюдения правил безопасности и правил эксплуатации аппаратов, работающих под давлением, является применение взрывоопасных и токсичных веществ. Установка паровой каталитической конверсии углеводородов для производства водорода часто является составной частьюустановки гидрокрекинга; ее строительство обходится примерно в 25-30 % стоимости установки гидрокрекинга» [7].

При составлении материального баланса необходимо учитывать, что часть потребностей завода в техническом водороде удовлетворяется за счет ВСГ, образующегося на установке каталитического риформинга, в количестве 19 377 т/год, в том числе 4 343 т/год 100 %-ого водорода. Расходуется водород на следующих установках:

1. Изомеризации (566 т/год ВСГ, в т. ч. 156 т/год 100 %-ого Н₂);

2. Гидроочистки (3 709 т/год 100 %-ого Н₂);

3. Гидрокрекинга (27 436 т/год 100 %-ого Н₂).

Таким образом, для покрытия нужд завода в водороде необходимо произвести:

 

(156 + 3 709 + 27 436) – 4 343 = 26 958 т/год чистого Н₂,

 

ВСГ содержит 95 % объемных чистого водорода. Пересчитаем состав ВСГ, вырабатываемого на установке производства водорода на массовые проценты, используя следующую формулу:

 

w_i = × 100 %,

 

где w_i – массовая доля i -ого компонента смеси, % масс.;

j _i – объемная доля i -ого компонента смеси, % об.;

М _i – молекулярная масса i -ого компонента смеси, г/моль.

 

Результаты пересчета для удобства сведем в таблицу 2.1

Таблица 2.1 – Расчет полученных элементов

Компонент	j i, % об.	М i, г/моль	j i × М i	wi, % масс.
Водород Н2	95	2	190	68,0
Метан СН4	4,6	16	73,6	26,3
Оксид углерода СО	0,1	28	2,8	1,0
Диоксид углерода СО2	0,3	44	13,2	4,7
å	100,0	–	279,6	100,0

 

или, учитывая, что ВСГ с УПВ содержит 95 % чистого водорода:

 

= 39 644,12» 39 644 т/год ВСГ.

 

УПВ работает 340 дней в году, следовательно, ее суточная и часовая производительность составит:

= 116,6» 117 т/сут или = 4 858,33» 4 858 кг/ч.

Сведем в таблицу 2.2 полученный материальный баланс установки производства водорода.

Таблица 2.2 – Материальный баланс установки производства водорода

Продукты	% масс.	кг/час	т/сутки	т/год
Приход:
Сухой газ	100,0	4 858	117	39 644
Итого:		4 858	117	39 644
Расход:
Водород Н2	68,0	3 303	80	26 958
Метан СН4	26,3	1 278	31	10 426
Оксид углерода СО	1,0	49	1	396
Диоксид углерода СО2	4,7	228	5	1 863
Итого:	100,0	4 858	117	39 644

 

Следует учесть, что суммарное количество сухого газа, выделяемого на газофракционирующих установках предельных и непредельных газов, составляет (табл. 23 и 24):

40 638 + 80 788 = 121 426 т/год

 

Из них на установке производства водорода расходуется 39 644 т/год (табл. 2.2). Таким образом в топливную сеть завода поступает сухого газа:

121 426 – 39 644 = 81 782 т/год

 

Тепловой баланс

Рассмотрим тепловой баланс реактора в предположении отсутствия тепловых потерь через стены.

Температура реактора составляет 1400 °С.

 Тогда в расчете на 1 моль метана приход тепла (тепловой эффект суммарной реакции в реакторе) составит около 35,6 кДж, расход тепла составит – 157 кДж (теплосодержание 2 моль водорода – 102,5 кДж, 1 моль СО – 54,5 кДж), т.е. дефицит тепла составит 121,4 кДж.

Дефицит тепла в реакторе может быть компенсирован несколькими способами: использованием тепла продуктов для предварительного подогрева реагентов, окислением части окиси углерода в области 4 для нагрева расплава, использованием тепла продуктов и тепла от сжигания СО для производства электроэнергии, которая используется для поддержания температуры расплава.

Физическое тепло продуктов (водорода и окиси углерода) составляет около 157 кДж, тепло от сжигания СО составит 283 кДж, всего около 440 кДж.

То есть даже возврат менее 30 % физического тепла продуктов и тепла от сжигания окиси углерода в реактор достаточно для поддержания его теплового баланса.