Процесс получения синтез-газа при горении сверхбогатых смесей метана и аппараты для его реализации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Богданов, Виктор Александрович

• Богданов, Виктор Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Богданов, Виктор Александрович

Введение.

1. Обзор литературы и постановка задачи исследования.

2. Экспериментальные исследования получения синтез-газа на установке адиабатического сжатия (УАС).

2.1. Обзор литературы. Адиабатическое сжатие - метод гомогенной газовой кинетики.

2.2. Методика эксперимента.

2.3. Обработка экспериментальных данных при помощи математического моделирования.

2.4. Результаты экспериментов.

2.5. Обсуждение результатов.

3. Экспериментальные исследования получения синтез-газа в химическом реакторе постоянного объема.

3.1. Обзор литературы.

3.2. Методика эксперимента.

3.3. Результаты экспериментов.

3.4. Термодинамический расчет.

3.5. Обсуждение результатов.

3.6. Материальный баланс.

4. Экспериментальные исследования получения синтез-газа в реакторе на базе жидкостного ракетного двигателя (ЖРД).

4.1. Обзор литературы.

4.2. Методика эксперимента.

4.3. Результаты экспериментов.

4.4. Обсуждение результатов.

4.5. Рекомендации по промышленной реализации процесса получения синтез-газа.

5. Экономические оценки технологии GTL.

6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Процесс получения синтез-газа при горении сверхбогатых смесей метана и аппараты для его реализации»

В последние годы во всем мире интенсивно развиваются исследования, направленные на использование природного газа для производства моторного топлива, ведется проектирование и строительство ряда объектов.

С экологической точки зрения природный газ имеет большие перспективы не только как энергоноситель, но и как сырье для химической и нефтехимической промышленности: получаемые из него моторные топлива удовлетворяют действующим и перспективным стандартам промышленно развитых стран мира по содержанию в них олефинов, бензола и других ароматических углеводородов, а также примесей серы.

Первой стадией производства топлив из природного газа является получение синтез-газа (смеси водорода и оксида углерода). На его долю приходится около 2/3 капиталовложений в промышленную сферу. Именно поэтому разработка новых и совершенствование существующих процессов получения синтез-газа является весьма актуальной задачей. В современной промышленности синтез-газ получают различными методами окислительной конверсии природного газа (метана) - это паровая (парокислородная) конверсия, углекислотная конверсия и парциальное окисление кислородом. Первые два процесса проводят при высоких температурах в присутствии катализаторов. Они имеют сложное аппаратурное оформление и являются энергозатратными.

При гомогенном парциальном окислении метана реакция является экзотермической и не требует применения катализаторов. Поэтому становится возможным применение в качестве аппаратуры для его проведения химических реакторов на базе энергетических установок. Эти обстоятельства являются предпочтительными и с экономической точки зрения. Гомогенное парциальное окисление происходит в процессе горения сверхбогатых метано-кислородных или метано-воздушных смесей. По сравнению с полным окислением эта реакция энергетически менее выгодна и поэтому воспламенение и горение таких смесей до самого последнего времени оставались почти неизученными.

Исследование процесса получения синтез-газа при горении сверхбогатых смесей метана и аппаратов для его проведения является актуальной задачей в области современной газохимии.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Богданов, Виктор Александрович

6. Выводы.

1) Определены основные физико-химические закономерности получения синтез-газа при горении сверхбогатых смесей метана.

2) Показано, что форкамерное зажигание является наиболее эффективным методом воспламенения сверхбогатых смесей.

3) Достигнуто устойчивое бессажевое горение сверхбогатых смесей метана при высокой конверсии горючего и окислителя.

4) Впервые экспериментально исследовано влияние добавок водорода, оксида углерода и синтез-газа на подавление сажеобразования и выходы целевых продуктов при гомогенном парциальном окислении метано-кислородных смесей.

5) Исследовано воспламенение сверхбогатых метано-воздушных смесей при адиабатическом сжатии и найдены основные параметры процесса получения синтез-газа в этих условиях.

6) Определены константы скоростей химических брутто-реакций, протекающих при гомогенном парциальном окислении сверхбогатых метано-воздушных смесей.

7) Подготовлены рекомендации по выбору реактора для проведения процесса гомогенного парциального окисления метана и режимам процесса.

8) Реализовано форкамерное зажигание в процессе гомогенного парциального окисления в проточном химическом высокотемпературном реакторе при помощи микро-ЖРД.

9) Проточный высокотемпературный реактор на базе жидкостного ракетного двигателя, разработанный для уничтожения супертоксикантов, был модифицирован для реализации процесса получения синтез-газа при горении.

10) Предложен вариант технологической схемы процесса переработки природного и попутного нефтяного газов в жидкие продукты.

Автор признателен декану факультета Инженерной экологии Наталье Евгеньевне Николайкиной и сотрудникам кафедры Инженерной экологии городского хозяйства, особенно профессору Адаму Михайловичу Гонопольскому, за консультации и полезные советы при обсуждении работы.

Автор благодарен проф. д.х.н. Колбановскому Ю.А., к.х.н. Билере И.В., к.т.н. Россихину И.В., к.х.н. Буравцеву Н.Н., проф. д.ф.-м.н. Борисову А.А., к.ф.-м.н. Трошину К.Я., гл. спец. Кривоносовой Т.Э. и аппаратчикам за консультации и советы при выполнении экспериментальных и теоретических исследований.

Автор признателен зав. лаборатории №14 ИНХС РАН д.ф.-м.н. Лебедеву Ю.А. за предоставленную возможность выполнения диссертационной работы в дружном творческом коллективе лаборатории.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Богданов, Виктор Александрович, 2006 год

1. Арутюнов B.C., JIanudyc A.JI. Газохимия как ключевое направление развития энергохимических технологий XXI века. Российский химический журнал. 2003. Т. XLVII. № 2. С. 23-31.

2. Чулков П. В. Моторные топлива: ресурсы, качество, заменители. Справочник. М.: Политехника. 1998.416 с.

3. Брагинский О.Б. Мировая нефтехимическая промышленность. М.: Наука.2003. 556 с.

4. Самсам Бахтиари. Переработка газа в жидкое топливо: много дыма, маложара. Нефтегазовые технологии. 2002. №2. С. 103-104.

5. Самсам Бахтиари. Получение жидких топлив из природного газа: проблемы и перспективы. Нефтегазовые технологии. 2003. №2. С. 61-62.

6. Брагинский О.Б. Мировой нефтегазовый комплекс / О.Б. Брагинский. М.:1. Наука. 2004. 605 с.

7. Лыков О. П. Природный и попутный газ как моторное топливо. Химия итехнология топлив и масел. 1999. № 6. С. 3.

8. Моисеев И.И., Дедов А.Г. От нефтехимии к химии Q. Химические технологии. 2001. №11. С. 2-9.

9. Corke М. GTL Technologies Focus on Lowering Costs. Oil Gas J. 1998. V. 96.38. P. 71.

10. Колбановский Ю. А. Некоторые вопросы создания, экологически чистых топлив для карбюраторных двигателей. Нефтехимия. 2002. Т. 42. № 2. С. 154-159.

11. Арутюнов В. С., Крылов О.В. Окислительные превращения метана. М.: Наука. 1998. 361 с.

12. Cristensen T.S., Primdahl I.I Improve syngas production using autothermal reforming. Hydrocarbon processing. 1994. March. P. 39.

13. Ernst W.S., et al. Push syngas production limits. Hydrocarbon processing. 2000. March. P. 100.

14. H. Topsae A/S and Societe Beige deL'Azote. Hydrocarbon Processing. 1988. V. 67. №4. P. 77.

15. Репа M.A., Gomez J.P., Fierro J.L.G. New catalytic routes for syngas and hydrogen production. Applied Catalysis. 1996. V. A 144. P. 7-57.

16. Prettre M., Eichner C. and Perrin C., Trans. Faraday Society. 1946. V. 42. P. 335.

17. Yamamoto Т., Kaneko K., Kuwae K., Hiratsuka K. Production of synthesis gas by internal combustion engine. In Sixth World Petroleum Congress. Frankfurt/Main. 1963. Sec. IV. P. 429-432.

18. Zhu J., Zhang D„ King K.D. Reforming of CH4 by partial oxidation* thermodynamic and kinetic analyses. Fuel. 2001. V. 80. P. 899-905.

19. Борисов A.A., Колбановский Ю.А., Самойлова JI.A., Трошин К.Я. Парциальное окисление углеводородных газов в процессе горения. Труды XII Симпозиума по горению и взрыву. Черноголовка. 2000. Ч. III. С. 122.

20. Колбановский Ю.А., Билера И.В. Получение синтез-газа в энергетических установках. Газохимия в XXI веке. Проблемы и перспективы: Труды московского семинара по газохимии 2000-2002 г.г. М.: Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа. 2003. С. 106-116.

21. Грунвальд В. Р., Долинский Ю. Л., Пискунов С. Е. и др. Способ получения синтез-газа: Пат. РФ 2096313.1997. + Патент США № 6174460. 2001.

22. Генкин В. Н., Колбановсий Ю. А. Способ получения синтез-газа: Пат. РФ 2120913.1998.

23. Кобозев ИМ, Казарновский Я.С., Менделевич ИИ. Взрывная конверсия метана. Труды ГИАП. 1957. Вып. VII. С. 155-166.

24. Казарновский Я. С., Деревянко И.Г., Стрежинский А.И. Взрывная конверсия метана. Труды ГИАП. 1957. Вып. VIII. С. 89-105.

25. Казарновский Я.С., Кобозев Н.И., Стрежинский А.И. Взрывная конверсия метана. Труды ГИАП. 1957. Вып. VIII. С. 106-123.

26. Билера КВ., Колбановский Ю.А., Петров С.К., Платэ Н.А., Россихин И.В. Способ экологически чистого уничтожения супертоксичных веществ при горении и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2203452. 2001.

27. Колбановский Ю. А. Платэ Н. А. Энергетические установки в химической технологии. Нефтехимия. 2000. Т 40. № 5. С. 323-333.

28. Каторгин Б.И., Кубиков В.Б. и др. Доклад на совещании в ИНХС РАН по новым топливо-энергетическим технологиям. 26 ноября 1997.

29. К. Aasberg-Petersen, J.-H. Bak Hansen, T.S. Christensen et al. Technologies for large-scale gas conversion. Applied Catalysis A: General 221. 2001. P. 379-387.

30. Моисеев И. К, Платэ Н. А., Терещенко Г. Ф. Энергохимические технологии: энергия и химическая продукция в одном процессе. Известия Академии наук. Серия химическая. 2001. № 11. С. 1925-1929.

31. Kolbanovskii Yu.A., Bilera I.V., Borisov A.A., Troshin K.Ya. Syngas as basis for synthesis of alternative fuels. New technology. In: 41-th International petroleum conference. Bratislava, Slovak Republic. 2003. CD ROM.

32. Билера И. В. Колбановский Ю. А. Закономерности изменения стехиометрических соотношений при сверхглубоких превращениях компонентов в процессах горения. Химическая физика. 2001. Т. 20. № 10. С. 64-69.

33. Колбановский Ю.А., Щипачев B.C., Черняк Н.Я. и др. Импульсное сжатие газов в химии и технологии. М.: Наука. 1982. 240 с.

34. Ландау ДД., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука. 1988. С. 17.

35. Мержанов А.Г. Неизотермические методы в химической кинетике. Черноголовка: ИХФ АН СССР. 1973. 25с. Препринт.

36. Рябинин Ю.Н. Газы при больших плотностях и высоких температурах. М.: Физматгиз. 1959. 71 с.

37. Столяров Б.В., Савинов И.М., Витенберг А.Г. Руководство к практическим работам по газовой хроматографии. Л.: Химия. 1978. С. 59.

38. Буравцев Н.Н. Экспериментальное и математическое моделирование химических процессов в условиях импульсного сжатия газов поршнем. Диссертация кандидата химических наук. М.: ИНХС АН СССР. 1989. 181с.

39. Warnatz J. Generation and reduction of reaction mechanisms relevant to combustion in turbines. In Combustion and Pollution: Environmental Impact / Edited by Roy G.D., Frolov S.M., Starik A.M. M.: TORUS PRESS Ltd. 2005. P. 3-15.

40. Buriko Yu.Ya., Goltsev V.F. Studies of two-stage homogeneous combustion of methane-air mixture. In Combustion and Pollution: Environmental Impact / Edited by Roy G.D., Frolov S.M., Starik A.M. M.: TORUS PRESS Ltd. 2005. P. 69-78.44.

41. Борисов А.А., Скачков Г.И., Трошин К.Я. Кинетика воспламенения и горения простейших углеводородных топлив СрСз в воздушных смесях. Химическая физика. 1999. Т. 18. № 9. С. 45-53.

42. Yoshiaki Hidaka, Kasutaka Sato and et al. Shock-tube and modeling study of methane pyrolysis and oxidation. Combustion and flame. 1999. V. 118. P. 340358.

43. Манташян A.A., Саркисян JI.A. Кинетический анализ новых представлений о механизме окисления метана методом математического моделирования. Химическая физика. 2000. Т. 19. №3. С. 115-125.

44. Тереза A.M., Слуцкий В.Г., Северин Е.С. Моделирование высокотемпературного окисления метана и этана. Химическая физика. 2003. Т. 22, № 6. С. 30-37.

45. Колбановский Ю.А., Павленишвили О.В., Цагарели Р.В. Физико-химические основы метода адиабатического сжатия. Исследование химических реакций при адиабатическом сжатии газов. Сборник статей. М.: Наука. 1978. С. 4-74.

46. Систер В.Г., Борисов А.А., Трошин К.Я., Билера КВ., Богданов В.А., Политенкова Г.Г., Колбановский Ю.А. Парциальное окисление метана в режимах горения и самовоспламенения. Хим. физика. 2006. Т. 25. № 1. С. 61-68.

47. Систер В.Г., Богданов В.А., Колбановский Ю.А. Получение синтез-газа гомогенным окислением метана. Нефтехимия. 2005. Т. 45. № 6. С. 1-7.

48. Губин С.А., Одинцов В.В., Пепекин В.И. Термодинамические расчеты сложных химических систем. М.: МИФИ. 1987. 96 с.

49. Колбановский Ю.А., Махлин В.А., Россихин КВ., Билера КВ. Технологический комплекс для экологически чистой утилизации реакционных масс (РМ) детоксикации ФОВ. Химическая промышленность сегодня. 2005. №7. С. 37.

50. Брагинский О.Б., Шлихтер Э.Б. Развитие нефтеперерабатывающей промышленности мира под влиянием требований к охране окружающей среды. М.: ЦЭМИ РАН. 2000. 154 с.

51. Лыков О.П. Производство моторных топлив из природного газа. // Химия и технология топлив и масел. 1996. №3. С. 15,24.

52. Фалъкевич Г.С., Топчий В.А., Какичев А.П. Каталитические процессы переработки природного и попутного нефтяных газов в автомобильные топлива. Катализ в промышленности. 2003. №3. С. 10-21.

53. Проспект фирмы Sasol. 2004.

54. Mill G. Alex. Status and future opportunities for conversion synthesis gas to liquid fuels. Fuel. 1994. V.73. № 8. P. 1243-1279.

55. Trude Sundset, Jostein Sogge, Terje Strom. Evaluation of natural gas based synthesis gas production technologies. Catalysis today. 1994. V. 21. P. 269278.

56. Jens R. Rostrup-Nielsen. Catalysis and large-scale conversion of natural gas. Catalysis today. 1994. V. 21. P. 257-267.

57. Мордкович В.З. Трезвый взгляд на водородную энергетику. Химия и жизнь. 2006. №5. С. 8-11.

58. РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Г ордена Трудового Красного Знамени • -.у: ИНСТИТУТ