Тепло- и массообменные процессы при синтезе Фишера-Тропша

1. Липецкий государственный технический университет Физико-технологический факультет Кафедра промышленной теплоэнергетики

Международный инженерный чемпионат «CASE-IN».«Студенческая лига»
Липецкий государственный технический университет
Физико-технологический факультет
Кафедра промышленной теплоэнергетики
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
ПРИ СИНТЕЗЕ ФИШЕРА-ТРОПША
Выполнил студент группы
М-ТЭ-18-1 Кирин А. Ю.

2.

Сведения из истории
2

3.

Получение синтетических нефтепродуктов из
каменного угля
3

4.

Получение синтез-газа
Барабан
Основные реакции:
1) C + H2O ↔ H2 + CO
2) C + 1/2O2↔CO
ШПП
Топка
КПП1
КПП2
ЭК2
Побочные реакции:
CО + Н2О↔ CO2 + Н2
СО2 + С ↔ 2 СО
Горелки
ЭК1
Шлакоудаление
4

5.

Принципиальная схема процесса синтеза
Фишера-Тропша
5

6.

Типы реакторов
Со стационарным
слоем катализатора
С суспендированным
слоем катализатора
Конструкция реактора во многом определяется видом
продуктов, для получения которых он предназначен.
Реактор должен обеспечивать высокую скорость превращения
синтез-газа, изотермичность, эффективный отвод тепла,
минимальные потери катализатора.
Наиболее серьёзная проблема – это эффективный теплоотвод.
6

7.

Реакторы со стационарным слоем катализатора
Является реактором трубчатого
типа. Катализатор находится в
трубах, а в межтрубном – водный
конденсат.
Способ отвода выделяющейся
теплоты – испарение в межтрубном
пространстве водного конденсата
7

8.

Реакторы со стационарным слоем катализатора
Плюсы:
Просты в эксплуатации;
Не создают проблем с отделением катализатора;
Могут использоваться для получения продуктов любого
состава.
Минусы:
Сложность в изготовлении;
Большая металлоёмкость;
Сложность процедуры перегрузки катализатора;
Значительный перепад давления по длине;
Неравномерная нагрузка катализатора по синтез-газу изза проскока газа в зонах с меньшим сопротивлением;
Недостаточный теплоотвод (скорость синтез-газа 8 см/с)
из-за низкой теплопроводности стац. слоя катализатора.
8

9.

Реакторы с суспендированным слоем катализатора
Барботажный колонный реактор.
Катализатор суспендирован в
жидкости.
Способ отвода выделяющейся
теплоты – испарение в трубах
теплообменника
9

10.

Реакторы с суспендированным слоем катализатора
Плюсы:
Более низкая стоимость (меньше на 25 %);
Выигрыш в стоимости компрессии синтез - газа (так как
перепад давления в реакторе в 4 раза меньше);
Меньшее (в 4 раза) количество катализатора,
необходимого для производства тонны продуктов;
Лучшая изотермичность и отсутствие необходимо
остановки реактора для замены катализатора.
Минусы:
Катализатор больше отравляется сероводородом;
Катализатор должен обладать устойчивостью к истиранию
и стойкостью к гидротермальным воздействиям.
10

11.

Виды катализаторов
Активн
ый
металл
Активность
Цена
СФТ
Условия
активности
Основные
продукты
В реакции
водяного
пара
В реакции
гидриров
ания
CH4 и
t = 150÷200°С
соединения
p = 1 бар
с СО
Ni
Высокая
Низкая
Низкая
Очень
высокая
Fe
Низкая
Средняя
Средняя
Низкая
t = 250÷300°С
p = 1-4 МПа
Развлетвл.
парафины
Co
Средняя
Средняя
Низкая
Средняя
t = 200÷240°С
p = 0,1-2 МПа
Линейные
парафины
Ru
Очень
высокая
Средняя
t = 200÷250°С
p = 1-2 бар
CH4 и в.м.
парафины
при 15 МПа
Высокая
Низкая
11

12.

Технологическая схема СФТ на железном
катализаторе (стационарный слой)
Аппараты: 1 – реактор;
2 – мультициклон;
3 – теплообменник;
4 – конденсатор;
5 – сборник парафина;
6 – сборник высококипящих
углеводородов;
7 – сборник легких
углеводородов;
8 – сборник реакционной
воды.
Потоки: I – синтез-газ;
II – питательная вода;
III – пар;
IV – циркулирующий газ;
V – остаточный газ;
VI – щелочь.
12

13.

Технологическая схема СФТ в газовой фазе
(взвешенный слой)
Аппараты: 1 – подогреватель; 2 – реактор; 3 – холодильник; 4 – колоннасепаратор; 5 – конденсатор; 6 – разделительная колонна; 7 – колонна для
промывки бензина; 8 – колонна для промывки газа.
Потоки: I – синтез-газ; II – ввод свежего катализатора; III – суспензия
катализатора; IV – циркулирующее масло; V – вода; VI – вода и
водорастворимые продукты; VII – тяжелое масло; VIII – бензин;
IХ – отходящий газ.
13

14.

Продукты синтеза Фишера-Тропша и их хар-ки
Воск – углеводороды C19+
Дизельное топливо –
тяжёлые углеводороды
Нафта – смесь углеводородов C5 – C10
Керосин – смесь
углеводородов C10 – C14
Газообразные углеводороды (C2 – C4)
14

15.

Теплообменные процессы
Общее уравнение для теплопередачи:
Q = К·F(tг – tх);
K=1/(1/α1+ δ/ λ +1/α2),
где α1 – коэффициент теплоотдачи потока газа;
α2 – коэффициент теплоотдачи охлаждающего теплоносителя;
δ и λ – толщина стенки и коэффициент теплопроводности материала
реакционной трубки
Значительное повышение
температуры реакции СФТ
ведет к снижению
селективности процесса,
образованию метана,
закоксовыванию
катализаторов и, в конечном
итоге, к их дезактивации и
спеканию.
15

16.

Исходные данные для анализа теплообмена
Состав синтез-газа
25 % 25 %
Монооксид углерода
Водород
50 %
Название величины
Интервал давлений
Интервал объёмной скорости газов
Средняя молекулярная масса синтез-газа
Кинематическая вязкость синтез-газа при 200 °C
Удельная теплоёмкость синтез-газа
Теплопроводность синтез-газа
Диаметр частицы катализатора
Удельная поверхность частиц катализатора
Объём катализатора
Радиус трубки
Длина трубки
Коэффициент объемного расширения синтез-газа
Диоксид углерода
Размерность
МПа
ч-1
кг/моль
м2/с
Дж/(кг⋅К)
Вт/(м⋅К)
м
м2/м3
м3
м
м
1/К
Значение
0,1-2,0
100-10000
25,8·10-3
0,737·10-4
7748,5
0,091
3·10-3
847
0,00178
13·10-3
3,3
3,66·10-3
16

17.

Зависимость коэффициента теплоотдачи от ОСГ
17

18.

Теплоперенос каталитической частицы
Уравнение для температуры гранулы катализатора:
где ΔWFT – мощность тепловыделений в единице объёма в Вт/м3.
Уравнение конвективного теплообмена гранулы с жидким флюидом
(предполагаем, что внутри гранулы находится только синтез-газ:
где αp – коэффициент теплоотдачи гранулы, омываемой жидким флюидом в
Вт/(м2 ⋅К).
В центре гранулы выполняется условие симметрии:
18

19.

Массоперенос каталитической частицы
Уравнения баланса концентрации компонентов С-Г в пористой грануле:
где CCO, CH2 – молярные концентрации оксида
углерода и водорода внутри гранулы в моль/м3;
ωFT – скорость расходования С-Г на единицу
массы катализатора в моль/(кг⋅с);
Ccat – массовая концентрация кобальтового
катализатора в объёме гранулы в кг/м3;
DCO, DH2 – коэффициенты молекулярной
диффузии компонентов С-Г внутри гранулы в м2/с;
r – радиальная координата;
t – время.
19

20.

Массоперенос каталитической частицы
Условия диффузионного обмена на внешней поверхности гранулы:
где DgrCO, DgrH2 – коэффициенты молекулярной диффузии компонентов С-Г внутри
гранулы в м2/с;
DsynCO, DsynH2 – коэффициенты молекулярной диффузии компонентов С-Г в
продуктах синтеза в м2/с;
CgrCO, CgrH2 – молярные концентрации оксида углерода и водорода внутри
гранулы в моль/м3;
CsynCO, CsynH2 – молярные концентрации оксида углерода и водорода в
продуктах синтеза в моль/м3;
ShCO, ShH2 – критерии Шервуда (диффузионный Нуссельт) для компонентов
синтез-газа.
В центре гранулы выполняется условие симметрии:
20

21.

Применение синтеза Фишера-Тропша
Bintulu (Малайзия) - Shell, 1993
Pearl (Катар) - Shell, 2011
6 млн т/год синтетического топлива
Oryx (Катар) - Sasol, 2006
1,5 млн т/год синтетического топлива
Новокуйбышевский НПЗ – планируется к
запуску первая в России установка
по получению син. топлива
21

22.

Международный инженерный чемпионат «CASE-IN».«Студенческая лига»