В настоящее время становится актуальным использование природного газа не только как топлива, но и в качестве сырья для получения метанола, аммиака и других химических продуктов. Часто газ добывают на небольших и удаленных месторождениях, однако из-за малых объемов доставка такого сырья на крупные перерабатывающие заводы экономически нецелесообразна. Одним из вариантов решения является переработка непосредственно на месте добычи с использованием специальных малотоннажных установок. Если при их проектировании за основу инженеры возьмут конструкцию крупных промышленных реакторов, уменьшая их размеры, то при переходе к малым объемам изменятся условия теплообмена и движения газа, что приведет к снижению выхода продукта (в том числе метанола) и увеличению его себестоимости. Для математического моделирования процессов синтеза сегодня применяются иностранные программные комплексы, но они требуют значительных вычислительных ресурсов и не удобны для быстрых расчетов малотоннажных реакторов. Готовых отечественных инструментов, ориентированных на такие установки, до сих пор не существовало. Ученые Пермского Политеха разработали программу для расчета и оптимизации малотоннажных реакторов, в которых природный газ преобразуется в метанол. Инструмент позволяет инженеру подобрать длину и диаметр реактора, температуру, давление, скорость подачи и состав сырья. Это открывает для предприятий возможность снижать издержки при производстве химической продукции.
На программу получено свидетельство о регистрации.
Природный газ сегодня используют не только как более чистое по сравнению с углем и нефтью топливо, но и как сырье для химической промышленности. Из него получают, в частности, метанол и аммиак, которые применяют при производстве пластмасс, удобрений, растворителей и синтетического топлива.
Традиционная схема переработки предполагает, что газ после добычи направляют по магистральным трубопроводам на крупные заводы. Такой подход эффективен, когда месторождение дает большие объемы сырья и способно стабильно загружать предприятие.
Однако все чаще в разработку вовлекаются небольшие и территориально удаленные месторождения. Их запасы значительно быстрее истощаются, а газ может содержать больше примесей. Для таких объектов строительство дорогостоящей инфраструктуры обычно не окупается, а для крупных перерабатывающих заводов, расположенных далеко, брать такой газ нерентабельно. Это значит, что сейчас его почти не используют.
Одним из решений считается переработка газа непосредственно на месте добычи с помощью малотоннажных установок. Сегодня их пытаются проектировать по аналогии с крупными промышленными реакторами: исходную конструкцию уменьшают, сохраняя общую схему процесса.
Однако при переходе к малым объемам меняются условия теплообмена и движения газа. Когда камеры реакторов становятся короче, температура распределяется менее равномерно, возникают локальные перегревы. Из-за этого химическая реакция внутри реактора проходит не полностью, а объем метанола на выходе снижается. В результате себестоимость продукта может возрастать в 4–5 раз, что делает применение малотоннажных установок невыгодным. Таким образом, проектирование малотоннажных установок требует иного подхода.
Для моделирования процессов синтеза сегодня чаще всего используют коммерческие программные комплексы, однако они, как правило, рассчитаны на широкий круг инженерных задач, требуют значительных вычислительных ресурсов и не удобны для быстрых расчетов малотоннажных реакторов. Готовых отечественных инструментов, которые специально ориентированы на проектирование таких установок и успешно применяются, сейчас нет.
Ученые Пермского Политеха разработали отечественную программу для расчета и оптимизации малотоннажных реакторов, в которых природный газ преобразуется в метанол. В отличие от зарубежных аналогов, ее применение позволит значительно снизить затраты на производство.
Чтобы определить, какие параметры нужны для малотоннажного реактора, исследователи математически описали стандартные химические реакции синтеза природного газа. На основе этих данных они создали программу, в которую заложили ключевые процессы: движение газовой смеси, нагрев и охлаждение, а также химические реакции, приводящие к образованию метанола.
Инженер может задать геометрию установки, температуру, давление и состав сырья, после чего получает расчет параметров по отдельным участкам реактора. Такой подход позволяет увидеть, где могут возникнуть перегревы, застои или снижение эффективности реакции, и скорректировать параметры еще на этапе проектирования.
Александр Кондрашов
— Важно, что инструмент дает возможность на этапе проектирования рассчитать геометрию нового реактора — его длину и диаметр. Инженер может перебрать на компьютере десятки вариантов конструкции и выбрать тот, при котором выход продукта будет максимальным, а риск перегревов и застойных зон — минимальным. Это позволяет создавать более эффективные малотоннажные установки без дорогостоящих натурных экспериментов, — отметил Александр Кондрашов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Оборудование и автоматизация химических производств» ПНИПУ.
В отличие от расчетов для крупных промышленных установок, где часто достаточно усредненных данных, малотоннажный реактор требует более детального анализа. Даже небольшие отклонения температуры или скорости потока могут заметно повлиять на объемы сырья на выходе. Поэтому программа рассчитывает параметры процесса в разных точках установки и позволяет быстро сравнивать варианты конструкции и режимов работы.
Вадим Котов
— Для проверки работоспособности программы мы сравнили расчет процесса получения метанола в новой программе с коммерческим аналогом, который широко применяется на заводах для моделирования переработки газа. Результаты показали, что наша программа так же корректно описывает процесс и предсказывает, сколько продукта получится на выходе, — рассказал Вадим Котов, заместитель директора Центра трансфера технологий по работе с индустриальными партнерами ПНИПУ.
В отличие от универсальных коммерческих пакетов моделирования, она ориентирована на конкретный класс задач: расчет геометрии и режимов работы малотоннажных реакторов. Поэтому инженер может быстрее сравнивать варианты конструкции, подбирать температуру, давление и скорость подачи газа, а также оценивать выход продукта без проведения серии дорогостоящих натурных экспериментов. Разработка также позволяет значительно сократить затраты на проектирование в сравнении с использованием зарубежного программного обеспечения, что в итоге снизит себестоимость производства метанола и других химических продуктов.
Предложенный подход можно адаптировать и для других процессов переработки газа — получения аммиака, диметилового эфира и синтетических бензинов. Это делает программу универсальной основой для проектирования установок, которые смогут перерабатывать газ прямо на месте добычи и вовлекать в промышленный оборот ресурсы небольших и удаленных месторождений.
Источник: Минобрнауки России
