Природный газ используется как топливо и сырьё для химической промышленности (метанол, аммиак, пластмассы, удобрения). Традиционно газ перерабатывается на крупных заводах после транспортировки по трубопроводам, что эффективно для больших месторождений. Однако всё чаще разрабатываются небольшие и удалённые месторождения с быстрым истощением и примесями. Строительство инфраструктуры для них нерентабельно, а крупным заводам такой газ невыгоден. Решение — малотоннажные установки для переработки на месте добычи. Их проектируют, уменьшая крупные реакторы, но при малых объёмах ухудшаются теплообмен и распределение температуры, возникают локальные перегревы, реакция проходит неполностью, выход метанола снижается, себестоимость растёт в 4–5 раз. Нужен иной подход. Для моделирования используют коммерческие программы, но они требуют больших вычислительных ресурсов и неудобны для быстрых расчётов малотоннажных реакторов. Готовых отечественных инструментов для таких задач нет.
Специалисты Пермского политехнического университета создали программное обеспечение российского производства, предназначенное для проведения расчетов и оптимизации работы реакторов малой мощности, где природный газ перерабатывается в метанол. Использование данной разработки, в отличие от зарубежных решений, способно существенно уменьшить производственные издержки, сообщает пресс-служба ПНИПУ.
Фото: ПИПФ. Источник: пресс-служба ПНИПУ
Как устроена программа
Для того чтобы установить необходимые характеристики для такого реактора, исследователи с помощью математических моделей описали стандартные химические процессы, протекающие при синтезе газа. Полученные данные легли в основу программы, в которую были включены ключевые этапы: перемещение газового потока, процессы нагрева и охлаждения, а также химические взаимодействия, ведущие к получению метанола.
Фото: Макет комплекса. Источник: пресс-служба ПНИПУ
Специалист может задать конфигурацию устройства, уровень температуры, давление и характеристики исходного сырья, после чего система выдает расчетные данные для каждого сегмента реактора. Такой метод дает возможность выявить участки, где возможен перегрев, застойные явления или падение эффективности реакции, и внести изменения в параметры до того, как начнется фактическое строительство.
Мнение эксперта: возможности инструмента на этапе проектирования
Фото: А.Н. Кондрашов. Источник: пресс-служба ПНИПУ
«Особенно ценно, что данный инструмент позволяет на этапе проектирования определить габариты нового реактора — его длину и диаметр. Инженер получает возможность протестировать на компьютере десятки разных конфигураций и остановиться на той, где объем получаемой продукции будет наибольшим, а вероятность перегревов и зон застоя — наименьшей. Благодаря этому можно разрабатывать более производительные установки малой мощности, не прибегая к дорогостоящим физическим испытаниям», — отметил Александр Кондрашов, кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования и автоматизации химических производств ПНИПУ.
Точность расчётов: почему это важно для малых реакторов
В отличие от вычислений для крупномасштабных промышленных комплексов, где зачастую достаточно приблизительных показателей, реактор небольшого объема требует гораздо более точного анализа. Даже незначительные колебания температуры или скорости потока способны ощутимо сказаться на конечном количестве сырья. Поэтому программа вычисляет параметры технологического процесса в различных точках устройства, что позволяет оперативно сопоставлять варианты конфигурации и режимов эксплуатации.
Фото: В.В. Котов. Источник: пресс-служба ПНИПУ
«Чтобы подтвердить корректность работы программы, мы провели сопоставление расчетов процесса получения метанола, выполненных в новой системе, с данными коммерческого аналога, который активно используется на предприятиях для моделирования переработки газа. Результаты продемонстрировали, что наша разработка столь же точно описывает ход процесса и предсказывает объем продукта на выходе», — поделился Вадим Котов, заместитель директора Центра трансфера технологий по взаимодействию с промышленными партнерами ПНИПУ.
Преимущества перед зарубежными аналогами
В отличие от универсальных коммерческих программ моделирования, данная система ориентирована на решение конкретных задач: вычисление геометрии и параметров работы реакторов малой мощности. Это позволяет инженеру быстрее сравнивать различные варианты конструкции, подбирать оптимальные значения температуры, давления и скорости подачи газа, а также прогнозировать выход продукции без необходимости проводить череду дорогих натурных испытаний. Разработка также дает возможность заметно сократить расходы на проектирование по сравнению с использованием иностранного программного обеспечения, что в конечном счете уменьшает себестоимость выпуска метанола и других химических веществ.
Перспективы применения методики
Предложенную методику можно применить и к иным процессам переработки газа — например, для получения аммиака, диметилового эфира или синтетических бензинов. Это превращает программу в гибкую базу для конструирования установок, способных перерабатывать газ непосредственно на месте добычи, тем самым вовлекая в промышленный оборот ресурсы небольших и удаленных месторождений.
Особую актуальность данная разработка имеет для нефтеперерабатывающих предприятий, где обращаются пожаро- и взрывоопасные вещества, а аварии и отказы технологического оборудования в результате ухудшения его технического состояния могут привести к многочисленным человеческим жертвам и многомиллионным убыткам, нанести непоправимый урон экологии.
Реализация ремонта и обслуживания на химических и нефтеперерабатывающих предприятиях невозможна без организации эффективной системы сбора и анализа информации о текущем техническом состоянии технологического оборудования. Об этом писал журнал «Химагрегаты».