СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ СИНТЕЗА МЕТАНОЛА С УЛАВЛИВАНИЕМ ВОДОРОДА ИЗ ПРОДУВОЧНОГО ГАЗА КОНТУРА СИНТЕЗА Российский патент 2013 года по МПК B01J3/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, в общем, относится к области промышленного применения способов и установок для синтеза метанола. В частности, изобретение касается способа и установки для синтеза метанола с улавливанием водорода из продувочного газа контура синтеза.

Под этим имеется в виду способ синтеза метанола в контуре синтеза, включающий по меньшей мере следующие шаги: подача потока газа-реагента в секцию синтеза метанола с получением потока продуктов реакции; подача потока продуктов реакции в секцию конденсации и разделения с получением потока неочищенного жидкого метанола и потока непрореагировавших циркулирующих газов; отвод потока продувочного газа из потока циркулирующих газов с улавливанием и повторным вводом содержащегося в нем водорода в контур синтеза и подача потока циркулирующего газа в циркуляционную секцию сжатия в контуре синтеза.

Уровень техники

В соответствии с обычным способом метанол получают на основе синтез-газа, содержащего водород (Н₂) и оксид углерода (СО), вступающего в реакцию при высокой температуре (200-300°С) и давлении (40-150 бар) в присутствии соответствующего катализатора. Затем газообразные продукты реакции охлаждают, получая метанол в жидком состоянии и поток газов, не вступивших в реакцию; последние после очистки от метана и инертных газов возвращают в секцию синтеза.

Типовая установка, работающая в соответствии с таким способом, в основном включает секцию синтеза, состоящую, например, из реактора синтеза или нескольких реакторов, работающих параллельно; секцию для подогрева газа-реагента посредством рекуперации тепла из продуктов реакции; секцию конденсации и разделения, в которой получают жидкий метанол и газы, возвращаемые в повторный цикл. Секция синтеза, секция подогрева и секция конденсации и разделения, в основном, работают в режиме одинакового давления, образуя так называемый контур синтеза.

"Свежий" синтез-газ, называемый также подпиточным газом, подают в контур синтеза с помощью подходящего питающего компрессора, который повышает давление газа с той величины давления, с какой его получают, до величины рабочего давления в контуре синтеза.

Газообразный рециркулирующий поток, выходящий из секции конденсации и разделения, подают в циркуляционный компрессор, а затем - в секцию подогрева и секцию синтеза. В соответствии с известным уровнем техники место отвода продувочного газа находится на стороне входа (сторона всасывания) циркуляционного компрессора.

Известен также способ улавливания водорода, содержащегося в продувочном газе, с помощью таких устройств, как молекулярные сита или мембраны (фильтры), с получением потока выделенного водорода, который повторно вводят в контур синтеза, смешивая его с потоком газа-реагента. В частности, такой способ является рентабельным на установках, использующих газы-реагенты из процессов газификации углеродистого топлива, причем эти газы отличаются высоким содержанием оксида углерода (СО). Например, синтез-газ с высокой концентрацией СО, выше той, которая требуется в соответствии со стехиометрией реакции, получают в процессе газификации угля, кокса, нефти (жидких нефтепродуктов) или других углеродистых остатков.

Высокое содержание СО в синтез-газе приводит к некоторым техническим трудностям, в том числе к увеличению скорости реакции синтеза с риском перегрева реактора и к повышению риска образования побочных продуктов. Улавливание водорода из продувочного газа и связанное с этим повышение концентрации водорода в синтез-газе, подаваемом в реактор, позволяет устранить вышеуказанные трудности.

Однако улавливание водорода при помощи вышеуказанных устройств связано с перепадом давления (при использовании мембран перепад давления составляет десятки бар) и при известных конфигурациях контура синтеза водород подается с более низким давлением, чем давление в контуре синтеза. Вследствие этого возникает необходимость повторного повышения давления потока водорода и в настоящее время эту задачу решают с помощью дополнительного компрессора или самого питающего компрессора.

Добавление на установку какого-либо компрессора невыгодно из-за стоимости и энергопотребления такого оборудования, а также в связи с появлением дополнительной возможной причины ненадежности. В действительности, очевидно, что выход из строя компрессора водорода может подвергнуть риску работу всей установки.

С этой целью следует обратить внимание на то, что во многих случаях свежий синтез-газ используют с давлением 50-60 бар, достаточным для осуществления реакции синтеза. В таких случаях питающий компрессор теоретически можно было бы исключить, допуская возможность работы контура синтеза с относительно низким давлением синтез-газа, с каким его получают. При работе с газом, богатым СО, можно получить дополнительное преимущество, которое заключается в уменьшении риска перегрева, так как скорость реакции зависит от давления. Следовательно, при работе контура синтеза с давлением, полученным в процессе газификации, в частности, при получении метанола из газа, богатого СО, имеется серьезный стимул к исключению питающего компрессора.

Тем не менее, вследствие вышеуказанной проблемы перепада давления в системе улавливания водорода преимущества от возможного исключения питающего компрессора, также и с точки зрения повышения надежности, не были бы получены из-за необходимости в любом случае обеспечить компрессор для водорода. Следовательно, как правило, предпочитают поддерживать в контуре синтеза высокое давление (80-90 бар) и повышать давление водорода посредством питающего компрессора. Кроме того, причиной такого решения часто служит использование трубчатых реакторов (с пучками труб), производительность которых существенно снизилась бы при снижении давления.

Известны также устройства для выделения водорода с низким перепадом давления (обычно несколько бар), в том числе устройства для короткоцикловой адсорбции, КЦА (англ. PSA, pressure swing adsorption), но их применение не решило бы вышеуказанную проблему, по-прежнему оставляя необходимость повторного повышения давления водорода.

Отсюда следует вывод: что касается синтеза метанола с улавливанием водорода из продувочного газа контура синтеза, в частности, из газа, богатого СО, то в известном уровне техники предлагается такая конфигурация установки, в которой контур синтеза работает с более высоким давлением, чем давление, полученное в процессе газификации, поэтому предусмотрен питающий компрессор; продувочный газ в контуре синтеза отводят на стороне входа циркуляционного компрессора и направляют к мембране, молекулярному ситу или эквивалентному устройству для частичного улавливания водорода; полученный таким образом поток водорода подают в питающий компрессор для повышения его давления до рабочего давления контура синтеза.

Раскрытие изобретения

Задача, лежащая в основе настоящего изобретения, заключается в разработке и внедрении способа синтеза метанола с улавливанием водорода из контура синтеза, который решает вышеуказанные проблемы. В частности, задача, лежащая в основе настоящего изобретения, состоит в том, чтобы найти способ работы контура синтеза с тем же давлением, с каким получают подпиточный газ, исключив как питающий компрессор, так и дополнительный компрессор для водорода.

Эта задача решена с помощью способа синтеза метанола, в котором поток свежего подпиточного газа подают в контур синтеза метанола, причем этот способ включает следующие шаги: подача потока газа-реагента в секцию синтеза метанола с получением потока продукта; подача потока продукта в секцию конденсации и разделения с получением потока неочищенного жидкого метанола и потока рециркулирующего газа; подача потока рециркулирующего газа в секцию циркуляционного сжатия в контуре синтеза; отвод потока продувочного газа из контура синтеза с улавливанием водорода, содержащегося в потоке продувочного газа, и повторный ввод выделенного водорода в контур синтеза; при этом настоящий способ отличается тем, что включает следующие шаги:

- отвод потока продувочного газа на стороне выхода секции сжатия;

- подача вышеуказанного потока продувочного газа в устройство для разделения с низким перепадом давления с получением газообразного потока, содержащего выделенный водород;

- повторный ввод в контур синтеза потока, содержащего выделенный водород, при смешивании его с потоком рециркулирующего газа, полученным в секции конденсации и разделения, на стороне входа секции сжатия;

- подача потока свежего подпиточного газа непосредственно в контур синтеза ниже места отвода потока продувочного газа; причем вышеуказанный контур синтеза в основном работает с тем же давлением, с каким получают поток свежего подпиточного газа.

Предпочтительно, газообразный поток, содержащий выделенный водород, подается из устройства для разделения с давлением, в основном равным давлению всасывания секции сжатия. Выражение "в основном равным" следует понимать в том смысле, что давление газообразного потока незначительно выше давления всасывания секции сжатия, что обеспечивает движение потока от выхода устройства для разделения до входа секции компрессора.

Устройство для разделения с низким перепадом давления предпочтительно представляет собой по существу известные молекулярные сита для КЦА.

Газы-реагенты подают в реакционную секцию предпочтительно через секцию подогрева, в которой происходит рекуперация тепла продуктов реакции.

Объектом изобретения является также установка для синтеза метанола, адаптированная для работы в соответствии с вышеуказанным способом.

Соответственно, установка для синтеза метанола состоит из контура синтеза метанола, который включает по меньшей мере одну секцию синтеза метанола, секцию конденсации и разделения, адаптированную для получения потока неочищенного метанола и потока рециркулирующего газа, средства для продувки вышеуказанного потока рециркулирующего газа и улавливания содержащегося в нем водорода и циркуляционный компрессор контура синтеза, и отличается:

- по меньшей мере одним трубопроводом для отвода потока продувочного газа, расположенным на стороне выхода циркуляционного компрессора;

- устройством для разделения с низким перепадом давления с питанием посредством трубопровода для продувочного газа, адаптированным для получения потока выделенного водорода с более высоким давлением, чем давление всасывания циркуляционного компрессора;

- трубопроводом для повторного ввода потока выделенного водорода в контур синтеза при смешивании потока выделенного водорода с потоком рециркулирующего газа, расположенным на стороне входа циркуляционного компрессора;

- питающим трубопроводом, расположенным ниже трубопровода для продувочного газа, для подачи потока свежего подпиточного газа непосредственно в контур синтеза, причем вышеуказанный контур синтеза в основном работает с тем же давлением, с каким получают подпиточный газ.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство для разделения с низким перепадом давления адаптировано для получения потока выделенного водорода в основном с давлением, равным давлению всасывания циркуляционного компрессора.

Секция синтеза предпочтительно включает псевдоизотермический реактор, оснащенный внутренним пластинчатым теплообменным устройством, например, такой, какой раскрыт в ЕР-1436075 или ЕР-1757360. Выбор такого реактора обеспечивает достижение большой производственной мощности даже при сравнительно низком давлении (например, 50-60 бар) в контуре синтеза, вследствие работы контура синтеза с тем же давлением, какое получено в процессе газификации.

Настоящее изобретение имеет следующие преимущества. Благодаря работе контура синтеза с тем же давлением, с каким получают подпиточный газ, исключен питающий компрессор; исключен также дополнительный компрессор для водорода, вследствие отвода продувочного газа на стороне выхода циркуляционного компрессора, наряду с использованием устройства с низким перепадом давления. Последнее фактически обеспечивает получение водорода в. основном с давлением всасывания вышеуказанного компрессора, так что водород может быть повторно введен в контур синтеза без какого-либо дополнительного сжатия.

Отсюда следует, что предлагаемая установка имеет более простую конструкцию, более низкое энергопотребление и является более надежной.

Краткое описание чертежей

На прилагаемой фигуре представлена упрощенная схема осуществления способа, предлагаемого в изобретении.

Осуществление изобретения

На фиг.1 представлена схема осуществления способа получения метанола, который включает контур 1 синтеза, состоящий из секции 2 синтеза, секции 3 подогрева газов-реагентов, секции 4 конденсации и разделения и циркуляционного компрессора 5.

Питание контура 1 синтеза осуществляется, например, секцией газификации углеродистого топлива с помощью кислорода (не показана), в которой получают поток 6 свежего газа или подпиточного газа, по существу представляющий собой смесь СО, СО₂, Н₂, СН₄.

Как показано, поток 6 подпиточного газа подают непосредственно в контур 1 синтеза, то есть, без сжатия потока 6 перед вводом в контур 1. Другими словами, поток 6 подпиточного газа подают непосредственно с давлением, с каким его получают в процессе газификации, например, около 60 бар, при этом контур 1 синтеза работает с таким же давлением.

В секцию 2 синтеза подают поток 7 газа-реагента через секцию 3 подогрева, обеспечивая подогретый поток 8 газа-реагента за счет рекуперации тепла продуктов реакции (трубопровод 9), выходящих из той же секции 2 синтеза.

Охлажденные продукты реакции, обозначенные посредством трубопровода 10, подают в секцию 4 конденсации и разделения, получая поток 11 неочищенного жидкого метанола для последующей очистки и дистилляции и поток 12 рециркулирующего газа, в основном содержащего СО, СО₂, H₂, CH₄ и, возможно, неконденсирующиеся газы.

Поток 12 рециркулирующего газа подают в циркуляционный компрессор 5. Газообразный поток, выходящий из компрессора 5, обозначенный трубопроводом 13, смешивают с потоком 6 подпиточного газа, получая поток 7 реагентов. Продувка газом обеспечивается на стороне выхода компрессора 5, то есть, из потока 13, выходящего из компрессора, с получением, таким образом, потока 14 продувочного газа. Поток 14 продувочного газа подают в устройство 15 для разделения типа молекулярного сита, например, в устройство для КЦА (короткоцикловой адсорбции), по существу, известное, предназначенное для отделения водорода (Н₂) от других газов, присутствующих в потоке 14 продувочного газа.

В устройстве 15 получают поток 16, состоящий, в основном, из выделенного водорода с давлением, которое незначительно ниже давления потока 13, выходящего из компрессора 5, и, в основном, равно давлению потока 12 рециркулирующих газов, полученных из секции 4. Поток 16 выделенного водорода повторно вводят в контур 1 синтеза на стороне входа компрессора 5, смешивая его с потоком 12, выходящим из секции 4, и подают в тот же компрессор 5.

Давление потока 16 обычно выше, чем давление потока 12; предпочтительно, давление потока 16 незначительно выше, то есть, в основном, равно давлению потока 12. При необходимости в трубопроводе 16, т.е. на выходе устройства 15, может быть предусмотрен клапан для снижения давления (редуктор давления).

Кроме того, следует отметить, что поток 14 продувочного газа отводится выше места ввода потока 6 подпиточного газа, т.е. подпиточный газ вводится ниже места отвода продувочного газа. Таким образом, исключается продувка потоком 6 свежего газа, а также разбавление потока 14 продувочного газа свежим газом, что привело бы к снижению эффективности улавливания водорода в устройстве 15.

Секция 2 синтеза предпочтительно включает пластинчатый реактор синтеза, обеспечивающий высокую производительность даже при сравнительно низком давлении в контуре синтеза, заданном секцией газификации, т.е. в том случае, если не установлен компрессор для потока 6 подпиточного газа. Точнее, термином "пластинчатый реактор" обозначают реактор, оснащенный внутренним пластинчатым теплообменным (охлаждающим) устройством, погруженным в катализаторную массу, для поддержания по существу постоянной температуры реакции.

Секция 3 подогрева может включать соответствующий теплообменник, а секция 4 - конденсатор-(газо)отделитель.

Следовательно, установка, адаптированная для осуществления вышеописанного способа, включает по меньшей мере один контур 1 синтеза, описанный выше, и необходимые средства для соединения компонентов (секций), соответствующие трубопроводам, изображенным на фиг.1. В частности, установка включает устройство 15 для разделения типа молекулярного сита, например, устройство для КЦА, расположенное параллельно циркуляционному компрессору 5, с отводом трубопровода для продувочного газа, соответствующим трубопроводу 14, причем место отвода находится на стороне выхода (сторона повышенного давления) компрессора 5, и с отводом трубопровода для повторного ввода выделенного водорода в контур 1 синтеза, соответствующим трубопроводу 16, причем место повторного ввода находится на стороне входа (сторона всасывания) того же компрессора 5.

Перепад давления при прохождении через устройство 15, составляющий примерно несколько бар, в основном соответствует разности давлений на стороне всасывания и стороне повышенного давления (нагнетания) компрессора 5; следовательно, можно осуществлять отвод продувочного газа и улавливание водорода описанным способом без дополнительных компрессорных установок.

Таким образом, изобретение достигает вышеуказанных целей, обеспечивая работу контура синтеза с тем же давлением, с каким получают подпиточный газ (из секции газификации), и улавливание водорода, содержащегося в продувочном газе, без необходимости сжатия.

Изобретение относится к области промышленного применения способов и установок для синтеза метанола. В заявке описаны способ и установка для синтеза метанола с улавливанием водорода из контура синтеза, на которой контур синтеза работает с тем же давлением, с каким получают свежий подпиточный газ. Обеспечен отвод продувочного газа из непрореагировавших рециркулирующих газов. Отвод осуществляется на стороне выхода секции циркуляционного сжатия в контуре синтеза. Выделенный водород получают с помощью устройства с низким перепадом давления и возвращают непосредственно в контур синтеза на стороне входа секции сжатия. Изобретение позволяет обеспечить работу контура синтеза с тем же давлением, с каким получают подпиточный газ, и улавливать водород, содержащийся в продувочном газе, без необходимости сжатия. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ синтеза метанола, в котором поток (6) свежего подпиточного газа подают в контур (1) синтеза метанола, включающий шаги, на которых:
подают поток (8) газа-реагента в секцию (2) синтеза метанола с получением потока (9) продукта,
подают этот поток продукта в секцию (4) конденсации и разделения с получением потока (11) неочищенного жидкого метанола и потока (12) рециркулирующего газа,
подают поток (12) рециркулирующего газа в секцию (5) циркуляционного сжатия в контуре (1) синтеза,
отводят поток (14) продувочного газа из контура (1) синтеза с улавливанием водорода, содержащегося в потоке (14) продувочного газа, и повторно вводят выделенный водород в контур (1) синтеза,
отличающийся тем, что дополнительно осуществляют шаги, на которых:
отводят поток (14) продувочного газа на стороне выхода секции (5) сжатия,
подают поток (14) продувочного газа в устройство (15) для разделения с низким перепадом давления и получают газообразный поток (16), содержащий выделенный водород,
повторно вводят поток (16), содержащий выделенный водород, в контур (1) синтеза на стороне входа секции (5) сжатия при смешивании потока (16) с потоком (12) рециркулирующего газа, полученного в секции (4) конденсации и разделения,
подают поток (6) свежего подпиточного газа непосредственно в контур (1) синтеза ниже места отвода потока (14) продувочного газа, причем обеспечивают работу контура (1) синтеза в основном с тем же давлением, с каким получают поток (6) свежего подпиточного газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразный поток (16), содержащий выделенный водород, подается устройством (15) для разделения под давлением, в основном равным давлению всасывания секции (5) сжатия.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что устройство (15) для разделения с низким перепадом давления включает молекулярное сито.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что контур (1) синтеза работает под давлением примерно 60 бар.

5. Установка для синтеза метанола, выполненная с возможностью работы в соответствии со способом по одному из пп.1-4, состоящая из контура (1) синтеза, включающего по меньшей мере одну секцию (2) синтеза метанола, секцию (4) конденсации и разделения, приспособленную для получения потока (11) неочищенного метанола и потока (12) рециркулирующего газа, средства (14, 15, 16) для продувки потока (12) рециркулирующего газа и улавливания содержащегося в нем водорода, а также циркуляционный компрессор (5) в контуре синтеза, отличающаяся тем, что она также содержит
по меньшей мере один трубопровод (14) для отвода потока продувочного газа, расположенный на стороне выхода циркуляционного компрессора,
устройство (15) для разделения с низким перепадом давления, имеющее питание от трубопровода (14) для продувочного газа и приспособленное для получения потока выделенного водорода с более высоким давлением, чем давление всасывания циркуляционного компрессора,
трубопровод (16), расположенный на стороне входа циркуляционного компрессора (5) и предназначенный для повторного ввода потока выделенного водорода в контур (1) синтеза при смешивании потока выделенного водорода с потоком (12) рециркулирующего газа,
питательный трубопровод (6), расположенный ниже трубопровода (14) для продувочного газа и предназначенный для подачи потока свежего подпиточного газа непосредственно в контур (1) синтеза, причем обеспечивается работа контура (1) синтеза в основном с тем же давлением, с каким получают подпиточный газ.

6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что устройство (15) для разделения с низким перепадом давления приспособлено для получения потока выделенного водорода в основном с давлением, равным давлению всасывания циркуляционного компрессора (5).

7. Установка по п.5 или 6, отличающаяся тем, что секция (2) синтеза включает по меньшей мере один реактор, оснащенный внутренним пластинчатым теплообменным устройством.