СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОТОКА СО2 Российский патент 2020 года по МПК C01B3/50 B01J23/42 B01J23/44 B01D53/86 C01B3/58 C01B5/00 C07C29/74 C07C273/04 C07C273/10 C07C7/00 

Область техники

Изобретение относится к способу очистки потока диоксида углерода от водорода и метанола. Предпочтительно изобретение может использоваться для очистки СО₂, подаваемого в процесс синтеза мочевины.

Уровень техники

Мочевину синтезируют в реакции аммиака с диоксидом углерода в установке получения мочевины. Обсуждение различных способов и соответствующих установок для получения мочевины можно найти в литературе, например, в Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag.

Синтез мочевины это сложный процесс, чувствительный к присутствию примесей и требующий подачи аммиака и диоксида углерода с высокой чистотой. Поэтому интегрированные установки для получения мочевины из аммиака подвержены недостатку, заключающемуся в загрязнении подаваемого диоксида углерода водородом и метанолом.

В интегрированном оборудовании для получения мочевины из аммиака как аммиак, так и диоксид углерода, предназначенные для синтеза мочевины, поступают из связанной аммиачной установки. Аммиак вырабатывается в реакции подпиточного (свежего) газа, полученного путем риформинга углеводорода, и диоксид углерода получается при очистке сырого подпиточного газа. Общеизвестным способом удаления СО₂ является промывка метанолом или водным раствором метанола, при которой в полученном таким образом СО₂ потоке остается некоторое количество метанола (например, приблизительно 1000 ppm). Сырой подпиточный газ содержит водород, и, следовательно, СО₂ поток, полученный такой очисткой газа, как правило, содержит также некоторое количество водорода.

Как метанол, так и водород очень вредны для синтеза мочевины. Метанол имеет тенденцию к накоплению в установке синтеза мочевины, приводящему к образованию полимерных соединений, негативно влияющих на синтез мочевины и ухудшающих параметры установки. В частности, один из отрицательных эффектов от этих соединений состоит в загрязнении оборудования секции водоподготовки, такого как теплообменники и гидролизер. Водород опасен, так как он может образовывать взрывоопасное соединение с кислородом, который присутствует в качестве пассивирующего средства.

Поэтому в предшествующем уровне техники предлагались способы удаления метанола и водорода из подаваемого СО₂. Согласно предшествующему уровню водород удаляется за счет окисления воздухом или кислородом в каталитическом реакторе, в то время как метанол в силу его полярности удаляется водной промывкой в другой установке.

Приведенный способ имеет некоторые недостатки. Прежде всего он включает две стадии, выполняемые в двух раздельных блоках, что требует громоздкого и сложного оборудования. Кроме того, удаление метанола промывкой требует большого расхода воды и технологического конденсата.

Раскрытие изобретения

Изобретение направлено на избавление от приведенных выше недостатков предшествующего уровня. Более подробно, целью изобретения является обеспечение способа удаления водорода и метанола из СО₂ потока, позволяющего, по сравнению с предшествующим уровнем, упростить конструкцию и достичь преимуществ в отношении стоимости и снижения расхода воды.

Эта цель достигается методом удаления водорода и метанола из СО₂ потока, содержащего водород и метанол как загрязняющие примеси, который отличается тем, что водород и метанол удаляются за счет контакта СО₂ потока с катализатором, окисляющим водород до воды и метанол до диоксида углерода с получением таким образом очищенного СО₂ потока.

Термин СО₂ поток относится к потоку, содержащему преимущественно диоксид углерода.

Согласно предлагаемому в изобретении способу один и тот же катализатор используется для окисления водорода до воды и метанола до диоксида углерода. В этом случае водород и метанол можно удалять из СО₂ потока в общем каталитическом реакторе.

Предпочтительно использовать катализатор на основе платины или катализатор на основе палладия.

Предпочтительно очищенный СО₂ поток содержит водорода 10 ppm (по объему) или менее. Предпочтительно очищенный СО₂ поток содержит остаточного метанола 200 ppm (по объему) или менее, более предпочтительно менее 100 ppm (по объему). Более низкие концентрации могут быть достигнуты соответствующим подбором количества катализатора. Указанные концентрации в единицах ppm, названные ppm (по объему), относятся к объемной доле.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения СО₂ поток смешивается с соответствующим количеством окислителя для обеспечения указанного выше окисления. В некоторых вариантах выполнения окислитель присутствует в количестве, достаточном для обеспечения также некоторого избытка окислителя, действующего как пассивирующий агент. Например, один из вариантов выполнения изобретения обеспечивает то, что по меньшей мере часть очищенного СО₂ потока подается в процесс синтеза мочевины, в котором мочевина производится из аммиака и СО₂, и в этом случае предпочтительно вводить некоторое количество окислителя для пассивации мочевинного реактора и защиты его от коррозии.

Согласно предпочтительным вариантам выполнения каталитическое окисление водорода до воды и метанола до диоксида углерода производится при высоком давлении, составляющем по меньшей мере 20 бар; однако это каталитическое окисление может также производиться при более низких давлениях, например 10-20 бар. В общем высокое давление предпочтительно для снижения объемного расхода и размеров оборудования.

В предпочтительных вариантах выполнения вода и диоксид углерода, полученные при описанном каталитическом окислении, охлаждаются в расположенном ниже по потоку охладителе с образованием двухфазного потока, который вводится в фазовый сепаратор для разделения воды и диоксида углерода.

В дальнейшем каталитический реактор, охладитель и сепаратор в широком смысле относятся как к секции удаления водорода, так и к секции удаления метанола.

В некоторых вариантах выполнения СО₂ поток выводится из части предварительной обработки сырья аммиачной секции интегрированной установки получения аммиака-мочевины. Интегрированная установка получения аммиака-мочевины в основном содержит аммиачную секцию и мочевинную секцию. Аммиачная секция содержит часть предварительной обработки, в которой углеводородное сырье (например, природный газ) конвертируется в подпиточный газ за счет каталитического риформинга, и контур синтеза, в котором подпиточный газ конвертируется в аммиак. По меньшей мере часть этого аммиака вступает в реакцию в мочевинной секции для получения мочевины. Мочевина синтезируется при высоком давлении, обычно приблизительно 150 бар.

Часть предварительной обработки сырья включает секцию риформинга, за которой следует секция очистки, в которой происходит по меньшей мере реакция конверсии оксида углерода в диоксид углерода и удаление СО₂. Секция предварительной обработки обычно действует при давлении приблизительно 30 бар. СО₂ поток формируется при вышеупомянутом удалении СО₂ из прошедшего конверсию газа. Согласно изобретению СО₂ поток может быть очищен для последующего использования в качестве реагента в синтезе мочевины. Для этой цели давление СО₂ потока, поступающего при низком давлении, должно быть повышено до давления синтеза мочевины. Из-за высокой степени сжатия эта задача требует, как правило, использования многоступенчатого компрессора.

Согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения СО₂ поток сжимается до первого давления, промежуточного между давлением СО₂ потока и давлением синтеза мочевины. Каталитическое удаление водорода и метанола производится при этом первом давлении. Например, первое давление составляет приблизительно от 10 до 20 бар. Затем по меньшей мере часть полученного таким образом СО₂ потока сжимается до давления синтеза мочевины и используется для ее получения.

Первое сжатие может выполняться в одной или нескольких первых ступенях многоступенчатого компрессора, и второе сжатие может выполняться в одной или нескольких остальных ступенях многоступенчатого компрессора. Соответственно, заявляемое каталитическое удаление водорода и метанола в высокой степени связано с требуемым сжатием СО₂ для синтеза мочевины.

Другими словами, каталитическое окисление водорода до воды и метанола до диоксида углерода предпочтительно выполняется при давлении на промежуточной ступени многоступенчатого компрессора.

Реактор для удаления водорода и метанола из СО₂ потока отличается тем, что содержит катализатор, пригодный для окисления водорода до воды и метанола до диоксида углерода, и тоже является предметом изобретения. Аммиачная установка и, в частности, интегрированная установка получения аммиака-мочевины, включающая этот реактор, также является предметом настоящего изобретения.

Некоторые преимущества способа согласно настоящему изобретению по сравнению с традиционными способами были рассмотрены выше. Основное преимущество заключается в том, что диоксид углерода очищается от водорода и метанола на одной стадии процесса в общем реакторе. Исключение отмывочной колонны для удаления метанола приводит к значительной экономии в расходе воды и технологического конденсата. Другое преимущество заключается в том, что при окислении метанола до диоксида углерода образуется добавочное количество диоксида углерода для дальнейшего использования в синтезе мочевины.

Преимущества станут еще более наглядными при использовании приведенного ниже подробного описания, касающегося предпочтительных вариантов выполнения.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение рассмотрено более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг. 1 - блок-схема интегрированной установки получения аммиака-мочевины, которая может включать варианты выполнения согласно настоящему изобретению;

на фиг. 2 - более подробно установка с фиг. 1 и связанная с ней секция очистки согласно одному из вариантов выполнения изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 представлена блок-схема интегрированной установки 100 получения аммиака-мочевины, включающей аммиачную секцию 101 и мочевинную секцию 102.

Аммиачная секция 101 содержит секцию 103 предварительной обработки и контур 106 синтеза. Секция 103 предварительной обработки в основном содержит секцию 104 риформинга, предназначенную для конверсии входного потока 1 углеводородного сырья в сырой синтез-газ 2, и секцию 105 очистки, предназначенную для очистки этого сырого синтез-газа с выходом подпиточного газа 3, а также для отделения потока 4 диоксида углерода. Контур 106 синтеза в основном содержит реактор, сепаратор и блок обеспечения чистоты (не показан) и выдает аммиачный продукт 5.

Поток 4 диоксида углерода и аммиак 5 подаются в мочевинную секцию 102 под соответствующим давлением, где они вступают в реакцию получения мочевины 6. В частности, диоксид углерода 4 соответствующим образом сжимается в компрессоре 111 (показан на фиг. 2) для достижения давления синтеза, составляющего, например, приблизительно 150 бар.

В мочевинной секции 102 могут выполняться любые известные процессы синтеза мочевины, включая, например, процесс СО₂ отпаривания, процесс самодесорбции или другие процессы.

Согласно фиг. 2 секция 105 очистки секции предварительной обработки содержит конвертер-преобразователь СО (блок 107), блок 108 удаления СО₂, каталитический конвертер 109 и метанатор 110. В блоке 108 диоксид углерода удаляется из преобразованного газа 10 путем промывки метанолом с получением обедненного СО₂ газа 11 и СО₂ потока 12, также содержащего некоторое количество метанола и остаточного водорода.

Обедненный СО₂ газ 11 подается в метанатор 110, в котором остаточный оксид углерода и водород преобразуются в метан с получением подпиточного газа 3.

СО₂ поток 12 смешивается с воздухом 13 и направляется в конвертер 109 через первые две ступени 111а и 111b газового компрессора 111, межступенчатый охладитель 115 и сепаратор 116. Получившийся СО₂ поток 12' под давлением поступает в конвертер 109.

Сжатый таким образом СО₂ поток 12' вступает в реакцию в присутствии платинового или на основе палладия катализатора, находящегося в конвертере 109, для обеспечения очищенного СО₂ потока 14, содержащего воду и диоксид углерода (то есть продукты окисления). Очищенный поток 14 отводится сверху каталитического реактора 109 и пропускается через охладитель 113, в котором конденсируется по меньшей мере часть воды. Результирующий двухфазный поток 15 пропускается через фазовый сепаратор 114 для получения газообразного потока сухого очищенного диоксида углерода 4 и конденсата 16. Сухой и очищенный диоксид углерода 4 затем доставляется в мочевинную секцию 102 остальными ступенями 111с и 111d компрессора 111, включающими промежуточный охладитель 117 и сепаратор 118.

Следовательно, можно отметить, что конвертер 109 интегрирован с многоступенчатым компрессором 111, действующим при промежуточном давлении подачи на ступени 111b.

Таким образом СО₂ поток 12, полученный из блока 108, очищается от метанола и водорода с получением в результате чистого СО₂ потока 4, пригодного для подачи в процесс синтеза мочевины.

Изобретение относится к способу очистки потока диоксида углерода от водорода и метанола и может использоваться для очистки СО₂, подаваемого в процесс синтеза мочевины. Способ заключается в том, что водород и метанол удаляют за счет контакта СО₂ потока (12) с катализатором, окисляющим водород до воды и метанол до диоксида углерода с получением очищенного СО₂ потока. Причем по меньшей мере часть очищенного СО₂ потока после удаления метанола и водорода направляют в процесс синтеза мочевины, и СО₂ поток выводят из аммиачной секции интегрированной установки получения аммиака-мочевины, в которой мочевина вырабатывается при давлении синтеза мочевины. Затем СО₂ поток выводят под давлением, более низким, чем давление синтеза мочевины. Далее СО₂ поток сжимают до первого давления, промежуточного между давлением вывода и давлением синтеза мочевины, а удаление водорода и метанола производят при указанном первом давлении. При этом по меньшей мере часть полученного таким образом очищенного СО₂ потока дополнительно сжимают до давления синтеза мочевины и подают в процесс синтеза мочевины. Техническим результатом является обеспечение способа удаления водорода и метанола из СО₂ потока, позволяющего упростить конструкцию и достичь преимуществ в отношении стоимости и снижения расхода воды. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ удаления водорода и метанола из СО₂ потока, содержащего водород и метанол как загрязняющие примеси,

отличающийся тем, что водород и метанол удаляют за счет контакта СО₂ потока (12) с катализатором, окисляющим водород до воды и метанол до диоксида углерода с получением очищенного СО₂ потока,

причем по меньшей мере часть очищенного СО₂ потока после удаления метанола и водорода направляют в процесс синтеза мочевины, и

СО₂ поток выводят из аммиачной секции интегрированной установки получения аммиака-мочевины, в которой мочевина вырабатывается при давлении синтеза мочевины; СО₂ поток выводят под давлением, более низким, чем давление синтеза мочевины; СО₂ поток сжимают до первого давления, промежуточного между давлением вывода и давлением синтеза мочевины; удаление водорода и метанола производят при указанном первом давлении; по меньшей мере часть полученного таким образом очищенного СО₂ потока дополнительно сжимают до давления синтеза мочевины и подают в процесс синтеза мочевины.

2. Способ по п.1, в котором стадию контакта СО₂ потока с катализатором выполняют в одном каталитическом реакторе (109).

3. Способ по п.1 или 2, в котором катализатор представляет собой катализатор на основе платины или на основе палладия.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором очищенный СО₂ поток после удаления водорода и метанола содержит не более 10 ppm (по объему) водорода.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором очищенный СО₂ поток после удаления водорода и метанола содержит не более 200 ppm (по объему) метанола.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором CO₂ поток (12) смешивают с таким количеством окислителя (13), чтобы обеспечивалось по меньшей мере количество кислорода, необходимое для окисления водорода до воды и метанола до диоксида углерода.

7. Способ по любому и предыдущих пунктов, в котором окисление водорода до воды и метанола до диоксида углерода производят при давлении по меньшей мере 20 бар или более.

8. Способ по п.1, в котором СО₂ поток (12) смешивают с окислителем (13), количество которого достаточно для обеспечения кислорода для окисления водорода и метанола, и дополнительным кислородом для использования в качестве пассивирующего агента в процессе синтеза мочевины.

9. Способ по п.1, в котором первое сжатие производят в одной или нескольких первых ступенях (111а, 111b) многоступенчатого компрессора (111), а второе сжатие производят в одной или нескольких остальных ступенях (111с, 111d) этого компрессора.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором воду, полученную при окислении водорода, отделяют от диоксида углерода путем конденсации в сепараторе (114).