УСТАНОВКА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА Российский патент 2021 года по МПК C01B3/50 B01D53/14 C01B3/52 F25J3/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу получения синтез-газа, состоящего в основном из монооксида углерода и водорода, причем кислотные газы из него удалены, исходя из углеводородсодержащего топлива, а также из воздуха и пара, который включает в себя следующие стадии способа:

- фракционирование воздуха низкотемпературной ректификацией с получением потока кислорода, потока хвостового газа и потока азота, где поток хвостового газа и поток азота имеют температуру окружающей среды, и поток азота находится под давлением,

- преобразование углеводородсодержащего топлива при повышенном давлении и повышенной температуре потоком кислорода и паром, с помощью известного специалистам в данной области способа в синтез-газ,

- удаление кислотных газов из синтез-газа с помощью низкотемпературной абсорбции в абсорбционной колонне жидким абсорбентом,

- охлаждение использованного абсорбента до низкой температуры, необходимой для низкотемпературной абсорбции, с помощью компрессионной холодильной установки, где компрессионная холодильная установка содержит контур хладагента, в котором хладагент компримируют, а теплоту сжатия, переданную хладагенту, снова отводят из хладагента при последующем теплообмене с охлаждающей водой,

- охлаждение охлаждающей воды до осуществления ее теплообмена с хладагентом путем испарительного охлаждения.

Изобретением также охвачена установка для осуществления способа.

Предпосылки изобретения

Способы, лежащие в основе изобретения (криогенное фракционирование воздуха, получение синтез-газа из углеродсодержащего топлива и криогенное отделение кислотных газов от (неочищенного) синтез-газа), образуют часть существующего уровня техники.

Криогенное фракционирование, также называемое низкотемпературным фракционированием, известно с 1920-х годов и в общих чертах описано, например, в Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 6th Edition, vol. 10, p. 39, 40. В связи с производством синтез-газа в известных способах фракционирования воздуха часто используется двухколонная ректификация, поскольку при этом наряду с потоком кислорода также получают поток чистого азота, который часто может использоваться на установках, подсоединенных ниже по потоку от производства синтез-газа. Одно конструкционное решение двухколонной ректификации, которое часто используется для производства синтез-газа, описано в учебнике "Gasification", Second Edition, Christopher Higman, Maarten van der Burgt, Gulf Professional Publishing, Elsevier, Burlington, USA.

В таком техническом оформлении поток воздуха, закачиваемый из окружающей среды, компримируют и подвергают предварительной очистке, при которой влагу и молекулы углеводородов с длинной цепочкой удаляют на стадии адсорбции, а затем диоксид углерода и оставшиеся углеводороды удаляют с помощью молекулярных сит. Поток воздуха, прошедший такую обработку, затем подвергают теплообмену с продуктовыми потоками (кислорода, азота и хвостового газа) на выходе из двухколонной ректификации.

Теплообмен проводят до тех пор, пока сжатый воздух не охладится до его температуры конденсации, а продуктовые потоки не нагреются до температуры окружающей среды. Этот способ часто проводят так, чтобы продуктовый поток азота после теплообмена и одновременного нагревания до комнатной температуры, находился под давлением примерно 5-6 бар. Этот азот можно использовать в качестве технологического газа для других установок, например, после дросселирования и охлаждения, для предварительного охлаждения воздуха в установке фракционирования воздуха.

Затем кислород, полученный при фракционировании воздуха, вместе с потоком пара используют для конверсии, также называемой газификацией, углеводородсодержащего топлива для получения синтез-газа, состоящего в основном из монооксида углерода и водорода Используемым топливом часто является уголь, кокс или природный газ, а также жидкие углеводороды или биомасса. Было разработано большое число способов и типов реакторов для соответствующих топлив. Обзор этих способов газификации также приводится, например, в вышеупомянутом учебнике "Gasification".

В принципе, все эти способы газификации применимы для настоящего изобретения.

Для последующего применения синтез-газа в качестве сырья для производства, например, метанола, аммиака или водорода, или в качестве топливного газа, необходимо отделить диоксид углерода и сероводород, которые здесь и далее часто называются кислотными газами. Это очень эффективно выполняется способом низкотемпературной абсорбции, в котором метанол, охлажденный до низкой температуры, используют в качестве абсорбента. Этот способ известен под названием "процесс Ректизол" с 1950-х годов. Описание приводится, например, в Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 6th edition, vol. 15, p. 399 ff. В данном случае кислотные газы отмывают от криогенного метанола в колонне, используя противоток. В процессе, называемом стандартным процессом Ректизол, оба кислотных газа - диоксид углерода и сероводород, - отмывают в колонне. Синтез-газ, подлежащий промывке, поступает в колонну снизу, в нижней части колонны отмывается в основном сероводород, а затем в верхней части в основном отмывается диоксид углерода. При регенерации метанола кислотные газы получают в виде смеси газов и удаляют для дальнейшей переработки. Для случая, когда требуется получение отдельно диоксида углерода и отдельно сероводорода, был разработан так называемый избирательный способ Ректизол. В этом способе подлежащий очистке синтез-газ течет через две скрубберные или абсорбционные колонны, соединенные последовательно. Сероводород удаляют в первой колонне, диоксид углерода - во второй. Таким образом эти газы можно раздельно выделять из насыщенного ими метанола. В настоящем изобретении можно применять как стандартный, так и избирательный метод Ректизол. Низкая температура метанола, требуемая для этого способа, устанавливается путем извлечения насыщенного потока метанола, нагретого в результате абсорбции, из абсорбционной колонны, охлаждение его путем теплообмена с охлаждающей средой, а затем возвращения его назад в колонну. Охлаждающей средой часто служит аммиак, который охлаждается соответственно в компрессионной охлаждающей установке. Энергия сжатия, переданная охлаждающей среде в компрессионной охлаждающей установке, приводит к нагреванию охлаждающей среды. Путем теплообмена с охлаждающей водой это тепло снова удаляют из охлаждающей среды. Сама охлаждающая вода до теплообмена с охлаждающей средой охлаждается путем испарительного охлаждения.

Способ связан с высокими затратами на электроэнергию, особенно на стадиях получения газифицирующего агента путем фракционирования воздуха и удаления кислотных газов, например, при компримировании воздуха для фракционирования воздуха и компримирования хладагента в компрессионной охлаждающей установке для охлаждения абсорбента.

Проблема, решаемая данным изобретением, таким образом, заключается в предоставлении варианта способа, который характеризуется сниженным потреблением электроэнергии.

Описание изобретения

Данная проблема решается способом согласно признакам п. 1 и с помощью установки согласно признакам п. 3.

На первой стадии способа данного изобретения - фракционировании воздуха на сложном оборудовании и с высокими энергоратратами - в качестве побочного продукта или отхода получают находящийся под давлением поток азота и хвостового газа. Эти потоки являются абсолютно сухими, и в данном изобретении утилизируется характеризующая их особенно хорошая способность абсорбировать влагу, т.е. эти потоки применяются для испарительного охлаждения охлаждающей воды, которая нужна для компрессионной холодильной установки установки Ректизол. По сравнению с использованием окружающего воздуха, который почти всегда содержит определенное количество влаги, это позволяет достичь более низкой температуры охлаждающей воды и, следовательно, более низкой температуры хладагента. Компримирование приводит к нагреванию хладагента в контуре хладагента, и его затем снова охлаждают путем теплообмена с охлаждающей водой. Преимущество изобретения заключается в том, что более низкую температуру хладагента, необходимого для охлаждения абсорбента для установки Ректизол, можно достичь при более низком давлении при конденсации хладагента. Потребление электроэнергии для компримирования хладагента снижается благодаря данному изобретению.

Охлаждающую воду, охлаждаемую в испарительном охладителе, подают в процесс согласно данному способу или в установку извне, например, из системы подачи охлаждающей воды, которая не входит в изобретение, и после использования возвращается назад в эту систему.

В испарительном охладителе охлаждающую воду приводят в контакт с потоком хвостового газа и/или потоком азота, прошедшим дросселирование. В данном случае можно применять средства, известные специалистам в данной области, такие как структурированные насадки или случайные насадки.

Предпочтительные варианты осуществления данного изобретения

Предпочтительное осуществление данного изобретения характеризуется тем, что поток азота, получаемый при фракционировании воздуха, перед тем, как он используется в испарительном охлаждении охлаждающей воды, дросселируют с помощью турбодетандера, одновременно охлаждая его, а затем применяют для охлаждения хладагента в контуре хладагента компрессионной холодильной установки. Таким путем давление, под которым потенциально находится поток, также утилизируется в компрессионной холодильной установке, и энергетические затраты на компримирование снижаются.

Демонстрационные примеры

Дополнительные разработки, преимущества и возможные применения данного изобретения также станут понятны из описания неограничивающих демонстрационных примеров и численных примеров и графических материалов, приведенных ниже. Все описываемые и/или изображенные на рисунках признаки, либо сами по себе, либо в любой комбинации, составляют изобретение независимо от того, в каком сочетании они приведены в формуле изобретения или соответствующих зависимых ссылках в данном документе.

На фигурах показаны:

фиг. 1 - принципиальная схема установки согласно данному изобретению;

фиг. 2 - диаграмма способа компрессионного контура хладагента с предложенным в изобретении новым применением азота и хвостового газа для охлаждения охлаждающей воды.

Фигуры в графических материалах поясняются ниже:

На фиг. 1, установка 1 в соответствии с изобретением включает в себя компоненты-установки криогенного фракционирования воздуха 2, газификации 3, установку Ректизол 4, компрессионную холодильную установку 5 и испарительную охладительную установку 6. Воздух 7 закачивают из окружающей среды и фракционируют путем фракционировании 2 воздуха на поток кислорода 8, поток азота 9a и поток хвостового газа 10. В установку газификации 3 подают углеродсодержащее топливо 11, где его преобразуют потоком кислорода 8 и паром 12, подаваемыми в установку, в неочищенный синтез-газ 13 и золу 14. Полученный неочищенный синтез-газ 13 подают на установку Ректизол 4, при этом кислотные газы сероводород 34 и диоксид серы 19 удаляют путем криогенной абсорбции с использованием метанола в качестве абсорбента. Удаленный сероводород отводят из установки 1 в качестве потока 34, и очищенный синтез-газ в качестве потока 15 используют для дальнейшей обработки. Удаленный диоксид углерода 19а используют для охлаждения в контуре хладагента компрессионной холодильной установки 5, а затем отводят из установки в качестве потока 19b для дальнейшего использования или сбрасывания. Абсорбент метанол, использованный в установке Ректизол 4, нагревается в процессе своего использования, поэтому его необходимо постоянно охлаждать. Поток нагретого метанола 16a направляют в компрессионную холодильную установку 5, охлаждают там, и направляют назад в установку Ректизол 4 в качестве потока 16b. Улучшение производительности по охлаждению компонента-установки 5 обеспечивается применением потока азота 9b, полученного при фракционировании воздуха 2 и прошедшего дросселирование и одновременное охлаждение в турбодетандере 20, для охлаждения хладагента в контуре хладагента компрессионной холодильной установки 5. Поток азота 9b, прошедший дросселирование и одновременное охлаждение в турбодетандере 20, направляют в компрессионную холодильную установку 5, где он нагревается, и его направляют в качестве потока 9c в охлаждающую колонну 6, чтобы он тек через нее вместе с потоком хвостового газа 10, поступающего со стадии фракционирования воздуха 2, и охлаждал охлаждающую воду за счет испарения. Смесь азота и хвостового газа 17, насыщенная влагой в охлаждающей колонне, отводят для дальнейшей обработки за пределами установки 1. Из установки за пределами установки 1, которая не показана, охлаждающую воду 18a подают в охлаждающую колонну 6, где она охлаждается, и затем ее подают в компрессионную холодильную установку 5 в качестве потока 18b и после этого отводят из установки 1 в качестве потока 18c.

На фиг. 2 показаны компоненты установки согласно изобретению - компрессионная холодильная установка 5 и охлаждающая колонна 6. Хладагент циркулирует в компрессионном контуре хладагента 21. В качестве хладагента часто используют аммиак или пропилен.

Поток хладагента 22 компримируют в две стадии в последовательно расположенных компрессорах 23 и 24 и охлаждают охлаждающей воды и частично конденсируют в теплообменнике 25. Поток хладагента разделяют на два потока 26 и 27. Поток 27 дросселируют в клапане 28, одновременно охлаждая, и используют для охлаждения потока 26 в теплообменнике 29, а затем возвращают в основной поток выше по потоку от компрессора 24. Поток хладагента 26 после охлаждения в теплообменнике 29 охлаждают в теплообменнике 30 потоком диоксида углерода 19a, отводимым из установки Ректизол 4, фиг. 1. Вводят поток азота 9a, полученный на стадии фракционирования воздуха 2, фиг. 1, подвергают дросселированию в турбодетандере 20 и охлаждают. Поток азота затем используют в качестве потока 9b в теплообменнике 31 для охлаждения потока хладагента. Вслед за этим поток хладагента дросселируют в клапане 32, одновременно дополнительно охлаждая, а затем используют в теплообменнике 22 для охлаждения абсорбента метанола 16a, b. Из питающего узла, который не показан и не является частью установки, охлаждающую воду 18a подают в испарительный охладитель 33 компонента-установки 6. Аналогичным образом в испарительный охладитель 33 вводят остаточный газ 10, поступающий с фракционирования воздуха 2, фиг. 1, и поток азота 9c. Эти насыщенные влагой газы отводят из установки в виде потока 17 и сбрасывают. Охлаждающую воду 18b, охлажденную в испарительном охладителе 33, направляют в компрессионную холодильную установку 5, где ее используют для охлаждения и конденсации хладагента в теплообменнике 25, и затем отводят из установки в виде потока 18c.

Промышленная применимость

В изобретении предложен путь снижения затрат на электроэнергию при производстве синтез-газа, из которого удален кислотный газ. Поэтому изобретение применимо в промышленности.

Перечень ссылочных позиций

1 способ/установка согласно данному изобретению 2 низкотемпературное фракционирование воздуха 3 газификация 4 низкотемпературная абсорбция (установка Ректизол) 5 компрессионная холодильная установка 6 испарительная охладительная установка 7 воздух 8 кислород 9 азот 10 хвостовой газ 11 содержащее углеводород топливо 12 пар 13 неочищенный синтез-газ, содержащий кислотные газы 14 остатки/зола 15 синтез-газ без кислотных газов 16 a, b метанол 17 смесь азота и хвостового газа, насыщенная влагой 18 a, b, c охлаждающая вода 19 a, b диоксид углерода 20 турбодетандер 21 компрессионный контур хладагента 22 поток охладителя 23 компрессор 24 компрессор 25 теплообменник 26 поток охладителя 27 поток охладителя 28 клапан 29 теплообменник 30 теплообменник 31 теплообменник 32 клапан 33 испарительный охладитель.

Изобретение относится к способу получения синтез-газа. Способ получения синтез-газа, состоящего в основном из монооксида углерода и водорода, причем кислотные газы из него удалены, исходя из углеводородсодержащего топлива, а также из воздуха и пара, который включает в себя следующие стадии способа: a) фракционирование воздуха низкотемпературной ректификацией с получением потока кислорода, потока хвостового газа и потока азота, где поток хвостового газа и поток азота имеют температуру окружающей среды, и поток азота находится под давлением, b) преобразование углеводородсодержащего топлива при повышенном давлении и повышенной температуре потоком кислорода, полученным на стадии а), и паром в синтез-газ, c) удаление кислотных газов из синтез-газа, полученного на стадии b), с помощью низкотемпературной абсорбции в абсорбционной колонне жидким абсорбентом, d) охлаждение абсорбента, использованного на стадии с), до низкой температуры, необходимой для низкотемпературной абсорбции, с помощью компрессионной холодильной установки, где компрессионная холодильная установка содержит контур хладагента, в котором хладагент компримируют, вследствие чего он нагревается, и охлаждают и конденсируют при последующем теплообмене с охлаждающей водой, e) охлаждение охлаждающей воды до осуществления ее теплообмена с хладагентом на стадии d) путем испарительного охлаждения, при этом испарительное охлаждение на стадии е) проводят потоком хвостового газа, полученным на стадии а), и/или прошедшим дросселирование потоком азота, полученным на стадии а). Технический результат – снижение энергии для компремирования хладагента. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения синтез-газа, состоящего в основном из монооксида углерода и водорода, причем кислотные газы из него удалены, исходя из углеводородсодержащего топлива, а также из воздуха и пара, который включает в себя следующие стадии способа:

a) фракционирование воздуха низкотемпературной ректификацией с получением потока кислорода, потока хвостового газа и потока азота, где поток хвостового газа и поток азота имеют температуру окружающей среды, и поток азота находится под давлением,

b) преобразование углеводородсодержащего топлива при повышенном давлении и повышенной температуре потоком кислорода, полученным на стадии а), и паром в синтез-газ,

c) удаление кислотных газов из синтез-газа, полученного на стадии b), с помощью низкотемпературной абсорбции в абсорбционной колонне жидким абсорбентом,

d) охлаждение абсорбента, использованного на стадии с), до низкой температуры, необходимой для низкотемпературной абсорбции, с помощью компрессионной холодильной установки, где компрессионная холодильная установка содержит контур хладагента, в котором хладагент компримируют, вследствие чего он нагревается, и охлаждают и конденсируют при последующем теплообмене с охлаждающей водой,

e) охлаждение охлаждающей воды до осуществления ее теплообмена с хладагентом на стадии d) путем испарительного охлаждения,

отличающийся тем, что испарительное охлаждение на стадии е) проводят потоком хвостового газа, полученным на стадии а), и/или прошедшим дросселирование потоком азота, полученным на стадии а).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поток азота, полученный на стадии а) в п. 1, сначала дросселируют и одновременно охлаждают с помощью турбодетандера, а затем используют для охлаждения хладагента путем теплообмена в контуре хладагента компрессионной холодильной установки, а затем - для испарительного охлаждения охлаждающей воды.

3. Установка получения синтез-газа, включающая следующие компоненты установки и оборудование:

а) установку для фракционирования воздуха с использованием установки фракционирования воздуха, принцип работы которой основан на принципе криогенной ректификации при повышенном давлении, пригодную для выработки потока газообразного кислорода и потока газообразного азота при повышенном давлении и температуре окружающей среды и потока хвостового газа,

b) установку для конверсии углеродсодержащего топлива с газифицирующим агентом с получением синтез-газа, содержащего в основном водород и монооксид углерода, где компоненты установки а) и b) связаны таким образом, чтобы кислород, получаемый в компоненте установке а), можно было добавлять к газифицирующему агенту, используемому в компоненте установки b),

c) установку для удаления кислотных газов - диоксида углерода и сероводорода - из неочищенного синтез-газа, получаемого в компоненте установки b), путем абсорбции при низкой температуре жидким абсорбентом,

d) компрессионную холодильную установку, содержащую хладагент,

e) испарительный охладитель для охлаждения охлаждающей воды.

4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что жидким абсорбентом является метанол.

5. Установка по п. 3 или 4, отличающаяся тем, что хладагентом является аммиак или пропилен.

6. Установка по любому из пп. 3-5, отличающаяся тем, что она включает турбодетандер.