СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ПРОДУКТА Российский патент 2022 года по МПК C01B3/02 C01B3/34 F04D21/00 C01C1/04 C07C5/48 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу получения газообразного продукта.

В терминологии изобретения ультразвуковой компрессор представляет собой компрессор, который включает в себя ротор, в котором по меньшей мере одна часть ротора достигает скорости Mach 1 (1234,8 км/час), соответствующей по меньшей мере скорости звука в отношении локального условия для технологического флюида во время стандартной работы соответствующего компрессора.

Уровень техники

Пример ультразвукового компрессора показан в документе США 2016/0281722 A1.

Согласно терминологии изобретения синтез-газ или сингаз, представляет собой смесь газов, применяемую в качестве промежуточного продукта для того, чтобы генерировать газообразный продукт, подобный сингазу, водороду или аммиаку. Сингаз в основном состоит из водорода, монооксида углерода, и весьма часто небольшого количества диоксида углерода.

Сингаз может быть получен из многих источников, включающих природный газ, уголь, биомассу, или практически любое углеводородное сырье, путем взаимодействия с водяным паром (паровой риформинг), диоксидом углерода (сухой риформинг) или кислородом (парциальное окисление).

Для производства синтез-газа, главным образом, применяется процесс парового риформинга метана. Этот процесс является эндотермическим, поэтому в системе должен быть предусмотрен внешний источник тепла. Традиционно тепло поступает от внешней печи. Кроме того, процесс необходимо проводить под давлением 20 бар – 30 бар, чтобы получить желательный газообразный продукт.

Во время работы для печи требуется значительное количество энергии и обеспечение печи, а также ее техническое обслуживание является дорогостоящим.

Другим примером крупномасштабного производства газообразного продукта является процесс дегидрирования пропана. В ходе этого процесса пропилен получается из пропана путем удаления водорода. Этот процесс протекает в реакторе в присутствии катализатора. Поток сырьевого газа - пропана нагревается при высокой температуре в печи и поступает в каталитический реактор, чтобы превратиться в газообразный продукт -пропилен. Для катализатора требуется непрерывная регенерация путем подачи воздуха в реактор.

Другим примером крупномасштабного производства газообразного продукта является получение аммиака. Традиционно для указанных технологических установок требуются дорогие печи, которые способны работать при высоком уровне давления.

Краткое изложение изобретения

Одной целью изобретения является разработка способа получения газообразного продукта с уменьшенной занимаемой площадью на поверхности и пониженными инвестиционными и эксплуатационными затратами.

Согласно изобретению, способ типа упомянутого в начале, включающий в себя дополнительные признаки отличительной части пункта 1 формулы, обеспечивает пониженные инвестиционные и эксплуатационные затраты и особенно уменьшенную площадь, занимаемую устройством на поверхности.

Выгодным признаком изобретения является то, что ультразвуковой компрессор обеспечивает значительное повышение давления и температуры при значительном уменьшении площади, занимаемой устройством на поверхности по сравнению с традиционными компоновками.

Ультразвуковая компрессия согласно изобретению является особенно выгодной для одновременного повышения давления и температуры газообразного сырьевого потока, что обеспечивает последующее взаимодействие в реакторе без дополнительной работы печи.

С целью устранения взаимодействия вне реактора в предпочтительном варианте осуществления предусмотрено, что первая часть сырьевого потока для взаимодействия нагревается путем компрессии под действием ультразвукового компрессора. Объединение по меньшей мере двух или более частей указанного сырьевого потока после ультразвуковой компрессии по меньшей мере одной части сырьевого потока позволяет избежать нежелательных реакций внутри ультразвукового компрессора во время повышения давления и температуры.

В другом предпочтительном варианте осуществления обеспечивается теплообмен между второй частью указанного сырьевого потока, до поступления в реактор, и самим реактором или газообразным продуктом, после выхода из реактора.

Другой выгодный вариант реализуется путем запуска указанного ультразвукового компрессора с газовой турбиной, генерирующей отработавший газ, где указанный отработавший газ применяется для нагревания указанной первой части и/или второй части указанного сырьевого потока. Этот путь термической эффективности компоновки может быть улучшен относительно способа.

В одном предпочтительном варианте осуществления предложен способ согласно изобретению, где указанная первая часть указанного сырьевого потока практически состоит из углеводородов, указанная вторая часть указанного сырьевого потока практически состоит из воды, и где газообразный продукт практически состоит из сингаза. Указанный сингаз может быть отделен от воды и от оксида углерода, чтобы получить ниже по потоку от реактора водород, который может быть использован в любом последующем процессе.

Другой предпочтительный вариант осуществления изобретения задан указанной первой частью указанного сырьевого потока, который практически состоит из воздуха, указанной второй частью указанного сырьевого потока, который практически состоит из пропана, причем указанный газообразный продукт практически состоит из пропилена. Предпочтительно этот процесс эксплуатируется таким образом, что первая часть указанного сырьевого потока нагревается путем сжатия указанного воздуха ультразвуковым компрессором.

С целью дополнительного увеличения термической эффективности вторую часть указанного сырьевого потока можно нагревать до поступления в реактор, путем теплообмена с указанной первой частью указанного сырьевого потока, после выхода из указанного ультразвукового компрессора.

Другой предпочтительный вариант осуществления обеспечивает, чтобы указанная первая часть указанного сырьевого потока практически состояла из сингаза, и указанная вторая часть указанного сырьевого потока практически состояла из воздуха, и указанный газообразный продукт практически состоял из аммиака. Сингаз, получаемый в качестве указанной первой части указанного сырьевого потока, может быть получен в соответствии с ранее упомянутым способом, в котором первая часть сырьевого потока получается в виде углеводорода, а вторая часть указанного сырьевого потока – в виде воды.

Краткое описание чертежей

Вышеуказанные отличительные признаки и другие признаки и преимущества настоящего изобретения и способ их достижения станут более очевидными, причем само изобретение можно будет лучше понять с помощью ссылок на следующее описание лучшего в настоящее время варианта осуществления изобретения, рассмотренного в сочетании с прилагаемыми чертежами, в которых:

на фиг. 1 показана принципиальная схема последовательности операций, иллюстрирующая основной принцип способа согласно изобретению;

на фиг. 2, 4, 5 соответственно показана принципиальная схема последовательности операций, иллюстрирующая принцип способа согласно изобретению, применительно для синтеза аммиака;

на фиг. 3 показана принципиальная схема последовательности операций, иллюстрирующая основной принцип способа согласно изобретению, применительно для дегидрирования пропана.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 показана принципиальная схема последовательности операций, иллюстрирующая способ получения газообразного продукта синтетического природного газа (SNG) согласно изобретению. В общем, этот способ включает в себя следующие этапы:

a) первая часть PF1 сырьевого потока FDS,

b) получение второй части PF2 сырьевого потока FDS,

c) объединение указанной первой части PF1 указанного сырьевого потока FDS с указанной второй частью PF2 указанного сырьевого потока FDS с получением указанного сырьевого потока FDS,

d) нагревание по меньшей мере одной из

i указанной первой части PF1 указанного сырьевого потока FDS,

ii. указанной второй части PF2 указанного сырьевого потока FDS до этапа c),

iii. указанного сырьевого потока FDS после этапа c),

e) направление сырьевого потока FDS в реактор,

f) превращение сырьевого потока FDS в газообразный продукт SNG.

Согласно изобретению этап d) осуществляется путем компрессии соответствующего потока FDS с помощью ультразвукового компрессора SCO так, чтобы нагреть соответствующий поток. Ультразвуковой компрессор SCO повышает давление и температуру в соответствии с потребностями процесса в одном этапе. Это экономит технологическое оборудование и поэтому снижает инвестиционные затраты и особенно площадь, занимаемую оборудованием.

Хотя на фиг. 1 показана принципиальная схема изобретения, иллюстрирующая применение ультразвукового компрессора SCO для получения термодинамических параметров, необходимых для процесса согласно способу изобретения, на фиг. 2, 3 показаны более конкретные примеры с дополнительными подробностями. На фиг. 2 показан первый вариант получения газообразного продукта SNG, здесь аммиака NH₃. Ввод в способ, соответствующий процессу, представляет собой первую часть PF1 сырьевого потока FDS в виде воздуха, который сжимается ультразвуковым компрессором или обычным компрессором CO. Вторая часть PF2 сырьевого потока FDS обеспечивается природным газом NG, который также можно сжимать с помощью ультразвукового компрессора SCO или обычного компрессора CO. Согласно изобретению по меньшей мере одна из двух частей PF1, PF2 указанного сырьевого потока FDS сжимается ультразвуковым компрессором SCO.

Иллюстрация фиг. 2 предназначена для демонстрации, что по меньшей мере один из двух компрессоров CO представлен в виде ультразвукового компрессора SCO. В этом примере оба компрессора CO, SCO приводятся в действие газовой турбиной GT, в которую подается топливо FUL и воздух (AIR). Привод DRV соответствующей газовой турбины GT генерирует отработавший газ EXG, который может быть использован в последующих процессах для нагревания других технологических флюидов, не показанных на фиг. 2.

После компрессии природного газа NG соответствующая вторая часть PF2 сырьевого потока FDS смешивается с водой H₂O и взаимодействует в первой установке риформинга RF1 с образованием сингаза SYG. Указанный сингаз SYG представляет собой смесь, главным образом, оксида углерода – в частности монооксида углерода – и водорода H₂. Продукт первой установки риформинга RF1, соответственно сингаз SYG, взаимодействует во второй установке риформинга со сжатым воздухом, соответственно первая часть PF1 сырьевого потока FDS, содержащего азот N₂ и кислород O₂. Выход из второй установки риформинга, главным образом, содержит азот N₂, водород H₂ и оксид углерода COX, который является сырьевым потоком FDS, который будет взаимодействовать в реакторе RCT после обработки в модуле RCO, снижающем содержание оксида углерода COX. Дополнительные компрессоры CO1, CO2, которые приводятся в действие газовой турбиной TRB, снабжаются рабочим флюидом DRF, причем в реакторе RCT завершается синтез аммиака ASY. Примеси после реактора RCT удаляются из газообразного продукта SNG в сепараторе SPR, чтобы получить аммиак NH3.

На фиг. 4, в основном, показан аналогичный процесс с небольшими отличиями, относящимися к первой установке риформинга RF1, в которую поступает вода H₂O. Вода проходит в первую установку риформинга RF1 и нагревается за счет процесса риформинга. Указанная первая часть PF1 сырьевого потока FDS в этом примере сжимается не ультразвуковым компрессором SCO, а компрессором низкого давления CLP и последовательно смонтированным компрессором высокого давления CHP, – причем оба компрессора приводятся в действие турбиной TRB, снабжаемой рабочим флюидом DRF.

Другой вариант синтеза аммиака NH3 показан на фиг. 4. В этом примере только первая часть PF1 сырьевого потока FDS, соответственно воздух (AIR), сжимается ультразвуковым компрессором SCO. Вторая часть PF2 сырьевого потока FDS, соответственно природный газ NG, сжимается обычным центробежным компрессором CO. Оба компрессора SCO, CO приводятся в действие с помощью узла привода DRV, соответственно газовой турбиной GT, в которую поступает воздух (AIR) и топливо FUL. Дополнительный поток воздуха, извлеченный из выпуска ультразвукового компрессора SCO, сжимающего воздух (AIR), используется в качестве сырья дополнительной газовой турбины GTF. Этот сжатый горячий воздух (AIR) улучшает общую эффективность GT. Отработавший газ EXG газовой турбины GT используется для нагревания первой части PF1 сырьевого потока FDS. Расположенная ниже часть процесса на фигуре 4 в основном является такой же, как показано на фиг. 2 и 5.

На фиг. 3 показана принципиальная схема последовательности операций в процессе дегидрирования пропана с использованием особенностей изобретения. Первая часть PF1 технологического флюида, соответственно сырьевой поток FDS, представляет собой воздух (AIR), который сжимается ультразвуковым компрессором SCO согласно изобретению. Вторая часть PF2 сырьевого потока FDS представляет собой пропан C₃H₈. Отработавший газ газовой турбины GT приводит в движение ультразвуковой компрессор SCO. Отработавший газ EXG газовой турбины GT, образовавшийся из потока воздуха (AIR) и топлива FUL, снабжает теплом второй теплообменник HE2. Первая часть PF1 сырьевого потока нагревается в ходе компрессии в ультразвуковом компрессоре SCO. Вторая часть PF2 сырьевого потока FDS, соответственно пропан C₃H₈, нагревается во втором теплообменнике HE2 для введения при температуре приблизительно 600°C в реактор RCT вместе с первой частью PF1 сырьевого потока FDS, соответственно сжатого воздуха (AIR). С одной стороны, выпуск из реактора представляет собой отработавший газ EXG, и с другой стороны, - деактивированный катализатор DAC процесса. Указанный отработавший газ EXG из реактора RCT содержит, водород H₂, кислород O₂ и оксиды углерода COX, CO, CO₂. Другой выпуск из реактора RCT представляет собой газообразный продукт SNG, - пропилен C₃H₆. Для использования высокой температуры газообразного продукта SNG, указанный пропилен C₃H₆ пропускают через второй теплообменник HE2 для того, чтобы нагреть вторую часть PF2 сырьевого потока FDS. Газообразный продукт SNG высушивают в осушителе DRY и отделяют от примесей в сепараторе SPT.

Изобретение относится к способу получения газообразного продукта (SNG), включающему следующие этапы: a) получение первой части (PF1) сырьевого потока (FDS), b) получение второй части (PF2) сырьевого потока (FDS), c) объединение указанной первой части (PF1) указанного сырьевого потока (FDS) с указанной второй частью (PF2) указанного сырьевого потока (FDS) с получением указанного сырьевого потока (FDS), d) нагревание по меньшей мере одной из i. указанной первой части (PF1) указанного сырьевого потока (FDS), ii. указанной второй части (PF2) указанного сырьевого потока (FDS) до этапа с), iii. указанного сырьевого потока (FDS) после этапа с), e) направление сырьевого потока (FDS) в реактор (RCT), f) превращение сырьевого потока (FDS) в газообразный продукт (SNG). Этап d) по меньшей мере частично осуществляется путем компрессии соответствующего потока (FDS) ультразвуковым компрессором (SCO) таким образом, чтобы соответствующий поток нагревался, при этом указанный ультразвуковой компрессор (SCO) приводят в действие газовой турбиной (GT), генерирующей отработавший газ (EXG), где указанный отработавший газ (EXG) используют для нагревания указанной второй части (PF2) указанного сырьевого потока (FDS). Технический результат - пониженные инвестиционные и эксплуатационные затраты и уменьшение площади, занимаемой устройством на поверхности. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ получения газообразного продукта (SNG), включающий следующие этапы:

a) получение первой части (PF1) сырьевого потока (FDS),

b) получение второй части (PF2) сырьевого потока (FDS),

c) объединение указанной первой части (PF1) указанного сырьевого потока (FDS) с указанной второй частью (PF2) указанного сырьевого потока (FDS) с получением указанного сырьевого потока (FDS),

d) нагревание по меньшей мере одной из

i. указанной первой части (PF1) указанного сырьевого потока (FDS),

ii. указанной второй части (PF2) указанного сырьевого потока (FDS) до этапа с),

iii. указанного сырьевого потока (FDS) после этапа с),

e) направление сырьевого потока (FDS) в реактор (RCT),

f) превращение сырьевого потока (FDS) в газообразный продукт (SNG),

отличающийся тем, что этап d) по меньшей мере частично осуществляется путем компрессии соответствующего потока (FDS) ультразвуковым компрессором (SCO) таким образом, чтобы соответствующий поток нагревался, при этом

указанный ультразвуковой компрессор (SCO) приводят в действие газовой турбиной (GT), генерирующей отработавший газ (EXG), где указанный отработавший газ (EXG) используют для нагревания указанной второй части (PF2) указанного сырьевого потока (FDS).

2. Способ по п. 1, в котором указанную первую часть (PF1) указанного сырьевого потока (FDS) нагревают путем компрессии ультразвуковым компрессором (SCO) согласно этапу d).

3. Способ по п. 1, в котором указанную вторую часть (PF2) указанного сырьевого потока (FDS) нагревают до поступления в реактор (RCT) путем теплообмена с реактором (RCT) и/или с газообразным продуктом (SNG) после выхода из реактора (RCT).

4. Способ по любому из пп. 1-3, где указанная первая часть (PF1) указанного сырьевого потока (FDS) практически состоит из углеводорода (CH₄), указанная вторая часть (PF2) указанного сырьевого потока (FDS) практически состоит из воды (H₂O), причем газообразный продукт (SNG) практически состоит из сингаза (SYG).

5. Способ по п. 4, в котором указанный сингаз (SYG) отделяют от воды (H₂O) и от оксида углерода (COX), чтобы получить поток водорода (H₂) после реактора (RCT).

6. Способ по любому из пп. 1-3, где указанная первая часть (PF1) указанного сырьевого потока (FDS) практически состоит из воздуха (AIR), указанная вторая часть (PF2) указанного сырьевого потока (FDS) практически состоит из пропана (C₃H₈), указанный газообразный продукт (SNG) практически состоит из пропилена (C₃H₆).

7. Способ по п. 6, в котором указанную первую часть (PF1) указанного сырьевого потока (FDS) нагревают путем компрессии ультразвуковым компрессором (SCO) согласно этапу d).

8. Способ по п. 6 или 7, в котором указанную вторую часть (PF2) указанного сырьевого потока (FDS) нагревают до поступления в реактор (RCT) путем теплообмена с указанной первой частью (PF1) указанного сырьевого потока (FDS) ниже выпуска из указанного ультразвукового компрессора (SCO).

9. Способ по любому из пп. 1-3, где указанная первая часть (PF1) указанного сырьевого потока (FDS) практически состоит из сингаза (SYG), указанная вторая часть (PF2) указанного сырьевого потока (FDS) практически состоит из воздуха (AIR), указанный газообразный продукт (SNG) практически состоит из аммиака (NH₃).

10. Способ по п. 9, в котором указанную первую часть (PF1) указанного сырьевого потока (FDS), практически состоящую из сингаза (SYG), получают способом по п. 4.