СПОСОБ И УСТАНОВКА СИНТЕЗА МЕТАНОЛА Российский патент 2023 года по МПК C07C29/152 C07C31/04 C01B3/02 C01B3/50 

Изобретение относится к способу синтеза метанола согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к установке синтеза метанола согласно ограничительной части пункта 15 формулы изобретения.

Производство метанола обычно осуществляют в реакторе установки для синтеза метанола, в который подают поток синтез-газа, содержащий водород и оксиды углерода, и в котором проводят экзотермическую реакцию получения метанола.

В принципе, целесообразно проводить синтез метанола при высоком давлении. Для этого в установке обычно предусмотрено наличие компрессора синтез-газа, обеспечивающего сжатие потока синтез-газа до заданного давления. Однако, такой компрессор синтез-газа является очень энергоемким или ресурсоемким и составляет существенную долю затрат на синтез метанола.

В известном уровне техники есть предложения по исключению компрессора синтез-газа. В американском патенте US 6881758 B2 описана установка синтеза метанола без компрессора синтез-газа. А именно, синтез-газ подают в соответствующий реактор с добавлением кислорода высокого давления, например, в результате автотермического реформинга, уже с давлением 60 бар, поэтому синтез-газ может быть подан в реактор синтеза метанола без повышения давления.

Недостатком этого решения известного уровня техники является то, что при получении синтез-газа путем автотермического реформинга нельзя достичь стехиометрического соотношения, предпочтительного для синтеза метанола.

В патентной заявке WO 2005/108336 A1 известного уровня техники также описана установка синтеза метанола, в которой также отсутствует компрессор синтез-газа. В установке, представленной в заявке WO 2005/108336 A1, синтез-газ получают путем некаталитического частичного окисления. Хотя имеет место рециркуляция в реактор метанола водорода, полученного путем PSA (адсорбция со сдвигом давления) из остаточного газа реактора метанола, при этом, указанный водород либо не сжимают вообще, либо сжимают с использованием собственного компрессора. Однако, сжатие потока чистого водорода является дорогостоящим, и, с другой стороны, наличие дополнительного компрессора требует больших затрат.

В документе EP 2 011 564 A1 известного уровня техники, на котором основано настоящее изобретение, обеспечивается как исключение компрессора синтез-газа, так и меры для того, чтобы поток водорода, полученный из непрореагировавшего остаточного газа путем PSA, снова был подан в рециркуляционный компрессор. Однако, недостатком представленного в этом документе решения является то, что поток, подаваемый на PSA, уже был подвергнут сжатию в рециркуляционном компрессоре. Из-за того, что рециркуляция из выхода на вход рециркуляционного компрессора происходит в отдельном цикле, требуется масштабирование рециркуляционного компрессора, который больше, чем был бы сам по себе.

Таким образом, на основании предшествующего уровня техники, целью изобретения является усовершенствование и дальнейшее развитие известного из предшествующего уровня техники способа синтеза метанола без компрессора синтез-газа и известной из предшествующего уровня техники установки синтеза метанола без компрессора синтез-газа, в которых не требуется отдельного компрессора для возвращаемого водорода, и рециркуляционный компрессор может иметь меньший размер.

Относительно способа синтеза метанола согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, эта цель достигнута посредством отличительных признаков описывающей части пункта 1. Относительно установки синтеза метанола согласно ограничительной части пункта 15 формулы изобретения, эта цель достигнута посредством отличительных признаков описывающей части пункта 15.

Изобретение основано на понимании того, что водород, извлекаемый из отводимого водорода, может быть направлен таким образом, чтобы повышение его давления производилось только один раз в рециркуляционном компрессоре между выходом с первой ступени реактора синтеза метанола и возвращением на первую ступень реактора синтеза метанола. Таким образом предотвращается повторное и, в сущности, ненужное увеличение давления водорода. В результате этого могут быть уменьшены размеры рециркуляционного компрессора.

Предлагаемый способ предназначен для синтеза метанола. В предлагаемом способе поток углеродсодержащего энергоносителя подают в реакторную установку получения синтез-газа для получения потока синтез-газа, содержащего водород и оксиды углерода. Так, поток синтез-газа содержит водород, монооксид углерода и диоксид углерода и может, в частности, содержать другие компоненты, такие как азот и благородные газы. Поток синтез-газа также может быть назван потоком свежего газа.

В предлагаемом способе поток синтез-газа также подают на первую ступень реакторной установки синтеза метанола для частичного превращения в метанол. Отличительный признак, заключающийся в частичном превращении в метанол, основан на том факте, что непреобразованный остаток исходного материала выходит из реакторной установки синтеза метанола, следовательно, преобразование происходит не полностью. Реакторная установка синтеза метанола может включать несколько ступеней или только одну ступень. Если реакторная установка синтеза метанола включает только одну ступень, первая ступень является этой единственной ступенью реакторной установки синтеза метанола. Первая ступень реакторной установки синтеза метанола является той ступенью реакторной установки синтеза метанола, на которую поступает поток синтез-газа до того, как он или поток статочного газа поступает на следующую ступень. В этом отношении, первая ступень реактора является той ступенью реакторной установки синтеза метанола, которая находится в начале технологической цепочки процесса. Этот факт согласуется с возможным наименованием потока синтез-газа потоком свежего газа. Каждая индивидуальная ступень реакторной установки синтеза метанола может включать множество индивидуальных реакторов синтеза метанола, соединенных друг с другом параллельно относительно технологической цепочки процесса.

В соответствии с предлагаемым способом, поток синтез-газа, получаемый на реакторной установке получения синтез-газа, имеет при образовании более высокое давление, чем давление синтеза, при котором поток синтез-газа на первой ступени реактора частично преобразуется в метанол. Другими словами, поток синтез-газа и, следовательно, синтез-газ не претерпевает увеличения давления с момента его образования до вступления в реакцию в реакторной установке синтеза метанола с целью синтеза метанола. В частности, не происходит увеличения давления потока синтез-газа после его образования при помощи компрессора, расположенного по потоку выше синтеза метанола и ниже получения синтез-газа. Также может иметь место случай, когда остаточный газ после прохождения через реакторную установку синтеза метанола испытывает увеличение давления. Этот случай пояснен ниже.

Предлагаемым способом предусматривается, что в реакторной установке синтеза метанола получают поток остаточного газа, содержащий непрореагировавшие оксиды углерода, при этом, указанный поток остаточного газа подают в рециркуляционный компрессор с целью увеличения давления потока остаточного газа. Поток остаточного газа также содержит непрореагировавший водород. Если реакторная установка синтеза метанола включает более одной ступени, поток остаточного газа может быть получен на выходе любой ступени.

В предлагаемом способе также предусматривается, что поток остаточного газа повышенного давления подают в реакторную установку синтеза метанола для частичного превращения в метанол. Речь идет о возвращении потока остаточного газа теперь уже при повышенном давлении в реакторную установку синтеза метанола, из которой поток остаточного газа был получен.

В предлагаемом способе также предусматривается, что перед подачей на первую ступень реактора поток синтез-газа подают в устройство рекуперации тепла для отведения тепла потока синтез-газа. Другими словами, с технологической точки зрения устройство рекуперации тепла расположено между реакторной установкой получения синтез-газа и реакторной установкой синтеза метанола. Нужно подчеркнуть, что устройство рекуперации тепла обычно представляет собой только одну ступень системы рекуперации тепла, включающей множество устройств рекуперации тепла. Другими словами, может иметь место случай, когда поток синтез-газа подают только в одно устройство рекуперации тепла из множества взаимосвязанных устройств рекуперации тепла перед подачей в реакторную установку синтеза метанола.

В предлагаемом способе также предусматривается, что отводимый поток, содержащий непрореагировавший водород из непрореагировавшего остаточного газа первой ступени реактора, подают в установку извлечения водорода для получения рециркулируемого потока Н, содержащего непрореагировавший водород отводимого потока. В результате, водород потока рециркулируемого Н соответствует, по меньшей мере частично, предпочтительно, полностью непрореагировавшему водороду отводимого потока. Непрореагировавший остаточный газ может являться только частью всего непрореагировавшего газа первой ступени реактора. Также может иметь место случай, когда непрореагировавший водород является только частью всего непрореагировавшего водорода первой ступени реактора.

В предлагаемом способе предусматривается, что непрореагировавший водород отводимого потока снова подают на первую ступень реактора с целью, по меньшей мере, частичного превращения в метанол. Непрореагировавший водород отводимого потока также может быть снова подан на первую ступень реактора либо непосредственно, либо косвенно. В случае косвенной подачи непрореагировавший водород сначала подают в другие устройства.

Предлагаемый способ отличается тем, что давление непрореагировавшего водорода отводимого потока перед возвращением на первую ступень реактора увеличивают только один раз при помощи рециркуляционного компрессора вместе с непрореагировавшими оксидами углерода. Другими словами, давление увеличивают только один раз между отведением непрореагировавшего водорода с первой ступени реактора и возвращением указанного непрореагировавшего водорода на первую ступень реактора, а именно, при помощи рециркуляционного компрессора. Поскольку в рециркуляционном компрессоре, как уже указано, увеличивается давление потока остаточного газа, содержащего непрореагировавшие оксиды углерода, рециркуляционный компрессор также увеличивает давление непрореагировавший оксидов углерода. Точно так же, в рециркуляционном компрессоре увеличивается давление непрореагировавшего водорода первой ступени реактора, который не был подан в установку извлечения водорода.

Таким образом, исключается повторное увеличение давления, само по себе, излишнее. Нужно отметить, что данное требование именно однократного увеличения давления в рециркуляционном компрессоре затрагивает только непрореагировавший водород первой ступени реактора, который также содержится в отводимом потоке. Если имеется, как это обычно имеет место, непрореагировавший водород первой ступени реактора, который не содержится в отводимом потоке, нет необходимости в том, чтобы этот непрореагировавший водород также претерпевал именно однократное увеличение давления в рециркуляционном компрессоре вне отводимого потока. Напротив, тогда возможно как многократное увеличение давления, так и отсутствие увеличения давления.

Как описано ниже, подача непрореагировавшего водорода снова на первую ступень реактора может быть осуществлена косвенно, так что водород, подаваемый в реакторную установку синтеза метанола, является частью ряда других потоков.

В принципе, под описанным выше увеличением давления непрореагировавшего водорода может подниматься повышение давления на любую величину. Является предпочтительным, чтобы давление непрореагировавшего водорода перед, по меньшей мере, частичным превращением в метанол было повышено до большего давления, чем давление потока рециркулируемого Н из установки извлечения водорода. Также может иметь место случай, когда давление непрореагировавшего водорода перед возвращением на первую стадию реактора повышают до большей величины, чем давление отводимого потока, когда его подают в установку извлечения водорода.

Увеличение давления непрореагировавшего водорода, с одной стороны, может осуществляться перед его подачей в установку извлечения водорода. Также возможно увеличение давления всего отводимого потока. Однако, увеличение давления непрореагировавшего водорода также может быть осуществлено после того, как он подан в установку извлечения водорода. Следовательно, давление непрореагировавшего водорода потока рециркулируемого Н может быть увеличено путем повышения давления всего потока рециркулируемого Н.

Реакторная установка получения синтез-газа, реакторная установка синтеза метанола, устройство рекуперации тепла, рециркуляционный компрессор и установка извлечения водорода могут входить в установку синтеза метанола.

Предпочтительно, давление при образовании составляет более 60 бар или более 70 бар или более 80 бар. Давление при образовании также может составлять более 90 бар и, в частности, более 100 бар.

В принципе, поток остаточного газа, подаваемый в рециркуляционный компрессор, может иметь любой состав при условии, что поток остаточного газа содержит непрореагировавшие оксиды углерода в любом соотношении и непрореагировавший водород отводимого потока. Однако, является предпочтительным, чтобы поток остаточного газа, подаваемый в рециркуляционный компрессор, характеризовался молярным содержанием водорода менее 90%, в частности, менее 85%, в частности, менее 80%. В качестве альтернативы или дополнительно, возможно, чтобы поток остаточного газа, подаваемый в рециркуляционный компрессор, характеризовался молярным содержанием водорода более 50%, в частности, более 60%, в частности, более 70%. Молярное содержание водорода соответствует общему молярному содержанию водорода в потоке остаточного газа. Следовательно, оно включает не только водород отводимого потока, но и другой водород, присутствующий в потоке остаточного газа.

Реакторная установка синтеза метанола, предпочтительно, включает устройство отделения метанола, предназначенное для получения непрореагировавшего остаточного газа первой ступени реактора и потока неочищенного метанола первой ступени реактора. В сущности, принцип функционирования устройства отделения метанола может быть любым. В частности, возможно, чтобы устройство отделения метанола включало устройство конденсации для получения непрореагировавшего остаточного газа первой ступени реактора и потока неочищенного метанола первой ступени реактора путем конденсации.

Возможно, чтобы только часть потока остаточного газа повышенного давления была подана в реакторную установку синтеза метанола. В частности, является предпочтительным, чтобы часть потока остаточного газа повышенного давления была ответвлена и подана в реакторную установку получения синтез-газа. В частности, может предусматриваться, чтобы ответвленная часть потока остаточного газа повышенного давления была подана в поток энергоносителя.

Как уже было указано, возможно, чтобы реакторная установка синтеза метанола включала только одну ступень реактора синтеза метанола. Другой предпочтительный вариант осуществления способа отличается тем, что реакторная установка синтеза метанола включает множество ступеней реактора синтеза метанола, которые соединены последовательно с точки зрения технологической цепочки процесса. Каждая индивидуальная ступень реактора может включать один или несколько реакторов. Реакторы ступени реактора, в частности, могут быть расположены параллельно друг другу с точки зрения технологической цепочки процесса. Кроме этого, возможно, чтобы соответствующий поток непрореагировавшего остаточного газа был получен на каждой из множества ступеней реактора при помощи устройства отделения метанола.

То, что ступени реактора соединены последовательно с точки зрения технологической цепочки процесса, означает, что остаточный газ с одной ступени реактора, при условии, что это не последняя ступень реактора в последовательности ступеней реактора, подают непосредственно или косвенно на каждую последующую ступень реактора. В принципе, упомянутый выше рециркуляционный компрессор может быть как угодно расположен относительно множества ступеней реактора. Одним из вариантов является расположение рециркуляционного компрессора между двумя ступенями реактора с точки зрения технологической цепочки процесса. Это означает, что, по меньшей мере, часть непрореагировавшего остаточного газа с одной ступени реактора подают в рециркуляционный компрессор как поток остаточного газа, а затем поток остаточного газа повышенного давления подают на следующую по потоку ступень реактора.

В принципе, поток рециркулируемого Н может быть направлен любым образом при условии, что, по меньшей мере, часть этого водорода превращают в метанол. В этом отношении, в соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления способа является предпочтительным, чтобы поток рециркулируемого Н был добавлен в непрореагировавший остаточный газ ступени реактора, находящейся по потоку ниже первой ступени реактора с точки зрения технологической цепочки процесса. Другими словами, непрореагировавший водород потока рециркулируемого Н после добавления подвергают обработке вместе, по меньшей мере, с частью непрореагировавшего остаточного газа ступени реактора, отличной от первой ступени реактора.

Является предпочтительным, чтобы поток рециркулируемого Н был подан в рециркуляционный компрессор для увеличения давления вместе с потоком остаточного газа.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления способа предусматривается, что поток остаточного газа получен на ступени реактора, находящейся по потоку ниже технологически первой ступени реактора. Другими словами, поток остаточного газа, подаваемый в рециркуляционный компрессор, поступает не с первой ступени реактора, то есть, ступени реактора, на которую непосредственно подают поток синтез-газа, а со ступени, находящейся ниже по потоку. Также возможно, чтобы рециркуляционный компрессор подавал поток остаточного газа повышенного давления на первую ступень реактора, однако, в принципе, поток остаточного газа повышенного давления также может быть подан на другую ступень реактора из множества ступеней реактора.

Другой предпочтительный вариант осуществления предлагаемого способа отличается тем, что поток остаточного газа получают с той из множества ступеней реактора, которая расположена последней с точки зрения технологической цепочки процесса.

В принципе, отводимый поток может быть получен в любой точке и из любого источника в пределах реакторной установки синтеза метанола. Все, что требуется, это чтобы он содержал непрореагировавший водород непрореагировавшего остаточного газа первой ступени реактора. В первом предпочтительном варианте предусматривается, что отводимый поток, по меньшей мере частично, ответвляют от потока непрореагировавшего остаточного газа первой ступени реактора. Возможно, чтобы отводимый поток был, по меньшей мере частично, ответвлен по потоку выше рециркуляционного компрессора с точки зрения технологической цепочки процесса.

Однако, также возможно, что отводимый поток уже прошел через рециркуляционный компрессор и имеет повышенное давление. Таким образом, другой предпочтительный вариант осуществления способа отличается тем, что отводимый поток подают в установку извлечения водорода при давлении подачи, которое выше, чем давление остаточного газа, с которым поток остаточного газа поступает из реакторной установки синтеза метанола. Предпочтительная возможность увеличения давления отводимого потока состоит в том, что давление сначала повышают при помощи рециркуляционного компрессора. Соответственно, является предпочтительным, чтобы поток отводимого газа, по меньшей мере частично, был ответвлен от потока остаточного газа по потоку ниже рециркуляционного компрессора с точки зрения технологической цепочки процесса.

Однако, также возможно, чтобы в установку извлечения водорода поступало более одного потока, из которого получают водород. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления способа предусматривается, что, по меньшей мере, часть потока синтез-газа ответвляют для подачи в реактор конверсии водяного газа. Также возможно, чтобы весь поток синтез-газа был подан в реактор конверсии водяного газа. Также является предпочтительным, чтобы дополнительный отводимый поток был, по меньшей мере частично, получен из реактора конверсии водяного газа и подан в установку извлечения водорода для получения потока рециркулируемого Н. Другими словами, по меньшей мере, часть водорода потока рециркулируемого Н получают из этого дополнительного отводимого потока. Реактор конверсии водяного газа может входить в установку синтеза метанола.

В частности, по меньшей мере, часть оксида углерода в потоке синтез-газа может вступать в реакцию с образованием диоксида углерода и водорода в реакторе конверсии водяного газа посредством реакции конверсии водяного газа. Стехиометрическое соотношение может быть скорректировано для синтеза метанола путем повышения содержания водорода.

Также возможно, чтобы поток рециркулируемого Н сначала не был подан на первую ступень реакции. Согласно другому предпочтительному варианту осуществления способа предусматривается, что поток рециркулируемого Н добавляют в поток синтез-газа. А именно, это означает, что поток рециркулируемого Н подают по потоку ниже, чем поток синтез-газа из реакторной установки синтез-газа с точки зрения технологической цепочки процесса. Другими словами, поток рециркулируемого Н подают по потоку выше, чем поток синтез-газа первой ступени реактора с точки зрения технологической цепочки процесса. Однако, при подаче потока синтез-газа на первую ступень реакторной установки синтеза метанола водород потока рециркулируемого Н в итоге возвращается на первую ступень реактора.

Реакторная установка получения синтез-газа, помимо реактора для получения синтез-газа, может включать другие устройства. Так, реакторная установка получения синтез-газа может включать расположенные по потоку выше реактора с точки зрения технологической цепочки процесса устройство обессеривания потока углеродсодержащего энергоносителя, ступень насыщения для насыщения потока углеродсодержащего энергоносителя водой, печь предварительного реформинга для проведения предварительного реформинга углеродсодержащего энергоносителя и/или устройство нагревания потока углеродсодержащего энергоносителя.

В принципе, получение потока синтез-газа из потока энергоносителя может быть осуществлено любым образом. Является предпочтительным, чтобы для получения потока синтез-газа в реакторную установку получения синтез-газа был подан кислородсодержащий поток. В принципе, кислородсодержащий поток также может включать и другие компоненты помимо кислорода. Кислородсодержащий поток также может представлять собой окружающий воздух.

В принципе, поток синтез-газа может быть получен, например, путем парового реформинга потока углеродсодержащего энергоносителя. Другой предпочтительный вариант осуществления способа отличается тем, что поток синтез-газа получают в реакторной установке получения синтез-газа из потока углеродсодержащего энергоносителя путем автотермического реформинга. При автотермическом реформинге частичное каталитическое окисление является источником тепла для эндотермических реакций реформинга. По сравнению с простым паровым реформингом, автотермическому реформингу свойственно преимущество, заключающееся в том, что может быть получен поток синтез-газа с большим давлением. В качестве альтернативы или дополнительно, возможно, чтобы поток синтез-газа был получен из потока углеродсодержащего энергоносителя путем частичного окисления в реакторной установке получения синтез-газа.

В принципе, автотермический реформинг также можно проводить с окружающим воздухом. Однако, является предпочтительным, чтобы кислородсодержащий поток был получен из устройства разделения воздуха, предназначенного для получения из окружающего воздуха потока кислорода. Устройство разделения воздуха также может предусматривать получение потока азота. В частности, возможно, чтобы кислородсодержащий поток состоял, по существу, из кислорода. Таким образом, снижается доля инертных газов, присутствующих при синтезе метанола, следовательно, различные устройства установки могут иметь меньший размер.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления способа предусматривается, что поток рециркулируемого Н подают в поток энергоносителя. В частности, возможно, чтобы поток рециркулируемого Н был добавлен в поток энергоносителя по потоку выше реакторной установки получения синтез-газа с точки зрения технологической цепочки процесса.

Помимо потока рециркулируемого Н, на установке извлечения водорода могут быть получены другие потоки. Предпочтительно, на установке извлечения водорода получают продувочный поток. В частности, указанный продувочный поток может быть отведен на сжигание.

В принципе, поток рециркулируемого Н может иметь любой состав при условии, что он содержит непрореагировавший водород. В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления способа предусматривается, что поток непрореагировавшего Н характеризуется большим молярным содержанием водорода, чем отводимый поток. Другими словами, поток рециркулируемого Н обогащен водородом по сравнению с отводимым потоком. Также является предпочтительным, чтобы поток рециркулируемого Н характеризовался большим молярным содержанием водорода, чем продувочный поток.

В принципе, функционирование установки извлечения водорода может быть основано на любом принципе, например, на использовании мембраны или холодильной установки. Один из предпочтительных вариантов осуществления способа отличается тем, что установка извлечения водорода включает устройство адсорбции со сдвигом давления (pressure swing adsorption, PSA) с целью получения потока рециркулируемого Н из отводимого потока. Таким образом, на установке извлечения водорода может быть достигнут высокий уровень извлечения водорода. При этом, и потери давления в устройстве адсорбции со сдвигом давления также являются приемлемыми. В данном случае, по большому счету, высокая степень чистоты водорода не требуется, но может быть достигнута. Следовательно, возможно, чтобы поток рециркулируемого Н состоял, по существу, из водорода.

Предлагаемая установка предназначена для синтеза метанола. Она включает реакторную установку получения синтез-газа для получения потока синтез-газа, содержащего водород и оксиды углерода, из потока углеродсодержащего энергоносителя, реакторную установку синтеза метанола с первой ступенью реактора, устройство рекуперации тепла для отведения тепла от потока синтез-газа, установку извлечения водорода и рециркуляционный компрессор.

В предлагаемой установке поток синтез-газа подают на первую ступень реактора с целью частичного превращения в метанол и получают на реакторной установке получения синтез-газа с давлением при образовании, которое выше, чем давление синтеза, при котором поток синтез-газа на первой ступени реактора частичного превращают в метанол.

Кроме этого, в предлагаемой установке, на реакторной установке синтеза метанола получают поток остаточного газа, содержащий непрореагировавшие оксиды углерода, при этом, указанный поток остаточного газа подают в рециркуляционный компрессор с целью повышения давления потока остаточного газа, при этом, поток остаточного газа повышенного давления подают в реакторную установку синтеза метанола с целью частичного превращения в метанол, при этом, перед подачей на первую ступень реактора поток синтез-газа подают в устройство рекуперации тепла, при этом, в установку извлечения водорода подают отводимый поток, содержащий непрореагировавший водород непрореагировавшего остаточного газа первой ступени реактора с целью получения потока рециркулируемого Н, содержащего непрореагировавший водорода отводимого потока, при этом, указанный непрореагировавший водород отводимого потока снова подают на первую ступень реактора с целью, по меньшей мере частичного, преобразования в метанол.

Предлагаемый способ отличается тем, что давление непрореагировавшего водорода отводимого потока увеличивают только один раз при помощи рециркуляционного компрессора вместе с непрореагировавшими оксидами углерода с первой ступени реактора перед возвращением на первую ступень реактора.

Отличительные признаки, преимущества и свойства предлагаемой установки соответствуют отличительным признакам, преимуществам и свойствам предлагаемого способа, и наоборот.

Дополнительные детали, отличительные признаки, цели и преимущества настоящего изобретения пояснены ниже со ссылкой на чертежи, где представлены только варианты осуществления изобретения. На чертежах показано:

Фиг. 1: технологическая схема установки для осуществления предлагаемого способа в соответствии с первым вариантом осуществления,

Фиг. 2: технологическая схема установки для осуществления предлагаемого способа в соответствии со вторым вариантом осуществления,

Фиг. 3: технологическая схема установки для осуществления предлагаемого способа в соответствии с третьим вариантом осуществления,

Фиг. 4: технологическая схема установки для осуществления предлагаемого способа в соответствии с четвертым вариантом осуществления и

Фиг. 5: технологическая схема установки для осуществления предлагаемого способа в соответствии с пятым вариантом осуществления.

Установка, представленная на фиг. 1 и соответствующая первому варианту осуществления, предназначена для синтеза метанола 1 и может быть приведена в действие в соответствии с предлагаемым способом.

Поток 2 синтез-газа, состоящий, по существу, из водорода, монооксида углерода и диоксида углерода, получают из потока 11 энергоносителя, образуемого природным газом и, следовательно, содержащего углерод, при этом, указанный поток энергоносителя подают в реакторную установку 13 получения синтез-газа. В реакторной установке 13 получения синтез-газа проводят автотермический реформинг с целью получения потока 2 синтез-газа. Для проведения автотермического реформинга подают кислородсодержащий поток 22, полученный, в данном случае, в устройстве 23 разделения воздуха и состоящий, по существу, из кислорода. Устройство 23 разделения воздуха предназначено для получения потока кислорода, в данном случае, кислородсодержащего потока 22, из окружающего воздуха. Получаемый поток 2 синтез-газа при образовании имеет давление, со существу, 80 бар.

Сначала поток 2 синтез-газа подают в устройство рекуперации тепла, в котором охлаждают поток 2 синтез-газа и, таким образом, отводят часть тепла автотермического реформинга. Поток 2 синтез-газа первой ступени 21а реактора затем подают в реакторную установку 4 синтеза метанола, в которой имеет место первая ступень 21а реактора синтеза метанола, и, по меньшей мере, часть потока синтез-газа преобразуется в метанол 1. Синтез метанола проводят при давлении синтеза более 70 бар. Следовательно, нет необходимости в компрессоре синтез-газа для повышения давления потока 2 синтез-газа.

Установка синтеза метанола включает установку 5 извлечения водорода, выполненную как устройство 24 адсорбции со сдвигом давления, которое также может быть названо PSA, где из отводимого потока 6 получают поток 7 рециркулируемого Н, при этом, поток 7 рециркулируемого Н состоит, по существу, из водорода. Из установки 5 извлечения водорода также отводят остаточный газ в форме продувочного потока 8, который затем сжигают в огневом нагревательном устройстве данной установки (на чертеже не показано). Поток 7 рециркулируемого Н подают в поток 2 синтез-газа.

Как показано на фиг. 1, установка первого варианта осуществления изобретения также включает рециркуляционный компрессор 14, который сжимает поток 15 остаточного газа. Поток 15 остаточного газа содержит непрореагировавший остаточный газ 16b, который, в свою очередь, содержит, по существу, те компоненты синтез-газа, которые не были преобразованы в метанол 1 в реакторной установке 4 синтеза метанола. Соответственно, поток 15 остаточного газа содержит, в частности, непрореагировавшие оксиды углерода. Поток 15 остаточного газа, давление которого увеличено, снова подают в реакторную установку 4 синтеза метанола в первую часть.

Непрореагировавший остаточный газ 16а, b получают из устройства 17 отделения метанола реакторной установки 4 синтеза метанола, которое, в данном случае, включает два устройства 18а, b конденсации. В каждом из них путем конденсации получают непрореагировавший остаточный газ 16а, b, с одной стороны, и соответствующий поток 19а, b неочищенного метанола, с другой стороны. Потоки 19а, b неочищенного метанола затем подают на дистилляцию 20, таким образом, из потоков 19а, b неочищенного метанола может быть получен метанол 1.

В установке показанного на фиг.1 варианта осуществления реакторная установка 4 синтеза метанола включает две ступени 21а, b реактора, соединенных последовательно с точки зрения технологической цепочки процесса синтеза метанола. В данном варианте осуществления первая ступень 21а реактора включает два изотермических реактора, расположенных параллельно друг другу, а вторая ступень 21b реактора включает один изотермический реактор. Поток продукта с соответствующей ступени 21а, b реактора подают в каждый из двух устройств 18а, b конденсации. Та ступень 21а реактора, на которую поток 2 синтез-газа подают непосредственно, называется первой ступенью 21а реактора. Ступень 21b реактора находится по потоку ниже первой ступени 21а реактора с точки зрения технологической цепочки процесса, и непрореагировавший остаточный газ 16а с первой ступени 21а реактора подают на нее с целью превращения в метанол 1.

В показанном на фиг.1 варианте осуществления изобретения отводимый поток 6 ответвляют от потока 15 остаточного газа, давление которого было увеличено в рециркуляционном компрессоре. Поток 15 остаточного газа, подаваемый в рециркуляционный компрессор 14, получен не из непрореагировавшего остаточного газа 16а первой ступени 21а реактора, а из непрореагировавшего остаточного газа 16b ступени реактора, находящейся ниже по потоку, чем первая ступень 21а реактора с точки зрения технологической цепочки процесса, то есть, второй ступени 21b реактора.

Тем не менее, поток 15 остаточного газа, помимо уже упомянутых непрореагировавших оксидов углерода, также содержит непрореагировавший водород первой ступени 21а реактора. Любой непрореагировавший водород из остаточного газа 16а первой ступени 21а реактора подают на вторую ступень 21b реактора. Поскольку на второй ступени 21b реактора водород также не полностью вступает в реакцию, непрореагировавший остаточный газ 16b со второй ступени 21b реактора также содержит непрореагировавший водород первой ступени 21а реактора.

Поскольку отводимый поток 6 был ответвлен от потока 15 остаточного газа повышенного давления, поток 7 рециркулируемого Н также содержит непрореагировавший водород из остаточного газа 16а первой ступени 21а реактора. В частности, вторую часть потока 15 остаточного газа повышенного давления ответвляют как отводимый поток 6. Поскольку поток 7 рециркулируемого Н добавляют в поток 2 синтез-газа, непрореагировавший водород из остаточного газа 16а первой ступени 21а реактора снова поступает в отводимый поток 6 первой ступени 21а реактора для преобразования в метанол. Однако, между выходом с первой ступени 21а реактора и возвращением на первую ступень 21а реактора непрореагировавший водород из отводимого потока 6 как компонент потока 15 остаточного газа подвергается повышению давления в рециркуляционном компрессоре 14 только один раз вместе с непрореагировавшими оксидами углерода в потоке 15 остаточного газа. Поток 15 остаточного газа, сжатый в рециркуляционном компрессоре 14, затем, в свою очередь, подают непосредственно на первую ступень 21а реактора в уже упоминавшуюся первую часть.

Второй вариант осуществления предлагаемой установки, показанный на фиг. 2, отличается от варианта осуществления, показанного на фиг. 1, тем, что рециркуляционный компрессор 14 расположен с точки зрения технологической цепочки процесса между первой ступенью 21а реактора и ступенью 21b реактора, находящейся ниже по потоку. Следовательно, поток 15 остаточного газа, подаваемый в рециркуляционный компрессор 14, получен из непрореагировавшего остаточного газа 16а первой ступени 21а реактора. Поток 15 остаточного газа, содержащий непрореагировавшие оксиды углерода, сжатый в рециркуляционном компрессоре 14, подают на ступень 21b реактора, расположенную по потоку ниже первой ступени 21а реактора. Непрореагировавший остаточный газ 16b с этой ступени 21b реактора возвращают на первую ступень 21а реактора без дополнительного сжатия. В отличие от первого варианта осуществления, отводимый поток 6 получают из непрореагировавшего остаточного газа 16а первой ступени 21а реактора, при этом, отводимый поток 6 ответвляют по потоку ниже рециркуляционного компрессора 14 с точки зрения технологической цепочки процесса в соответствии с первым вариантом осуществления. Следовательно, и во втором варианте осуществления изобретения увеличение при помощи рециркуляционного компрессора 14 давления непрореагировавшего водорода из остаточного газа 16а первой ступени 21а реактора в отводимом потоке 6, содержащем непрореагировавшие оксиды углерода, также происходит только один раз, перед возвращением непрореагировавшего водорода на первую ступень 21а реактора.

В третьем варианте осуществления, показанном на фиг. 3, отводимый поток 6 получают из остаточного газа 16а первой ступени 21а реактора так же, как и во втором варианте осуществления. Однако, в отличие от второго варианта осуществления, между первой ступенью 21а реактора и второй ступенью 21b реактора нет рециркуляционного компрессора 14. Напротив, как и в первом варианте осуществления, рециркуляционный компрессор 14 расположен по потоку ниже второй ступени 21b реактора с точки зрения технологической цепочки процесса.

В отличие от первого и второго вариантов осуществления, в третьем варианте осуществления поток 7 рециркулируемого Н подают в остаточный газ 16b второй ступени 21b реактора, расположенной по потоку ниже первой ступени 21а реактора. В частности, подачу осуществляют до увеличения давления в рециркуляционном компрессоре 14. Водород в потоке 7 рециркулируемого Н, соответствующий непрореагировавшему водороду остаточного газа 16а первой ступени 21а реактора в отводимом потоке 6, претерпевает увеличение давления в рециркуляционном компрессоре 14 вместе с другим непрореагировавшим остаточным газом 16b второй ступени 21b реактора, в частности, с непрореагировавшими оксидами углерода. Увеличение давления имеет место только один раз перед возвращением непрореагировавшего водорода на первую ступень 21а реактора, что компенсирует отсутствие увеличения давления из-за отсутствия компрессора синтез-газа.

Кроме этого, в третьем варианте осуществления предусматривается, что часть потока 15 остаточного газа повышенного давления ответвляют и подают в поток 11 энергоносителя. Однако, также можно обойтись без ответвления части потока 15 остаточного газа повышенного давления.

Установка четвертого варианта осуществления, показанного на фиг. 4, соответствует третьему варианту осуществления, показанному на фиг. 3. Однако, в ней имеется реактор 9 конверсии водяного газа, в который часть потока 2 синтез-газа подают после его прохождения через устройство 10 рекуперации тепла. Реакция конверсии водяного газа, которую проводят в реакторе 9 конверсии водяного газа, приводит к увеличению содержания водорода в ответвляемой части потока 2 синтез-газа. Часть потока 2 синтез-газа из реактора 9 конверсии водяного газа, которую отвели для проведения реакции конверсии водяного газа, образует в данном случае дополнительный отводимый поток, который подают в установку 5 извлечения водорода вместе с отводимым потоком 6. Так же, как и в варианте осуществления, показанном на фиг. 3, поток 7 рециркулируемого Н добавляют к остаточному газу 16b второй ступени 21b реактора, расположенной по потоку ниже первой ступени 21а реактора, так что и в этом варианте осуществления происходит однократное увеличение давления в рециркуляционном компрессоре 14 вместе с непрореагировавшими оксидами углерода.

В пятом варианте осуществления, представленном на фиг. 5, предусматривается размещение рециркуляционного компрессора 14 между ступенями 21а, b реакторной установки 4 синтеза метанола, как и во втором варианте осуществления, на котором основан пятый вариант. В отличие от второго варианта осуществления, отводимый поток 6 получают из остаточного газа 16b второй ступени 21b реактора. Водород в этом отводимом потоке 6 один раз подвергают увеличению давления в рециркуляционном компрессоре, а именно, до его подачи на вторую ступень 21b реактора.

Изобретение относится к способу синтеза метанола (1). В данном способе поток (11) углеродсодержащего энергоносителя подают в реакторную установку (13) получения синтез-газа для получения потока (2) синтез-газа, содержащего водород и оксиды углерода. Далее поток (2) синтез-газа подают на первую ступень (21а) реакторной установки (4) синтеза метанола для частичного превращения в метанол (1), при этом поток (2) синтез-газа, получаемый на реакторной установке (13) получения синтез-газа, имеет при образовании более высокое давление, чем давление синтеза, при котором поток (2) синтез-газа на первой ступени (21а) реактора частично преобразуется в метанол (1). Причем на реакторной установке (4) синтеза метанола получают поток (15) остаточного газа, содержащий непрореагировавшие оксиды углерод. Далее поток (15) остаточного газа подают в рециркуляционный компрессор (14) с целью увеличения давления потока (15) остаточного газа, при этом поток (15) остаточного газа повышенного давления подают в реакторную установку (4) синтеза метанола для частичного превращения в метанол. Перед подачей на первую ступень (21а) реактора поток (2) синтез-газа подают в устройство (10) рекуперации тепла для отведения тепла потока (2) синтез-газа, при этом отводимый поток (6), содержащий непрореагировавший водород из непрореагировавшего остаточного газа (16а) первой ступени (21а) реактора, подают в установку (5) извлечения водорода для получения потока (7) рециркулируемого Н, содержащего непрореагировавший водород отводимого потока (6), и снова подают непрореагировавший водород отводимого потока (6) на первую ступень (21а) реактора с целью, по меньшей мере, частичного превращения в метанол (1). Причем давление непрореагировавшего водорода отводимого потока (6) первой ступени (21а) реактора перед возвращением на первую ступень (21а) реактора увеличивают только один раз при помощи рециркуляционного компрессора (14) вместе с непрореагировавшими оксидами углерода. Изобретение также относится к соответствующей установке синтеза метанола (1). Технический результат - усовершенствование и дальнейшее развитие известного из предшествующего уровня техники способа синтеза метанола без компрессора синтез-газа и известной из предшествующего уровня техники установки синтеза метанола без компрессора синтез-газа, в которых не требуется отдельного компрессора для возвращаемого водорода, и рециркуляционный компрессор может иметь меньший размер. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ синтеза метанола (1), в котором поток (11) углеродсодержащего энергоносителя подают в реакторную установку (13) получения синтез-газа для получения потока (2) синтез-газа, содержащего водород и оксиды углерода, при этом поток (2) синтез-газа подают на первую ступень (21а) реакторной установки (4) синтеза метанола для частичного превращения в метанол (1), при этом поток (2) синтез-газа, получаемый на реакторной установке (13) получения синтез-газа, имеет при образовании более высокое давление, чем давление синтеза, при котором поток (2) синтез-газа на первой ступени (21а) реактора частично преобразуется в метанол (1), при этом на реакторной установке (4) синтеза метанола получают поток (15) остаточного газа, содержащий непрореагировавшие оксиды углерода, при этом указанный поток (15) остаточного газа подают в рециркуляционный компрессор (14) с целью увеличения давления потока (15) остаточного газа, при этом поток (15) остаточного газа повышенного давления подают в реакторную установку (4) синтеза метанола для частичного превращения в метанол, при этом перед подачей на первую ступень (21а) реактора поток (2) синтез-газа подают в устройство (10) рекуперации тепла для отведения тепла потока (2) синтез-газа, при этом отводимый поток (6), содержащий непрореагировавший водород из непрореагировавшего остаточного газа (16а) первой ступени (21а) реактора, подают в установку (5) извлечения водорода для получения потока (7) рециркулируемого Н, содержащего непрореагировавший водород отводимого потока (6), и снова подают непрореагировавший водород отводимого потока (6) на первую ступень (21а) реактора с целью, по меньшей мере, частичного превращения в метанол (1), отличающийся тем, что давление непрореагировавшего водорода отводимого потока (6) первой ступени (21а) реактора перед возвращением на первую ступень (21а) реактора увеличивают только один раз при помощи рециркуляционного компрессора (14) вместе с непрореагировавшими оксидами углерода.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что реакторная установка (4) синтеза метанола включает устройство (17) отделения метанола, предназначенное для получения непрореагировавшего остаточного газа (16а) первой ступени (21а) реактора и потока (19а) неочищенного метанола первой ступени (21а), в частности устройство (17) отделения метанола включает устройство (18а) конденсации для получения непрореагировавшего остаточного газа (16а) первой ступени (21а) реактора и потока (19а) неочищенного метанола первой ступени (21а) реактора путем конденсации.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что часть потока (15) остаточного газа повышенного давления ответвляют и подают в реакторную установку (13) получения синтез-газа, предпочтительно, ответвленную часть потока (15) остаточного газа повышенного давления подают в поток (11) энергоносителя.

4. Способ по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что реакторная установка (4) синтеза метанола включает множество ступеней (21а, b) реактора синтеза метанола, которые соединены последовательно с точки зрения технологической цепочки процесса и предназначены для синтеза метанола, предпочтительно, рециркуляционный компрессор (14) расположен между двумя ступенями (21а, b) реактора с точки зрения технологической цепочки процесса, в частности, при помощи устройства (17) отделения метанола получают непрореагировавший остаточный газ (16а, b) каждой из множества ступеней (21а, b) реактора.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что поток (7) рециркулируемого Н подают в непрореагировавший остаточный газ (16b) на ступени (21b) реактора, находящейся по потоку ниже первой ступени (21а) реактора с точки зрения технологической цепочки процесса, предпочтительно, поток (7) рециркулируемого Н подают в рециркуляционный компрессор (14) для увеличения давления вместе с потоком (15) остаточного газа.

6. Способ по п. 4 или 5, отличающийся тем, что поток (15) остаточного газа получают на ступени (21b) реактора, находящейся по потоку ниже первой ступени (21а) реактора с точки зрения технологической цепочки процесса, в частности, что рециркуляционный компрессор (14) подает поток (15) остаточного газа повышенного давления на первую ступень (21а) реактора.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что поток (15) остаточного газа получают на той ступени (21b) реактора из множества ступеней (21а, b) реактора, которая является последней с точки зрения технологической цепочки процесса.

8. Способ по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что отводимый поток (6), по меньшей мере частично, ответвляют от потока (16а) непрореагировавшего остаточного газа первой ступени (21а) реактора, более предпочтительно, отводимый поток (6), по меньшей мере частично, ответвляют по потоку выше рециркуляционного компрессора (14) с точки зрения технологической цепочки процесса.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что отводимый поток (6) подают в установку (5) извлечения водорода при давлении подачи, которое выше, чем давление остаточного газа, с которым поток (15) остаточного газа поступает из реакторной установки синтеза метанола, предпочтительно, поток (6) отводимого газа, по меньшей мере частично, ответвляют от потока (15) остаточного газа по потоку ниже рециркуляционного компрессора (14) с точки зрения технологической цепочки процесса.

10. Способ по одному из пп. 1-9, отличающийся тем, что поток (7) рециркулируемого Н подают в поток (2) синтез-газа.

11. Способ по одному из пп. 1-10, отличающийся тем, что для получения потока (2) синтез-газа в реакторную установку (13) получения синтез-газа подают кислородсодержащий поток (22), в частности, что поток (2) синтез-газа получают в реакторной установке (13) получения синтез-газа путем автотермического реформинга или частичного окисления потока (11) углеродсодержащего энергоносителя, более предпочтительно, что кислородсодержащий поток (22) получают из устройства (23) разделения воздуха, предназначенного для получения из окружающего воздуха потока кислорода, а также, в частности, что кислородсодержащий поток (22) состоит, по существу, из кислорода.

12. Способ по одному из пп. 1-11, отличающийся тем, что поток (7) рециркулируемого Н подают в поток (11) энергоносителя, в частности, по потоку выше реакторной установки (13) получения синтез-газа с точки зрения технологической цепочки процесса, предпочтительно, что на установке (5) извлечения водорода получают продувочный поток (8), который затем отводят, в частности, на сжигание.

13. Способ по одному из пп. 1-12, отличающийся тем, что поток (7) рециркулируемого Н характеризуется большим молярным содержанием водорода, чем отводимый поток (6), предпочтительно, поток (7) рециркулируемого Н характеризуется большим молярным содержанием водорода, чем продувочный поток (8).

14. Способ по одному из пп. 1-13, отличающийся тем, что установка (5) извлечения водорода включает устройство (24) адсорбции со сдвигом давления с целью получения потока (7) рециркулируемого Н из отводимого потока (6), более предпочтительно, что поток (7) рециркулируемого Н состоит, по существу, из водорода.

15. Установка синтеза метанола (1), включающая реакторную установку (13) получения синтез-газа для получения потока (2) синтез-газа, содержащего водород и оксиды углерода, из потока (11) углеродсодержащего энергоносителя, реакторную установку (4) синтеза метанола с первой ступенью (21а) реактора, устройство (10) рекуперации тепла для отведения тепла от потока (2) синтез-газа, установку (5) извлечения водорода и рециркуляционный компрессор (14), при этом поток (2) синтез-газа подают на первую ступень (21а) реактора для частичного превращения в метанол (1) и получают на реакторной установке (13) получения синтез-газа с давлением при образовании, которое выше, чем давление синтеза, при котором поток (2) синтез-газа на первой ступени (21а) реактора частично преобразуется в метанол, при этом на реакторной установке (4) синтеза метанола получают поток (15) остаточного газа, содержащий непрореагировавшие оксиды углерода, при этом указанный поток (15) остаточного газа подают в рециркуляционный компрессор (14) для повышения давления потока (15) остаточного газа, при этом поток (15) остаточного газа повышенного давления подают в установку (4) синтеза метанола для частичного превращения в метанол (1), при этом поток (2) синтез-газа перед подачей на первую ступень (21а) реактора подают в устройство (10) рекуперации тепла, при этом в устройство (5) извлечения водорода подают отводимый поток (6), содержащий непрореагировавший водород непрореагировавшего остаточного газа (16а) первой ступени (21а) реактора для получения потока (7) рециркулируемого Н, содержащего непрореагировавший водород отводимого потока (6), при этом непрореагировавший водород отводимого потока (6) снова подают на первую ступень (21а) реактора для, по меньшей мере, частичного превращения в метанол (1), отличающаяся тем, что давление непрореагировавшего водорода отводимого потока (6) первой ступени (21а) реактора перед возвращением на первую ступень (21а) реактора увеличивают только один раз при помощи рециркуляционного компрессора (14) вместе с непрореагировавшими оксидами углерода.