СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАНОЛА Российский патент 2023 года по МПК C07C29/152 C07C31/04 C01B3/36 C01B3/48 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области газопереработки, а именно, к способу получения метанола из синтез-газа, полученного в реакторе автотермического риформинга природного газа (последовательная комбинация матричной и паровой конверсии природного газа) с использованием кислорода в качестве окислителя.

Уровень техники

Из уровня техники [патент RU 2374173 С1, опубл. 27.11.2009] известен способ получения синтез-газа при горении смеси углеводородного сырья с окислителем с коэффициентом избытка окислителя менее 1 при температуре менее 1400 К внутри полости, полностью или частично образованной объемной матрицей, проницаемой для смеси газа с окислителем. Ввод смеси углеводородного сырья с окислителем производят через проницаемое дно полости, или через проницаемые стенки полости, или через проницаемые стенки и дно полости, а вывод продуктов горения - через верхнее сечение полости. Смесь углеводородного сырья с окислителем или один из этих газов в полном объеме или частично перед вводом в полость нагревают за счет тепла, выделяемого продуктами горения. Матрицу дополнительно подогревают тепловым излучением, отраженным от проницаемого для продуктов горения экрана, размещенного в полости матрицы.

Недостатком данного способа является низкая конверсия исходного углеводородного сырья, нестабильность процесса конверсии, сопровождаемого большими колебаниями температуры рабочей поверхности матрицы и, соответственно, состава получаемого синтез-газа, что также приводит к повышенному сажеобразованию и необходимости мер по очистке получаемого синтез-газа от сажи.

Из уровня техники [патент RU 2780881 С1, опубл. 04.10.2022] известен способ получения метанола из природного газа, характеризующийся тем, что включает в себя следующие стадии: получают синтез-газ парциальным окислением природного газа в матричном конверторе при давлении 1-5 атм, причем в качестве окислителя используют кислород воздуха, а коэффициент избытка окислителя составляет 0,32-0,34, затем полученный синтез-газ охлаждают до температуры 35-40°С, осушают, компримируют до давления 40-45 атм, нагревают до температуры 200-210°С и последовательно подают в два проточных изотермических трубчатых реактора синтеза метанола. Данное техническое решение выбрано за прототип.

Недостатком прототипа является то, что для синтеза метанола используется забалластированный азотом синтез-газ, что приводит к увеличению затрат энергии на стадии компримированния, снижает удельную производительность стадии синтеза метанола, и, как следствие, повышает капиталоемкость данной стадии. Получаемый описанным в прототипе способом синтез-газ содержит водород и СО в соотношении менее 2,0. В то время как для эффективного синтеза метанола необходимо, чтобы соотношение водород к СО было больше стехиометрического, то есть не ниже 2,0 (оптимальным более 2,2). Такое содержание водорода невозможно получить только матричной конверсией (парциальным окислением) природного газа. При соотношении водород к СО ниже стехиометрического, в отходящем синтез-газе будет повышенное содержание непрореагировавшего СО, что повысит удельный расход природного газа на выработку метанола. Также в прототипе не указано каким образом избавляться от сажи, которая обязательно получается при парциальном окислении метана в синтез-газ.

Раскрытие сущности изобретения

В настоящем изобретении предлагается эффективный способ получения метанола из природного газа, без образования сажи на стадии получения синтез-газа, который позволит получать метанол непосредственно на газовом месторождении и использовать его в качестве ингибитора образования газовых гидратов.

Техническая задача настоящего изобретения состояла в эффективном получении метанола непосредственно на газовом месторождении без использования капитало- и энергоемкой каталитической стадии паровой конверсии природного газа.

Технический результат настоящего изобретения заключается в получении метанола концентрацией 85-90 мас. %, с низким остаточным содержанием СО в непрореагировавшем синтез-газе. Дополнительным преимуществом предлагаемого изобретения является снижение энергетических затрат, связанных с компримированнием синтез-газа с высоким содержанием азота, увеличение удельной производительности, а значит и снижение капиталоемкости стадии синтеза метанола, и снижение сажеобразования на стадии получения синтез-газа.

Указанный технический результат достигается за счет использования в присутствии водяного пара комбинации матричной и паровой конверсии природного газа в одном реакторе для получения синтез-газа для синтеза метанола в каскаде из двух проточных изотермических трубчатых реакторов.

Более подробно, технический результат достигается способом получения метанола из природного газа, который включает в себя следующие стадии: получают синтез-газ совмещенной матричной и паровой конверсией природного газа в реакторе автотермического риформинга при давлении 1-20 атм, причем в качестве окислителя используют кислород, а коэффициент избытка окислителя составляет 0,32-0,34, также подмешивают к исходным реагентам водяной пар в мольном соотношении природный газ/водяной пар равном 1 к 1, затем полученный синтез-газ охлаждают до температуры 35-40°С, осушают, компримируют до давления 40-45 атм, нагревают до температуры 200-210°С и последовательно подают в два проточных изотермических трубчатых реактора синтеза метанола.

В еще одном из вариантов заявленного изобретения на стадии синтеза метанола в межтрубном пространстве трубчатых реакторов находится вода при температуре 200-210°С и давлении 15-18 атм, а внутри труб находится медьсодержащий катализатор синтеза метанола, работающий при температуре 200-220°С и давлении 40-45 атм, при этом конверсия СО за проход составляет 45-55% в первом реакторе и 40-50% во втором реакторе.

В соответствии с настоящим изобретением природный газ в реакторе автотермического риформинга на первой стадии окисляется кислородом в присутствии водяного пара (матричная конверсия) при давлении 1-5 атм, затем полученный синтез-газа поступает на вторую стадию, где протекает на цинксодержащем катализаторе каталитическая паровая конверсия непрореагировавшего метана и СО. Получаемый синтез-газ состоит из Н₂, СО, СО₂, непрореагировавшего метана и воды, при этом соотношение Н₂/СО составляет 2,0-2,5, сажа отсутствует.

Далее синтез-газ охлаждается до температуры 35-40°С, осушается и компримируется до давления 40-45 атм.

Осушенный синтез-газ нагревается до Т=200-220°С и подается в первый проточный изотермический трубчатый реактор синтеза метанола, в котором при Т=200-220°С происходит конверсия СО в метанол. Степень превращения СО за проход составляет 45-55%. Полученный продуктовый газ охлаждается до Т=35-40°С, полученный метанол сепарируется, а осушенный непрореагировавший синтез-газ подается во второй проточный изотермический трубчатый реактор синтеза метанола, в котором при Т=210-220°С происходит конверсия СО в метанол. Степень превращения СО за проход составляет 45-55%. Полученный продуктовый газ охлаждается до Т=35-40°С, полученный метанол сепарируется, а осушенный непрореагировавший синтез-газ направляется на утилизацию.

При осуществлении заявленного способа для стадии получается синтез-газ с мольным соотношением водород к СО выше стехиометрического, для компримированния синтез-газа, незабалластированного азотом, требуется меньше энергии, чем на компримированние синтез-газа с высоким содержанием азота. Использование водяного пара на стадии парциального окисления ингибирует образование сажи. Достигается высокая глубина конверсии СО.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена схема получения метанола из синтез-газа, полученного совмещенной матричной и паровой конверсией природного газа. Способ включает: стадию совмещенной конверсии (СК), теплообменник низкого давления (теплообменник 1), включающий в себя секции генерации пара, рекуперации тепла и водяного охлаждения, сепаратор синтез-газа, компрессор синтез-газа, первый реактор синтеза метанола, первый теплообменник высокого давления, включающий в себя секции рекуперации тепла и водяного охлаждения (теплообменник 2), сепаратор высокого давления первого реактора синтеза метанола (СЕП 1), второй реактор синтеза метанола, второй теплообменник высокого давления, включающий в себя секции рекуперации тепла и водяного охлаждения (теплообменник 3), и сепаратор высокого давления второго реактора синтеза метанола (СЕП 2). Потоки: / - природный газ, II - воздух, II - водяной пар, IV - синтез-газ после совмещенной конверсии, V - осушенный синтез-газ, VI -непрореагировавшая и продуктовая вода со стадии совмещенной конверсии природного газа, VII - компримированный синтез-газ, VIII - продуктовый поток первого реактора синтеза метанола, IX - метанол-сырец первого реактора, X - осушенный синтез-газ после первого реактора метанола, XI - продуктовый поток второго реактора синтеза метанола, XII - метанол-сырец второго реактора, XIII - осушенный синтез-газ после второго реактора метанола.

Осуществление изобретения

Пример 1

Природный газ (I) давлением 1 атм подают на стадию совмещенной конверсии (СК), где смешивают с кислородом (II) и водяным паром (III), коэффициент избытка окислителя (кислорода) составляет 0,32., мольное соотношение природный газ/водяной пар 1 к 1. Получают синтез-газ (IV) температурой 850°С и следующего состава, об. %: Н₂=58, СО=25, CO₂=9, СН₄=5, Н₂О=3. Затем тепло синтез-газа использует для выработки водяного пара и нагрева синтез-газа поступающего в первый реактор синтеза метанола, охлаждают синтез-газ до Т=35°С, осушают от воды (VI), компримируют (V) до 40 атм, нагревают до Т=200°С и подают (VII) в первый реактор синтеза метанола, где на медьсодержащем катализаторе, протекает конверсия СО и Н₂ в метанол. Продуктовый поток (VIIT), содержащий, об.%: Н₂=57, СО=23, CO₂=8, СН₄=1, СН₃ОН=10, H₂O=1, охлаждают до Т=35°С, из него вьщеляют метанол-сырец (IX) и затем нагревают его до Т=210°С и подают (X) во второй реактор конверсии СО в метанол. Продуктовый поток после второго реактора (XI) состоит из, об. %: Н₂=60, СО=20, CO₂=7, СН₄=0, СН₃ОН=11, H₂O=2. Продуктовый поток охлаждается до Т=35°С, из него вьщеляют метанол-сырец (XII), а газ (XIII), содержащий СО и водород, может использоваться как топливо для выработки тепловой энергии. Конверсия СО за проход составляет 45% в первом реакторе и 50% во втором реакторе. Содержание метанола в метаноле-сырце составляет 85 %мас. Сажа в потоке (VI) отсутствует.

Пример 2

Природный газ (Г) давлением 5 атм подают на стадию совмещенно конверсии (СК), где смешивают с кислородом (II) и водяным паром (III), коэффициент избытка окислителя (кислорода) составляет 0,34., мольное соотношение природный газ/водяной пар 1 к 1. Получают синтез (IV) газ температурой 920°С и следующего состава, об. %: Н₂=60, СО=25, CO₂=8, СН₄=2, H₂O=5. Затем тепло синтез-газа использует для выработки водяного пара и нагрева синтез-газа поступающего в первый реактор синтеза метанола, охлаждают синтез-газ до Т=40°С, осушают от воды (VI), компримируют (V) до 45 атм, нагревают до Т=210°С и подают (VII) в первый реактор синтеза метанола, где на медьсодержащем катализаторе, протекает конверсия СО в метанол. Продуктовый поток (VIII), содержащий, об. %: Н₂=62, СО=20, CO₂=9, СН₄=0, СН₃ОН=8, H₂O=1, охлаждают до Т=40°С, из него выщеляют метанол-сырец (IX) и затем нагревают его до Т=210°С и подают (X) во второй реактор конверсии СО в метанол. Продуктовый поток после второго реактора (XI) состоит из, об. %: Н₂=63, СО=18, CO₂=7, СН₄=0, СН₃ОН=10, H₂O=2. Продуктовый поток охлаждается до Т=40°С, из него выделяют метанол-сырец (XII), а газ (XIII), содержащий СО и водород, может использоваться как топливо для выработки тепловой энергии, за проход составляет 55% в первом реакторе и 40% во втором реакторе. Содержание метанола в метаноле-сырце составляет 90 %мас. Сажа в потоке (VI) отсутствует.

Настоящее изобретение относится к способу получения метанола из природного газа. Данный способ характеризуется тем, что включает следующие стадии: получают синтез-газ совмещенной матричной и паровой конверсией природного газа в реакторе автотермического риформинга при давлении 1-5 атм, причем в качестве окислителя используют кислород, а коэффициент избытка окислителя составляет 0,32-0,34, также подмешивают водяной пар в мольном соотношении природный газ/водяной пар равном 1 к 1. Далее полученный синтез-газ охлаждают до температуры 35-40°С, осушают, компримируют до давления 40-45 атм, нагревают до температуры 200-210°С и последовательно подают в два проточных изотермических трубчатых реактора синтеза метанола. Технический результат - получение метанола концентрацией 85-90 мас.%, с низким остаточным содержанием СО в непрореагировавшем синтез-газе, а также снижение энергетических затрат, связанных с компримированием синтез-газа с высоким содержанием азота, увеличение удельной производительности, а значит и снижение капиталоемкости стадии синтеза метанола, и снижение сажеобразования на стадии получения синтез-газа. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр.

1. Способ получения метанола из природного газа, характеризующийся тем, что включает в себя следующие стадии: получают синтез-газ совмещенной матричной и паровой конверсией природного газа в реакторе автотермического риформинга при давлении 1-5 атм, причем в качестве окислителя используют кислород, а коэффициент избытка окислителя составляет 0,32-0,34, также подмешивают водяной пар в мольном соотношении природный газ/водяной пар равном 1 к 1, затем полученный синтез-газ охлаждают до температуры 35-40°С, осушают, компримируют до давления 40-45 атм, нагревают до температуры 200-210°С и последовательно подают в два проточных изотермических трубчатых реактора синтеза метанола.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на стадии синтеза метанола в межтрубном пространстве трубчатых реакторов находится вода при температуре 200-210°С и давлении 15-18 атм, а внутри труб находится медьсодержащий катализатор синтеза метанола, работающий при температуре 200-200°С и давлении 40-45 атм, при этом конверсия СО за проход составляет 45-55% в первом реакторе и 40-50% во втором реакторе.