УСТАНОВКА И СПОСОБ ДЛЯ СИНТЕЗА МЕТАНОЛА С ПРИМЕНЕНИЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2024 года по МПК B01J19/00 C07C29/151 C07C31/04 

Область техники

Настоящее раскрытие относится к применению возобновляемой энергии в синтезе метанола; более конкретно, настоящее раскрытие относится к электрификации установки синтеза метанола; ещё конкретнее, настоящее раскрытие относится к снижению выбросов в окружающую среду, например, диоксида углерода, за счёт уменьшения сжигания углеводородов (например, природного газа/ископаемых топлив) в качестве топлива на установке синтеза метанола.

Предшествующий уровень техники

Установки химического синтеза используют для получения разнообразных химических продуктов. Часто специально предназначенное для этого топливо сжигают или «подвергают сгоранию» с целью получения теплоты реакции для химического синтеза, энергии для нагревания одного или нескольких технологических потоков, энергии для испарения жидкостей (например, кипящей воды, используемой в качестве разбавителя), энергии для совершения работы (например, приведения в действие компрессора или насоса), или энергии для других технологических операции на всей установке химического синтеза. Такое сжигание или сгорание топлив приводит к образованию топочных газов, которые могут быть вредными для окружающей среды, а также к потере энергоэффективности процесса. Аналогичным образом, часто традиционно используют пар в качестве текучей среды для передачи тепла и/или энергии во всём объёме установок химического синтеза. Пар, используемый для переноса тепла и/или энергии, часто производят за счёт сгорания топлива, что приводит к образованию добавочного топочного газа и дополнительным потерям энергоэффективности в ходе химического синтеза. К тому же, использование в качестве топлива материала, который в ином случае можно было бы использовать как реагент для сгорания, также уменьшает количество требуемого химического продукта, производимого на установке химического синтеза из данного количества материала. Соответственно, существует потребность в усовершенствованных системах и способах химического синтеза, в результате использования которых уменьшается или исключается определённое количество топлив, особенно ископаемых топлив, сжигаемых для получения энергии. Желательно, чтобы такие системы и способы обеспечивали также повышение энергоэффективности и/или уменьшение выбросов, таких как выбросы парниковых газов (GHG), производимых установкой химического синтеза.

Сущность изобретения

В настоящем документе раскрыта установка синтеза метанола, включающая в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока, содержащего сжиженный нефтяной газ (СНГ), нафту, биогаз, метан, этан, пропан, бутан, компоненты диапазона кипения нафты, уголь, нефтяной кокс или их комбинации; секцию получения синтез-газа (сингаза), содержащую один или несколько реакторов, выбранных из реакторов предварительного риформинга, реакторов парового риформинга, реакторов сухого риформинга, реакторов парциального окисления, реакторов автотермического риформинга, газификаторов или их комбинаций, и выполненную с возможностью получения потока продуктов синтеза сингаза, содержащего синтез-газ, образующийся из сырьевого потока; секцию синтеза метанола, содержащую один или несколько реакторов синтеза метанола, выполненную с возможностью получения продукта синтеза, содержащего метанол; и/или секцию очистки метанола, выполненную с возможностью удаления по меньшей мере одного компонента из продукта синтеза для получения очищенного метанольного продукта; при этом установка синтеза метанола выполнена таким образом, что, в сопоставлении с традиционной установкой синтеза метанола, большее количество полезной энергии, требуемое для установки синтеза метанола, секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции синтеза метанола, секции очистки метанола или их комбинаций, обеспечивается за счёт источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии и/или электрической энергии.

В настоящем документе также раскрыта установка синтеза метанола, включающая в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока, содержащего СНГ, нафту, биогаз, метан, этан, пропан, бутан, компоненты диапазона кипения нафты, уголь, нефтяной кокс или их комбинации; секцию получения сингаза, содержащую один или несколько реакторов, выбранных из реакторов предварительного риформинга, реакторов парового риформинга, реакторов сухого риформинга, реакторов парциального окисления, реакторов автотермического риформинга, газификаторов или их комбинаций и выполненную с возможностью получения потока продуктов синтеза сингаза, содержащего синтез-газ, образующийся из сырьевого потока; секцию синтеза метанола, содержащую один или несколько реакторов синтеза метанола, выполненную с возможностью получения продукта синтеза, содержащего метанол; и/или секцию очистки метанола, выполненную с возможностью удаления по меньшей мере одного компонента из продукта синтеза для получения очищенного метанольного продукта; при этом установка синтеза метанола выполнена таким образом, что большая часть полезной энергии, требуемой для установки синтеза метанола, секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции синтеза метанола, секции очистки метанола или их комбинаций, обеспечивается за счёт электроэнергии.

Краткое описание чертежей

Для более полного понимания настоящего раскрытия и его преимуществ делается ссылка на следующее краткое описание, во взаимосвязи с прилагаемыми чертежами и подробным описанием, в котором аналогичные ссылочные позиции показывают аналогичные детали.

На фиг. 1 показана принципиальная схема типичного процесса предшествующего уровня техники;

на фиг. 2 показана принципиальная схема химического процесса, питаемого возобновляемой энергией, соответствующего вариантам осуществления данного раскрытия;

на фиг. 3 представлена блок-схема обобщённой установки синтеза метанола или процесса I согласно вариантам осуществления данного раскрытия;

на фиг. 4 показана блок-схема приведённой в качестве примера установки синтеза метанола или процесса II согласно вариантам осуществления данного раскрытия;

на фиг. 5 приведена блок-схема традиционной установки синтеза метанола или процесса III, обсуждаемого в сравнительном примере 1 настоящего раскрытия;

на фиг. 6 представлена блок-схема приведенной в качестве примера частично электрифицированной установки синтеза метанола или процесса IV, соответствующего варианту осуществления примера 1 данного раскрытия;

на фиг. 7 показана блок-схема приведённой в качестве примера по существу полностью электрифицированной установки синтеза метанола или процесса V, соответствующего варианту осуществления примера 2 данного раскрытия;

на фиг. 8 показана блок-схема приведённой в качестве примера практически полностью электрифицированной установки синтеза метанола или процесса VI, соответствующего варианту осуществления примера 3 настоящего раскрытия;

на фиг. 9 приведена блок-схема традиционной установки синтеза метанола или процесса VII, обсуждаемого в сравнительном примере 2 данного раскрытия;

на фиг. 10 показана блок-схема приведённой в качестве примера по существу полностью электрифицированной установки синтеза метанола или процесса VIII, соответствующего варианту осуществления примера 4 настоящего раскрытия;

на фиг. 11 представлена блок-схема приведённой в качестве примера по существу полностью электрифицированной установки синтеза метанола или процессов X и XI, соответствующих вариантам осуществления примеров 6 и 7 данного раскрытия; и

фиг. 12 представляет собой схематическое отображение показателей эффективности использования углерода, расхода природного газа и общего потребления энергии при использовании возобновляемой энергии как функции технологической переменной рецикловой доли сингаза, возвращаемого в реактор синтеза метанола в примере 8.

Подробное описание

Прежде всего следует понимать, что, хотя ниже представлено иллюстративное исполнение одного или нескольких вариантов осуществления, раскрытые составы, способы и/или продукты можно воплощать с использованием любых технологий, известных в настоящее время или ещё не существующих. Данное раскрытие никоим образом не должно ограничиваться иллюстративными воплощениями, чертежами и методами, отображёнными ниже в настоящем документе, включая приведённые в качестве примеров конструктивные исполнения и варианты воплощения, проиллюстрированные и описанные в настоящем документе, но его можно модифицировать в пределах объёма прилагаемой формулы изобретения вместе с её полным объёмом эквивалентов.

Хотя подразумевается, что следующие ниже термины хорошо понятны специалисту в данной области техники, следующие далее определения излагаются для упрощения объяснения настоящего объекта изобретения. Если не указано иного, все технические и научные термины, употребляемые в настоящем документе, имеют то же значение, что и обычно понимаемое специалистом в данной области техники, к которой относится раскрываемый объект изобретения.

Употребляемый в настоящем документе термин «непостоянный источник энергии» или «IES» представляет собой любой источник энергии, который не является постоянно доступным для преобразования в электричество и для внешнего прямого контроля, поскольку потребляемая энергия не может храниться или является экономически нежелательной. Доступность непостоянного источника энергии может быть предсказуемой или непредсказуемой. Непостоянный источник возобновляемой энергии представляет собой непостоянный источник энергии, который является также источником возобновляемой энергии, как описано ниже в настоящем документе. Термин «непостоянная электрическая энергия» относится к электрической энергии, получаемой из IES.

Употребляемый в настоящем документе термин «возобновляемая энергия» и «энергия неископаемого топлива (E_NF)» включает в себя энергию, полученную из устойчивого источника энергии, который быстро пополняется за счёт непрерывного природного процесса и ядерной энергии. Соответственно, термины «возобновляемая энергия» и «энергия неископаемого топлива (E_NF)» относятся к энергии, полученной не из источника энергии на основе ископаемых топлив (например, энергии, производимой не за счёт сгорания ископаемого топлива, такого как уголь или природный газ), тогда как «невозобновляемая энергия» или «энергия ископаемого топлива (E_F)» является энергией, получаемой из источника энергии на основе ископаемого топлива (например, энергии, производимой за счёт сгорания ископаемого топлива). Ископаемые топлива представляют собой природные топлива, такие как уголь или газ, образовавшиеся в геологическом прошлом из остатков живых организмов. Соответственно, употребляемый в настоящем документе термин «возобновляемая энергия» и «энергия неископаемого топлива (E_NF)» включает в себя, без ограничения, энергию ветра, солнечную энергию, энергию движения потока воды или биомассы, которая не исчерпывается при использовании, в противоположность «невозобновляемой» энергии из такого источника, как ископаемые топлива, который истощается при использовании. Таким образом, возобновляемая энергия исключает энергию ископаемого топлива (E_F) и включает в себя биотоплива.

Употребляемый в настоящем документе термин «неуглеродная энергия (E_NC)» представляет энергию, полученную из источника неуглеродной энергии» (например, энергию, производимую не за счёт сгорания углеродного топлива, такого как углеводород), тогда как углеродная энергия (E_C) является энергией из углеродного источника энергии (например, энергией, производимой посредством сгорания углеродного топлива, такого как углеводород). Ядерная энергия считается в настоящем документе возобновляемой энергией неископаемого топлива (E_NF) и неуглеродной энергией (E_NC). Таким образом, углеродная энергия (E_C) может быть возобновляемой (например, неископаемым топливом) или невозобновляемой (например, ископаемым топливом). Например, разнообразные углеродные биотоплива считаются в настоящем документе источниками возобновляемой углеродной энергии.

Употребляемый в настоящем документе термин «возобновляемая электрическая энергия» указывает на электрическую энергию, получаемую из источника возобновляемой энергии, тогда как «невозобновляемая электрическая энергия» является электрической энергией, получаемой из источника невозобновляемой энергии. Употребляемый в настоящем документе термин «неуглеродная электроэнергия» указывает на электрическую энергию, получаемую из источника неуглеродной энергии, тогда как «углеродная электроэнергия» является электрической энергией, получаемой из углеродного источника энергии.

Например, в вариантах осуществления возобновляемую электрическую энергию и/или тепло во всей раскрытой в настоящем документе установке синтеза метанола можно получать за счёт сгорания возобновляемых углеводородов, которые поступают из возобновляемых (например, биологических) источников. Например, в вариантах осуществления возобновляемую электрическую энергию можно получать посредством сгорания источника энергии E_NF/E_C, содержащего метан, полученный в реакторе расщепления, питаемом сельскохозяйственными отходами. Аналогичным образом, в вариантах осуществления в качестве топлива можно использовать источник энергии E_NF/E_C, содержащий синтез-газ, полученный при использовании углеродсодержащих отходов с коротким циклом обработки (например, сожжённых для получения возобновляемой электрической энергии и/или тепла). Желательно, чтобы диоксид углерода, образующийся в результате такого сгорания, снова улавливался (например, посредством выращивания новой культуры).

Употребляемый в настоящем документе термин «внешнее» сгорание топлива относится к сгоранию топлива вне реактора, например, в печи. Сгорание, как часть первичной реакции (например, сгорание, которое имеет место наряду с риформингом в ходе автотермического риформинга (АТР)), не будет считаться «внешним» сгоранием. Используемое в настоящем документе «специально предназначенное» топливо является топливом или частью сырьевого потока, вводимыми только для привнесения энергетического потенциала (например, теплоты сгорания) и не превращается в продукт.

Употребляемый в настоящем документе термин «пар-теплоноситель (S_HT)» указывает на пар, производимый исключительно или главным образом как среда для переноса энергии или тепла (например, пар, не используемый в качестве разбавителя и/или реагента).

Употребляемый в настоящем документе термин подвод или отвод «чистого» тепла относится к подводу или отводу тепла, которые являются результатом расхода энергии от первичных источников, например, к подводу или отводу тепла, подаваемого не из другой секции или потока установки, например, подаваемого не путём теплообмена с другим технологическим потоком. Аналогичным образом, термин «полезная» энергия относится к энергии, которая является результатом расхода энергии от первичных источников, например, к энергии, подаваемой не из другой секции или потока установки, например, тепловой энергии, подаваемой не путём теплообмена с другим технологическим потоком.

Употребляемый в настоящем документе термин «питание энергией» указывает на снабжение механической и/или электрической энергией.

Употребляемый в настоящем документе термин «нагревание» указывает на снабжение тепловой энергией. Употребляемый в настоящем документе термин «охлаждение» указывает на отвод тепловой энергии от элемента. Употребляемый в настоящем документе термин «прямое» нагревание или охлаждение относится к нагреванию или охлаждению без использования теплоносителя/текучей среды; «непрямое» нагревание или охлаждение относится к нагреванию или охлаждению посредством теплоносителя/текучей среды.

Употребляемый в настоящем документе термин «наибольшая часть» или «большинство» указывает на количество больше 50% или больше половины.

Употребляемый в настоящем документе термин «желаемый» в отношении параметра (например, желаемая температура) может относиться к заданному или целевому значению параметра, например, такому заданному значению, как установленное значение, используемое для контроля процесса.

Количество потребляемой электрической энергии: ссылки на расход электрической энергии могут относиться к скорости, с которой потребляется электрическая энергия (например, в МВт), измеренной в конкретном местоположении. Например, скорость можно рассчитывать на границе каждой электрифицированной печи или на общей границе с установкой синтеза олефинов. Указанный расчёт может учитывать всю электрическую энергию, потребляемую в пределах данного местоположения.

Топочный газ: Смесь газов, которая может образовываться в результате сжигания топлива или других материалов на электростанции и/или промышленной установке, где смесь газов можно извлекать посредством трубопроводов.

Рекуперация тепла топочного газа: Рекуперация тепла топочного газа может относиться к извлечению полезной тепловой энергии из горячих топочных газов, например, путём пропускания упомянутого горячего топочного газа через один или несколько теплообменников для повышения температуры технологической текучей среды холодильника и/или изменения фазы указанной текучей среды (например, кипения воды для образования пара). Любую энергию, остающуюся в топочном газе после какого-либо извлечения тепла топочного газа, можно называть потерей (энергии) с топочным газом. Секция извлечения тепла топочного газа может представлять собой оборудование и соответствующее местоположение указанного оборудования, используемого для извлечения тепла топочного газа. Отсутствие секции извлечения тепла топочного газа может означать, что отсутствует оборудование или зоны, где извлекается тепло из горячих топочных газов.

Конвекционная секция: Конвекционная секция может представлять собой часть печи (например, печи парового крекинга или печи риформинга), где тепло извлекается из горячих топочных газов путём конвективной теплопередачи. Отсутствие конвекционной секции может означать, что отсутствует оборудование или зоны, где тепло извлекается из горячих топочных газов путём конвективной теплопередачи.

«Без использования пара» или «по существу без использования пара»: термин «без использования пара» может относиться к процессу, в котором не используется пар для переноса энергии от одной технологической операции к другой или для привнесения энергии в процесс извне. Термин «по существу без использования пара» может означать, что применение пара для переноса энергии от одной технологической операции к другой или для привнесения энергии в процесс извне сведено к минимуму таким образом, что сумма всех переносов энергии с использованием пара достигает приблизительно менее 10%, приблизительно 20% или приблизительно 30% от общего количества подаваемой энергии. Пар, используемый в качестве реагента, разбавителя, получаемый как продукт или непосредственно смешиваемый с технологическим потоком, можно называть «технологическим паром», и он не включается в данное определение.

Основная среда для переноса энергии: Основная среда для переноса энергии может представлять собой вещество, которое используют для перемещения энергии в форме тепловой энергии от одной технологической операции к другой или для привнесения энергии в процесс. Отметим, что вещество может служить в процессе для нескольких целей, как например, действуя в качестве реагента или разбавителя реакции, при этом действует и как среда для переноса тепла от одной технологической операции к другой. В таких случаях использование пара как реагента или разбавителя можно считать первичным, а эффект перенесения также и тепла можно считать вторичным.

Резистивный нагрев: Резистивный нагрев может являться нагреванием посредством пропускания электрического тока через резистивные блоки.

Индуктивный нагрев: Индукционный нагрев может представлять собой процесс нагревания электропроводного объекта (обычно металла) посредством электромагнитной индукции.

Радиантный нагрев: Радиантный нагрев может представлять собой процесс нагревания объекта при помощи излучения от одного или нескольких более горячих объектов.

Внешнее сгорание: Внешнее сгорание может означать сжигание топлива для выделения тепла и передачи указанного тепла к технологической текучей среде через поверхность (например, стенку трубы) таким образом, что продукты сгорания не смешиваются с технологической текучей средой.

Термоэлектрическое устройство: Термоэлектрическое устройство может представлять собой устройство для прямого преобразования разницы температур в электрическое напряжение (или наоборот) посредством термопары.

Изотермическая операция: Изотермические операции могут быть операциями при постоянной температуре. Изотермическая операция может поддерживать температуру в пределах от 0,5%; 1%, 2%, 3%, 4%, 5% до 10% от заданной температуры операции.

Конвективная теплопередача: Конвективная теплопередача может представлять собой перемещение тепла из одного места в другое путём перемещения текучей среды или текучих сред.

Хотя большинство приведённых выше определений по существу понятно специалистам в данной области техники, одно или несколько из представленных выше определений могут быть изложены выше в настоящем документе образом, отличающимся от значения, обычно воспринимаемого специалистами в данной области техники, что обусловлено конкретным описанием раскрываемого настоящим объекта изобретения в данном документе.

На фиг. 1 показана принципиальная схема типичного традиционного химического процесса. Целью данного процесса является превращение сырья A в продукт B, хотя часто образуются также и некоторые побочные продукты (указанные как поток C).

Типовые операции, используемые для осуществления указанного превращения, требуют значительных количеств энергии. Обычно указанная энергия подаётся, прежде всего, за счёт сжигания топлива, часто природного газа, с целью выделения тепла, обозначенного на фиг. 1 как ΔH_c (например, теплоты сгорания). Это приводит к нежелательному образованию и выбросу диоксида углерода (CO₂). Дополнительная энергия может подаваться за счёт теплоты реакции, ΔH_r, если реакция является экзотермической; если реакция является эндотермической, потребуется добавить дополнительное количество энергии, равное ΔH_r. На общий энергетический баланс также можно оказывать влияние в случае, если некоторые побочные продукты сжигают для производства энергии, указанной как ΔH_bp. Однако многие химические процессы, даже включающие в себя экзотермические реакции, являются в целом потребителями энергии и, таким образом, требуют внешнего источника энергии (как правило, привносимого углеводородным топливом (топливами)) для обеспечения общей энергии процесса.

Электрическая энергия обычно представляет собой лишь небольшую подводимую внешнюю мощность в большинстве химических производственных процессов. Внутренние потребности в электричестве, как например, для освещения или контроля, обычно так малы, что являются незначительными, и в упомянутых нескольких процессах, которые требуют больших количеств электрической энергии, например, в электрохимических реакторах (например, в хлоро-щелочном процессе получения хлора (Cl₂) и гидроксида натрия (NaOH)), указанная электрическая энергия обычно генерируется на установке за счёт сгорания углеводородов, и, даже в случае, когда она не вырабатывается в пределах границ установки, если электрическую энергию получают за счёт сгорания углеводородов, а не возобновляемым путём, такое использование электрической энергии по показателям энергоэффективности и выбросов CO₂ эквивалентно производству электрической энергии на месте посредством сгорания углеводородов.

В рамках большинства процессов химического производства потребление энергии можно удобно разделить на три основные категории. В первой такой широкой категории, называемой в настоящем документе первой категорией C1, тепло подают непосредственно в виде тепловой энергии, полученной в результате сгорания топлива (например, природного газа/ископаемых топлив) в печи. (Употребляемый в настоящем документе термин «непосредственно» указывает на отсутствие промежуточной среды теплоносителя, такой как пар.) Упомянутые печи часто работают при высокой температуре и требуют значительных тепловых потоков. Энергоэффективность таких печей ограничивается потерями тепла с печным топочным газом. Даже там, где указанные потери тепла сведены к минимуму путём охлаждения топочного газа для рекуперации энергии, например, с целью выработки пара или обеспечения технологического нагревания, степень превращения химической энергии, содержащейся в топливе, в применимую тепловую энергию, как правило, не превышает величины от 85 до 90%, даже при существенных капиталовложениях, а также при ухудшении конструктивного решения и эксплуатационной гибкости.

Вторая широкая категория потребления энергии в химических процессах, называемая в настоящем документе второй категорией C2, включает в себя нагревание различных химических потоков, прежде всего, либо для повышения их температуры до желаемой температуры реакции, либо с целью подачи энергии для осуществления операций разделения, чаще всего, дистилляции. Хотя некоторая часть упомянутого тепла может быть получена путём обмена с другими химическими потоками, чаще всего его подают либо при помощи пара, вырабатываемого непосредственно за счёт сгорания углеводородных топлив (например, природного газа/ископаемых топлив), либо путём теплопереноса от топочного газа, выходящего из высокотемпературных печей (например, из категории C1). Наиболее современные химические процессы включают в себя относительно сложную паровую систему (или другую систему для текучей среды теплоносителя, которая в общем случае для простоты будет называться в настоящем документе паровой системой переноса тепла) для перемещения энергии с того места, где она находится в избытке, к тому, где она требуется. Указанная паровая система может включать множественные уровни давления пара для подачи тепла при различных температурах, а также систему извлечения пара и конденсата, и она подвергается коррозии, загрязнению и другим эксплуатационным осложнениям, в том числе водной обработке и отведению загрязнённого конденсата. Доля энергии, содержащейся в паре, которую можно использовать для нагрева технологических потоков, как правило, ограничена величиной от 90 до 95% сдерживающими факторами практического характера по теплопереносу, конденсации пара и циркуляции воды в котлах. Если пар выработан специально предназначенным для этого внешним котлом, максимально от 80 до 85% химической энергии, содержащейся в топливе, будет использовано в форме тепла в химическом процессе, поскольку дополняющие 10 - 15% или больше будут потеряны с топочным газом, как в первой категории C1.

Третья основная категория потребления энергии в химических процессах, называемая в настоящем документе третьей категорией C3, представляет собой энергию, используемую для выполнения механической работы. Указанная работа используется, прежде всего, для создания давления и перемещения текучих сред из одного места в другое, а также для приведения в движение вращательного оборудования, такого как насосы, компрессоры и вентиляторы. Упомянутая третья категория C3 также включает в себя холодильное оборудование, поскольку его приводят в действие, главным образом, за счёт сжатия. В большинстве химических мощностей энергия для совершения указанной работы поставляется посредством пара, полученного либо в результате переноса тепла горячими технологическими потоками, переноса тепла частично охлаждёнными потоками топочных газов, выходящих из печи (например, в конвекционной секции), в категории C1, либо непосредственно в результате сгорания углеводородов (например, природного газа/ископаемых топлив) в специально предназначенном для этого внешнем котле. Вследствие ограничений по превращению тепловой энергии в механическую работу, энергоэффективность указанных вариантов применения относительно химической энергии, содержащейся в углеводородах, используемых в качестве топлива, является низкой, как правило, лишь только от 25 до 40%.

Неожиданно было обнаружено, что использование электрической энергии (например, возобновляемой и/или невозобновляемой электрической энергии) для замены энергии, получаемой из углеводородного топлива в химическом процессе, может усовершенствовать процесс за счёт повышения общей энергоэффективности при одновременном уменьшении выбросов диоксида углерода. В некоторых случаях использование электрической энергии (например, возобновляемой и/или невозобновляемой электрической энергии) для замены энергии, получаемой из углеводородного топлива в химическом процессе, также может улучшать надёжность и работоспособность, уменьшать выбросы, например, NOx, SOx, CO и/или летучих органических соединений, и/или снижать производственные затраты (например, если доступна дешёвая электрическая энергия).

Согласно вариантам осуществления данного раскрытия тепло, обычно подаваемое в форме тепловой энергии, выделяющейся в результате сгорания топлива (например, природного газа/ископаемых топлив) в печи и/или другого нагревания в первой категории C1, заменено электрическим нагреванием. Электронагрев, электрическое нагревание, генерирование тепла при помощи электричества, электрическое нагревательное устройство и тому подобное относится к превращению электрической энергии в тепловую энергию, доступную для применения в отношении текучей среды. Такое электрическое нагревание включает в себя, без ограничения, нагревание при помощи полного сопротивления (например, там, где электрическая энергия протекает по трубопроводу, содержащему текучую среду, подлежащую нагреванию), нагревание при помощи омического нагрева, плазмы, электрической дуги, радиочастоты (РЧ), инфракрасных (ИК), УФ и/или микроволн, нагревание в результате прохождения через резистивно нагреваемый элемент, нагревание за счёт излучения от электробогреваемого элемента, нагревание за счёт индукции (например, колебательного магнитного поля), нагревание механическим устройством (например, при помощи сжатия), приводимым в действие электрической энергией, нагревание при помощи теплового насоса, нагревание путём пропускания относительно горячего инертного газа или другой среды по трубам, содержащим текучую среду, подлежащую нагреванию, при этом горячий инертный газ или другая среда нагреваются с использованием электрической энергии, или нагревание под действием определённого комбинаций указанных способов, либо тому подобное.

Согласно вариантам осуществления данного раскрытия использование пара (или другого теплоносителя), согласно второй категории C2, исключается и/или любой пар (или другая текучая среда), используемый только как промежуточный теплоноситель, производят или нагревают при помощи электричества (например, путём электронагрева воды).

Согласно вариантам осуществления данного раскрытия традиционное вращательное оборудование (например, паровые турбины), используемое в третьей категории C3, заменено устройством с электрическим приводом. Согласно вариантам осуществления данного раскрытия отвод тепла в третьей категории C3 заменён отводом тепла с использованием электрического питания, например, охлаждением и/или остужением. Электрическое охлаждение, электрические холодильники, отведение тепла при помощи электричества, устройство для электрического охлаждения или остужения и тому подобное относится к отводу тепловой энергии от текучей среды. Такое электрическое охлаждение включает в себя, без ограничения, охлаждение при помощи устройства с электропитанием. Например, и без ограничения, электрическое охлаждение можно обеспечивать путём снабжения холодильного цикла электрической энергией, при этом хладагент подвергают сжатию при помощи компрессора с электрическим приводом. В качестве другого примера, электрическое охлаждение можно обеспечивать путём подачи питания на охлаждающий вентилятор, который продувает воздух, при этом воздух охлаждает технологическую текучую среду или элемент. В вариантах осуществления электрическое нагревание и охлаждение можно выполнять при помощи любого источника электрической энергии.

Фиг. 2 является схемой химического процесса, питаемого возобновляемой энергией, согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия. Как показано на фиг. 2, процесс, приводимый в действие возобновляемой энергией, в вариантах осуществления может быть аналогичным традиционному химическому процессу. Однако часть, большую часть или в некоторых случаях по существу всю поступающую энергию, подаваемую за счёт топлива, можно заменять возобновляемой энергией и/или возобновляемой электрической энергией. Такая замена подачи топлива неуглеродной энергией, возобновляемой энергией и/или возобновляемой электрической энергией в вариантах осуществления позволит значительно уменьшить выбросы CO₂. В вариантах осуществления можно использовать любую доступную форму возобновляемой энергии. Однако наибольший выигрыш может достигаться при использовании возобновляемой электрической энергии. Возобновляемую энергию можно получать, например и без ограничения, из солнечной энергии, энергии ветра или гидроэлектрической энергии. На химических установках, соответствующих вариантам осуществления данного раскрытия, также можно применять и другие типы возобновляемой энергии. Например, в вариантах осуществления можно использовать концентрированную солнечную энергию, геотермальную энергию и/или применение прямого солнечного нагревания для подачи тепловой энергии и уменьшения выбросов CO₂.

Одним из главных преимуществ подачи требуемой энергии в виде электрической энергии (например, возобновляемой) может повышение энергоэффективности процесса. В таблице 1 показана энергоэффективность типовых операций, представляющих собой примеры трёх категорий использования энергии на химической установке, описанных выше как C1, C2 и C3. Из таблицы 1 можно видеть, что эффективность каждой из трёх категорий потребления энергии выше при использовании электрической энергии. Выигрыш может быть наибольшим в том случае, когда паровые приводы вращательного оборудования заменяют, согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия, электрическими двигателями (как в третьей категории C3, обсуждаемой выше в настоящем документе), которые могут работать не менее, чем с тройной энергоэффективностью паровых приводов. Указанные приращения реализуются только тогда, когда электрическая энергия получена из возобновляемых неуглеродных источников, поскольку выработка электрической энергии в результате сгорания углеродного топлива является энергоэффективной только на 30 - 45%. Приросты энергоэффективности при использовании возобновляемой электрической энергии для нагревательных вариантов применения (как в первой категории C1 и второй категории C2, обсуждаемых выше в настоящем документе) являются меньшими, но всё же значительными. Полезный результат заключается в том, что суммарно будет потребляться меньшее количество энергии в случае использования возобновляемой энергии вместо углеродных топлив (например, природного газа или других углеводородов).

Таблица 1. Энергоэффективность типовых операций

Потребление Эффективность сгорания углеводородов Эффективность электрической энергии согласно настоящему раскрытию C1: Прямой нагрев до 80 - 90% 95+% C2: Нагрев паром до 80 - 95% 95+% C3: Вращательное оборудование 25 - 40% 90 - 95%

Согласно настоящему раскрытию, можно использовать неуглеродную энергию, возобновляемую энергию и/или электрическую энергию (например, из возобновляемых и/или невозобновляемых источников), а не традиционные источники энергии, имеющиеся в категориях C1, C2 и/или C3, описанные выше в настоящем документе. В вариантах осуществления для большинства или по существу для всех средств обеспечения энергией используют электрификацию. В вариантах осуществления электрификацию используют для большинства или по существу для всех элементарных операций. В вариантах осуществления электрификацию используют для большинства или по существу для всех средств обеспечения энергией и типовых операций. В вариантах осуществления электрификацию используют для большинства или по существу для всех технологических применений, двигателей, для охлаждения и/или нагревания (например, для тепловых насосов с электрическим приводом, остужения, электрического нагревания), излучения, для систем хранения или их комбинаций.

В вариантах осуществления источник неуглеродной энергии и/или источник возобновляемой энергии включает энергию ветра, солнца, геотермальную, гидроэлектрическую, ядерную энергию, энергию приливов, энергию волн, энергию, выработанную за счет разницы температур поверхностных и глубинных вод океана, ограниченный давлением осмос или их комбинации. В вариантах осуществления источник неуглеродной энергии содержит водород. В вариантах осуществления электрическая энергия для электрификации, как описано в настоящем документе, произведена из такого источника возобновляемой энергии и/или неуглеродной энергии. В вариантах осуществления некоторая часть или вся электрическая энергия поступает из невозобновляемого источника и/или углеродного источника, такого как, без ограничения, сгорание углеводородов (например, возобновляемых или невозобновляемых углеводородов), угля или водорода, полученного из углеводородов (например, возобновляемых или невозобновляемых углеводородов).

Основная часть CO₂, выбрасываемого из большинства химических установок, является результатом сжигания ископаемых топлив с целью получения энергии для установки. Дополнительный полезный эффект от использования возобновляемой энергии в химическом синтезе в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия состоит в том, что количество выбрасываемых парниковых газов значительно (например, по меньшей мере на 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100% или больше) уменьшится, по отношению к эквивалентной традиционной установке химического синтеза или способу, в котором могут сжигаться углеводороды и/или ископаемое топливо (топлива). Сжигание углеводородов (например, природного газа, метана) для выработки энергии приводит к образованию диоксида углерода (CO₂); его образование можно уменьшить или исключить путём использования возобновляемой энергии согласно вариантам осуществления данного раскрытия. В вариантах осуществления настоящего раскрытия количество CO₂, получаемого на тонну произведённого продукта, снижается до величины, равной или меньше, чем примерно 1,6; 1,5; 1,4; 1,3; 1,2; 1,1; 1,0; 0,75; 0,5; 0,30; 0,25; 0,2; 0,1; 0,05 или 0 тонн CO₂ на тонну химического продукта (например, метанола). Кроме того, в вариантах осуществления данного раскрытия применение возобновляемой энергии высвобождает указанные углеводороды (например, природный газ, метан), обычно сжигаeмые как топливо, для использования в качестве источника химического сырья (например, для получения метанола), который имеет более высокую потребительскую стоимость.

Применение возобновляемой электрической энергии в производстве химических продуктов также может приводить к эксплуатационным преимуществам. Например, в вариантах осуществления электрическую энергию можно использовать для обеспечения более точного и настраиваемого поступления тепла, например, для контролирования температурного профиля вдоль реактора или изменения температуры конкретных тарелок в дистилляционной колонне. В вариантах осуществления применение электрического нагревания в реакционной секции (например, в реакционной секции пиролиза) приводит к более эффективно контролируемому удалению кокса и/или более быстрому удалению кокса. Без ограничения, другие примеры включают в себя использование холодильных установок с электрическим приводом для повышения эффективности операций разделения и замену по требованию неэффективных резервных котлов газопламенного нагрева быстродействующими электронагревателями и парогенераторами, а также для других вспомогательных вариантов применения. Использование электрической энергии также может создавать возможность достижения значительных эксплуатационных преимуществ при запуске и остановке работы или формировании отклика на изменение процесса. В общем случае электрическую энергию как источник энергии можно применять в конкретных местоположениях, а также в точных и настраиваемых количествах с быстрым откликом на технологические изменения, что приводит к получению разнообразных преимуществ по сравнению с использованием тепловой энергии/энергии сгорания.

Применение возобновляемой электрической энергии в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия также может повышать энергоэффективность вспомогательных систем, которые поставляют энергию на несколько химических установок (например, установку синтеза метанола и расположенную рядом установку синтеза аммиака или установку синтеза метанола и расположенную рядом установку синтеза олефинов). Например, если компрессоры в узле разделения воздуха, который подаёт кислород и азот в несколько различных производственных мощностей, питаются возобновляемой электрической энергией, могут достигаться значительные выигрыши в энергии по отношению к подаче указанной энергии с паром, получаемым в результате сгорания природного газа.

В вариантах осуществления можно выполнять извлечение энергии посредством высокотемпературных тепловых насосов или повторного сжатия паров. Установка может дополнительно включать в себя ёмкость для хранения тепла и/или энергии, например, с целью использования в случае применения непостоянного источника энергии (IES). В вариантах осуществления можно наращивать ресурс отходящего тепла до применимых уровней температур при помощи тепловых насосов с электрическим приводом. В других вариантах осуществления энергию можно извлекать в виде электрической энергии при снижении давлений технологических потоков путём использования энергетической турбины вместо контрольного клапана. В других вариантах осуществления энергию можно извлекать в виде электрической энергии с использованием термоэлектрических устройств.

В соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия, применение возобновляемой электрической энергии для замены природного газа или других углеводородов в качестве источника энергии можно воплощать как часть усовершенствования существующих химических процессов (например, существующей установки синтеза метанола) или как составной компонент конструкции новой химической установки (например, новой установки синтеза метанола). При усовершенствовании возможности применения возобновляемой энергии могут зависеть от элементов существующей конструкции, таких как паровая система; в ходе усовершенствования потребуется тщательная проверка всего энергетического баланса и паровой системы, так как электрифицирование отдельных частей оборудования без учёта упомянутых соображений может приводить к неэффективным вариантам использования энергии. В вариантах осуществления, показанных в таблице 1, наиболее высокие приращения эффективности достигаются путём замены паровых приводов вращательного оборудования (например, в третьей категории C3) электрическими двигателями. Однако различающиеся цели могут приводить к различным вариантам выбора частичной электрификации; в вариантах осуществления в некоторых случаях более значительные снижения объёмов CO₂ за счёт меньших показателей повышения энергоэффективности иногда можно реализовать путём первоначальной замены пламенных печей на углеводородном топливе (например, в первой категории C1). В вариантах осуществления, если тепловую энергию и/или пар получают из нескольких источников углеводородов, наиболее предпочтительная работа может достигаться, прежде всего, при исключении наиболее дорогостоящих и/или загрязняющих источников топлив. То, какое количество возобновляемой энергии можно включать и до какой степени можно снижать существующий расход топлива и выбросы диоксида углерода (CO₂), может изменяться в зависимости от применения и будет находиться в пределах квалификации специалистов в данной области техники по прочтении данного раскрытия.

В вариантах осуществления планирование использования возобновляемой энергии в конструкции вновь возводимой химической установки (например, вновь сооружаемой установки синтеза метанола) может предусматривать более значительные возможности для улучшения энергоэффективности и снижения выбросов CO₂. Для реализации больших приращений энергоэффективности в вариантах осуществления используют питание всего вращательного оборудования (например, в третьей категории C3) электрической энергией. В вариантах осуществления по существу полностью (или по большей части, или более, чем на 40, 50, 60, 70, 80 или 90%) используют электрическое нагревание (например, в первой категории C1 и/или второй категории C2), и проявления неэффективности, обусловленные потерей тепла с топочным газом, по существу снижаются или даже исключаются. В вариантах осуществления можно сводить к минимуму или полностью исключать использование пара, вырабатываемого за счёт сгорания ископаемого топлива (например, во второй категории C2). Для обеспечения возможности выделения меньшего количества тепла в реакторе и/или образования меньшего количества побочных продуктов, подвергаемых сжиганию, в вариантах осуществления используют изменения в катализаторе и/или модификацию рабочих условий реактора. В вариантах осуществления установка (например, установка синтеза метанола), спроектированная на основе применения возобновляемой электрической энергии, позволяет улучшить оптимизацию операций разделения, поскольку при использовании возобновляемой электрической энергии, согласно настоящему раскрытию, изменяются относительные затраты на сжатие и остужение. В вариантах осуществления такие улучшенные операции разделения также позволяют дополнительно улавливать малые количества побочных продуктов, содержащихся в отдуваемых потоках, высвобождая указанные второстепенные продукты для дальнейшего использования в качестве источников сырья или продуктов. Кроме того, применение недорогой электрической энергии в соответствии с вариантами осуществления данного раскрытия может создавать возможность для введения новых технологий, таких как, без ограничения, технологии с применением гибридных газово-электрических нагревателей, приводов компрессоров с переменной скоростью вращения, распределённого охлаждения, тепловых насосов, усовершенствованных дистилляционных колонн, пассивного солнечного нагрева текучих сред, точного контроля температурных профилей реактора, новых материалов конструкции и закалки или охлаждения с использованием разбавителей, охлаждённых при помощи электричества. Если стоимость электрической энергии является достаточно низкой, применение такой электрической энергии, как указано в настоящем документе, может благоприятствовать вводу новых электрохимических процессов. В случае новой конструкции, она может быть менее капиталоёмкой для запуска процессов на основе электроэнергии, например, вследствие отсутствия (например, на всей установке) системы распределения пара.

Согласно вариантам осуществления данного раскрытия неуглеродную энергию, возобновляемую энергию и/или электрическую энергию (возобновляемую, невозобновляемую, углеродную и/или неуглеродную электрическую энергию) можно использовать при получении практически каждого химического продукта, включая метанол, аммиак, олефины (например, этилен, пропилен), ароматические соединения, гликоли и полимеры, но не ограничиваясь ими. В вариантах осуществления неуглеродную энергию, возобновляемую энергию и/или электрическую энергию также можно использовать при подготовке источников сырья для получения химических продуктов и производства топлив, как например, в синтезе метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ), крекинге, изомеризации и риформинге. В таких вариантах осуществления определённую часть нагревания (например, по меньшей мере около 10, 20, 30, 40 или 50%), большую его часть (например, по меньшей мере около 50, 60, 70, 80, 90 или 95%) или всё (например, около 100%) нагревание в масштабе всей установки/процесса или её секции можно обеспечивать путём электрического нагрева и/или определённую часть охлаждения (например, по меньшей мере около 10, 20, 30, 40 или 50%), большую его часть (например, по меньшей мере около 50, 60, 70, 80, 90 или 95%) или всё (например, около 100%) охлаждение в масштабе всей установки/процесса или её секции можно обеспечивать путём электрического охлаждения, как описано выше в настоящем документе. Ниже в настоящем документе раскрывается применение возобновляемой энергии, неуглеродной энергии и/или электрической энергии применительно к синтезу метанола.

Раскрытия из предварительных заявок на патент США №№ 62/792612 и 62/792615, имеющих название Use of Renewable Energy in Olefin Synthesis, предварительных заявок на патент США №№ 62/792617 и 62/792619, имеющих название Use of Renewable Energy in Ammonia Synthesis, предварительных заявок на патент США №№ 62/792622 и 62/792627, имеющих название Use of Renewable Energy in Methanol Synthesis и заявок на патент США №№ 62/792631, 62/792632, 62/792633, 62/792634 и 62/792635, имеющих название Use of Renewable Energy in the Production of Chemicals, поданных 15 января 2019 г., включаются в данный документ в целях, не противоречащих настоящему раскрытию.

В данном раскрытии описана установка синтеза метанола для получения метанола, которая выполнена так, что большая часть полезной энергии, требуемой для одной или нескольких секций, узлов или групп аналогичных узлов, либо типовых операций установки синтеза метанола обеспечивается за счёт неуглеродной энергии (E_NC) из источника неуглеродной энергии (например, полученной не в результате сгорания углеродного топлива, такого как углеводород), за счёт возобновляемой энергии (например, на основе энергии, полученной из неископаемого топлива (E_NF)) из источника энергии на основе неископаемого топлива (например, полученной не в результате сгорания ископаемого топлива, такого как уголь или природный газ)) и/или за счёт электрической энергии. В вариантах осуществления источник E_NC или E_NF может включать в себя, в большинстве случаев включать в себя, по существу состоять или состоять из электрической энергии. В вариантах осуществления часть (например, равная приблизительно 5, 10, 20, 30, 40, 50 или больше), большая часть (например, равная приблизительно 50, 60, 70, 80, 90 или 95% или больше) или вся (например, около 100%) полезная энергия, требуемая для всей установки синтеза метанола, секции установки (например, секции предварительной обработки сырья, секции получения синтез-газа (или «сингаза) (например, секции риформинга), секции синтеза метанола и/или секции очистки метанола), группы аналогичных узлов (например, компрессоров, узлов подачи энергии, нагревательных блоков, кипятильников, охлаждающих блоков, охладительных узлов, сепараторов, реакторов риформинга, реакторов синтеза метанола, дистилляционных/фракционирующих колонн) или элементарных операций (например, сжатия, подачи питания, операций нагревания, операций охлаждения, операций риформинга, операций разделения) установки или их комбинаций, обеспечивается за счёт электрической энергии, возобновляемой энергии (например, энергии, полученной из неископаемого топлива, (E_NF)) и/или неуглеродной энергии (E_NC). В вариантах осуществления электрическую энергию подают из источника возобновляемой энергии, такого как, без ограничения, энергия ветра (например, при помощи ветровых турбин), солнечная энергия (например, фотобатареи (ФВ) или солнечные тепловые панели), гидроэлектрическая, волновая, геотермальная, ядерная энергия, энергия приливов, энергия сгорания биомассы со связывающим улавливанием CO₂ в замещённых культурах или их комбинации. В вариантах осуществления часть (например, равную приблизительно 5, 10, 20, 30, 40, 50 или больше), большую часть (например, равную приблизительно 50, 60, 70, 80, 90 или 95% или больше) или всю (например, около 100%) электрическую энергию, возобновляемую энергию (например, энергию, полученную из неископаемого топлива (E_NF)) или неуглеродную энергию (E_NC), требуемую для всей установки синтеза метанола, секции установки (например, секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции синтеза метанола и/или секции очистки метанола), узла или группы аналогичных узлов (например, компрессоров, узлов подачи энергии, нагревательных блоков, кипятильников, охлаждающих блоков, охладительных узлов, реакторов риформинга, реакторов синтеза метанола, сепараторов, дистилляционных/фракционирующих колонн) или элементарных операций (например, сжатия, подачи питания, разделения, нагревания, охлаждения, риформинга) установки синтеза метанола или их комбинаций, и обычно получаемую на аналогичной установке синтеза метанола посредством сгорания топлива, углеродного топлива и/или ископаемого топлива и/или использования пара (например, который сам образуется за счёт сгорания такого топлива) в качестве промежуточного теплоносителя (и/или носителя энергии), получают без сжигания топлива, углеродного топлива и/или ископаемого топлива и/или без использования пара, вырабатываемого в результате сгорания такого топлива, как промежуточного теплоносителя (и/или носителя энергии). В вариантах осуществления чистую энергию для всей установки, либо для одной или нескольких секций, узлов или групп аналогичных узлов данной установки обеспечивают за счёт электрической энергии из источника возобновляемой энергии. Например, в вариантах воплощения нагревание осуществляют при помощи электричества путём резистивного нагрева или иного превращения электрической энергии в тепловую и/или механическую энергию.

В вариантах осуществления установка синтеза метанола настоящего раскрытия выполнена таким образом, что большая часть (например, больше 50, 60, 70, 80 или 90%) полезной энергии, требуемой (например, в дополнение к теплообмену между технологическими потоками) для подачи энергии, нагревания, охлаждения, сжатия, разделения или их комбинаций, используемой посредством системы предварительной обработки сырья, одного или нескольких реакторов риформинга, одного или нескольких реакторов синтеза метанола, системы очистки метанола или их комбинаций, как описано ниже в настоящем документе, обеспечивается за счёт электрической энергии.

В вариантах осуществления установка синтеза метанола согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия представляет собой крупную установку, характеризующуюся производственной мощностью по метанолу, равной примерно 200 000 тонн в год, 1 000 000 тонн в год или 5 000 000 тонн в год или больше. При более крупных размерах, предусматриваемых в данном раскрытии, количество энергии, подаваемой из источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии и/или электрической энергии, будет соразмерно большим. В вариантах осуществления частично или полностью электрифицированная установка, соответствующая способам настоящего раскрытия, будет потреблять 20, 50, 100, 150, 200, 500, 750 или 1000 МВт электрической энергии или больше.

Хотя для описания электрификации установки синтеза метанола, раскрытой в настоящем документе, будет использоваться конкретный вариант воплощения установки синтеза метанола, следует понимать, что можно электрифицировать многочисленные конфигурации узлов и различные технологические решения процесса синтеза метанола, использующие разнообразные источники сырья (например, природный газ, метан, СНГ, нафту, нефтяной кокс, уголь или их комбинации) в соответствии с настоящим раскрытием, как будет очевидно специалистам в данной области техники по прочтении описания в настоящем документе. Хотя иногда ниже в настоящем документе установка описывается в связи с производством метанола путем риформинга сырья, содержащего природный газ, в соответствии с настоящим раскрытием можно электрифицировать установки синтеза метанола, на которых применяются другие технологии синтеза метанола из разнообразных видов сырья.

Со ссылкой на фиг. 3, которая является блок-схемой обобщённой установки I синтеза метанола, можно полагать, что установка синтеза метанола включает в себя одну или несколько из следующих технологических секций для превращения сырьевого потока 5 в поток 45 метанольного продукта (и, необязательно, в один или несколько потоков 41 побочных продуктов): секцию 10 предварительной обработки сырья, секцию 20 синтеза сингаза, секцию 30 синтеза метанола, секцию 40 очистки метанола или их комбинации. Такие секции будут кратко описаны в нескольких следующих далее абзацах, а более подробно ниже в настоящем документе.

Как показано на блок-схеме процесса синтеза метанола фиг. 3, секция 10 предварительной обработки сырья установки синтеза метанола выполнена с возможностью подготовки (например, удаления нежелательных компонентов (например, серы) из сырья при регулировании температуры и/или давления) сырья 5 для риформинга, обеспечивая получение предварительно обработанного сырья 15. В вариантах применения установка синтеза метанола настоящего раскрытия не включает в себя секцию предварительной обработки сырья. Секция 20 синтеза сингаза выполнена с возможностью получения синтез-газа из сырья 5 или предварительно обработанного сырья 15 для производства продукта 25 синтеза сингаза, содержащего монооксид углерода (CO) и водород (H₂). В таких вариантах осуществления, как отображённый на фиг. 2 и обсуждаемый далее ниже в настоящем документе, секция 20 получения сингаза представляет собой секцию синтеза сингаза, выполненную с возможностью осуществления парового риформинга сырья (например, сырья 5 или предварительно обработанного сырья 15, содержащего природный газ) для получения продукта реактора риформинга, содержащего монооксид углерода (CO) и водород (H₂). Продукт 25 синтеза сингаза (или «реактора риформинга») может дополнительно содержать диоксид углерода (CO₂), воду, метан (CH₄) и/или примеси. Секция 30 синтеза метанола выполнена с возможностью получения метанола из продукта 25 синтеза сингаза и, следовательно, потока 35 сырого метанола. Секция 40 очистки метанола выполнена с возможностью выделения очищенного метанольного продукта 45 и побочных продуктов 41 из потока 35 сырого метанола.

Как изображено на фиг. 3 и упомянуто выше, подвод энергии (E) к установке или внутрь установки синтеза метанола, либо одной или нескольких секций или групп узлов, аналогичных узлов или для типовых операций в них (что обычно можно обеспечивать за счёт углеродной энергии (E_C) 2A из источника углеродной энергии; энергии (E_F) 3A, полученной из ископаемого топлива, поступающего из источника энергии на основе ископаемого топлива, или путём применения пара (например, пара, выработанного для указанной цели с использованием энергии, полученной из источника углеродной энергии или источника энергии ископаемого топлива) исключительно или главным образом в виде теплоносителя или носителя энергии (S_HT) 1), можно частично или полностью заменять неуглеродной энергией (E_NC) 2B из источника неуглеродной энергии, возобновляемой энергией/энергией неископаемого топлива (E_NF) 3B из источника возобновляемой энергии и/или электрической энергией (например, электрической энергией и/или возобновляемой электрической энергией). Углеродную энергию (E_C) 2A, энергию (E_F) 3A, полученную из ископаемого топлива, или обе из них можно частично или полностью заменять электрической энергией. В вариантах осуществления электрическую энергию можно получать из неуглеродного топлива, возобновляемого топлива, источника возобновляемой энергии или их комбинаций. Положительный эффект, получаемый при помощи раскрытых в настоящем документе системы и способа, может заключаться в уменьшении выбросов 4 парникового газа (ПГ) с установки или из процесса синтеза метанола. В вариантах осуществления отмеченное выше исключение или сокращение паровой системы также может приводить к снижению капитальных и эксплуатационных затрат.

Согласно настоящему раскрытию, при охлаждении технологических потоков следует использовать как можно больше тепла для нагрева других технологических потоков. Однако ниже определённой температуры дальнейшая теплопередача уже не эффективна или неприменима и используются воздуходувки, охлаждающая вода и/или остужение (которые требуют подвода энергии для отвода тепла). В таких вариантах осуществления, например, в случае теплообменников, холодильных установок или их комбинаций, для изменения температуры технологических потоков можно подавать электрическое питание. В вариантах осуществления пар не применяют исключительно в качестве промежуточного теплоносителя и/или носителя энергии, а установка или её секция (секции) не включают в себя такую сложную паровую систему, которая традиционно используется для передачи энергии. В вариантах осуществления пар используют в качестве теплоносителя и не используют для совершения механической работы, например, для приведения в действие насоса или компрессора. В вариантах осуществления нагревание выполняют путём резистивного нагрева. В вариантах осуществления нагревание выполняют путём индуктивного нагрева.

Несмотря на отсутствие стремления ограничивать описание примерами, приведёнными в настоящем документе, далее будет представлена установка синтеза метанола, которую можно электрифицировать в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия, со ссылкой на приведённую в виде примера блок-схему синтеза метанола на установке II синтеза метанола, показанную на фиг. 4. Описанные стадии, секции, группы узлов или типовые операции могут присутствовать или выполняться в любом подходящем порядке; одна или несколько стадий, секций, узлов или типовых операций могут отсутствовать, дублироваться, заменяться другой стадией, секцией, узлом или типовой операцией, и в различных вариантах осуществления можно использовать дополнительные стадии, секции, узлы или типовые операции, не описанные в настоящем документе. В дополнение к этому, хотя стадия (например, охлаждение B1 сингаза) отмечена как существующая в конкретной секции (например, в секции 30/130 синтеза метанола), данную стадию также можно рассматривать как часть другой секции (например, секции 20/120 синтеза сингаза (или «риформинга»)).

Как отмечено выше в настоящем документе со ссылкой на вариант осуществления фиг. 3 и 4, в вариантах осуществления установка синтеза метанола данного раскрытия включает в себя секцию 10/110 предварительной обработки сырья. Такая секция 10/110 предварительной обработки сырья может быть выполнена с возможностью удаления одного или нескольких компонентов, без ограничения, таких как сера и/или ртуть, из сырья (например, сырья в виде природного газа), доведения давления сырья до желаемого рабочего давления, доведения температуры сырья до желаемой рабочей температуры, осуществления предварительного риформинга сырья или их комбинаций.

Как отмечено выше в настоящем документе, в вариантах осуществления секция 10/110 предварительной обработки выполнена с возможностью предоставления сырья при желаемом рабочем давлении следующей далее по ходу потока секции 20/120 синтеза сингаза. В приведённой в качестве примера установке II синтеза метанола фиг. 4 секция 110 предварительной обработки сырья включает в себя устройство C1 для регулирования давления исходного газа, выполненное с возможностью регулирования давления сырья, вводимого в него в виде сырьевого потока 105 природного газа. Для повышения давления сырьевого потока 105 можно использовать один или несколько компрессоров. В других вариантах осуществления, если давление доставки сырья выше того, что требуется для процесса, давление понижают при помощи энергетической турбины таким образом, что энергия избыточного давления извлекается, например, в форме электрической энергии.

Как отмечено выше в настоящем документе, в вариантах осуществления секция 10/110 предварительной обработки выполнена с возможностью получения сырья при желаемой рабочей температуре. Например, в приведённой в виде примера установке II синтеза метанола фиг. 4 секция 110 предварительной обработки сырья включает первый предварительный нагрев A1 сырья, второй предварительный нагрев A2 сырья и третий предварительный нагрев A3 сырья, выполненные с возможностью доведения температуры сырья, вводимого в него, до температуры, желаемой далее по ходу потока. В варианте осуществления фиг. 4 первый предварительный нагрев A1 сырья выполнен с возможностью повышения температуры сырья в потоке 101 (посредством первого подвода Q1 тепла) до температуры, желаемой для очистки сырья в 110A (описано ниже) в потоке 102; второй предварительный нагрев A2 сырья выполнен с возможностью повышения температуры сырья в потоке 103, поступающем после очистки 110A сырья, (посредством второго подвода Q2 тепла) до температуры, желаемой для предварительного риформинга сырья в 110B (описано ниже) в потоке 104; третий предварительный нагрев A3 сырья выполнен с возможностью повышения температуры сырья в потоке 105, поступающем после предварительного риформинга сырья, (посредством третьего подвода Q3 тепла) до температуры, желаемой в сырьевом потоке 115 для последующего риформинга в следующей далее по ходу потока секции 120 синтеза сингаза.

В вариантах осуществления тепло, получаемое в результате охлаждения продуктов реактора риформинга, (например, Q6, Q7 и/или Q8, дополнительно обсуждаемое ниже в настоящем документе) используют для предварительного нагрева сырья (например, используют для подачи первой части тепла Q1, Q2 и/или Q3). В вариантах осуществления остальную часть тепла, необходимого для Q1, Q2 и/или Q3, обеспечивают посредством резистивного нагрева, перегретого пара, внутреннего окисления, достигаемого путём добавления небольшого количества кислорода или воздуха, или их комбинаций.

Как отмечено выше в настоящем документе, в вариантах осуществления секция 10/110 предварительной обработки выполнена с возможностью удаления одного или нескольких компонентов из сырьевого потока до последующего получения синтез-газа в следующей далее по ходу потока секции 20/120 синтеза сингаза (например, риформинга). Например, такие примеси, как сернистые соединения, диоксид углерода, азот, ртуть или их комбинации, можно удалять из сырьевого потока (например, сырьевого потока природного газа) при помощи секции 10/110 предварительной обработки. Например, если сырьё содержит серу, сернистые соединения можно удалять, поскольку сера дезактивирует катализатор (катализаторы), используемые на последующих стадиях. С целью удаления серы можно использовать каталитическое гидрообессеривание (HDS) для превращения сернистых соединений в источниках сырья в газообразный сероводород по уравнению (1):

H₂ + RSH → RH + H₂S (газ) … (1)

Затем газообразный сероводород можно поглощать и удалять путём пропускания его, например, через слои оксида цинка, где он превращается в твёрдый сульфид цинка по уравнению (2):

H₂S + ZnO → ZnS + H₂O … (2)

Например, в приведённой в качестве примера установке II синтеза метанола фиг. 4, секция 110 предварительной обработки сырья включает в себя очистку 110A сырья (например, удаление серы, удаление Hg и т.д.). В устройство для очистки сырья с целью очистки 110A сырья (например, удаления серы, удаления Hg и т.д.) можно вводить водородный поток 106. Устройство для очистки сырья, используемое в 110A, может быть любым подходящим устройством для удаления загрязнителей/ядов, известным специалистам в данной области техники.

Как отмечено выше в настоящем документе, в вариантах осуществления секция 10/110 предварительной обработки выполнена с возможностью проведения предварительного риформинга сырья. Например, в приведённой в качестве примера установке II синтеза метанола фиг. 4 секция 110 предварительной обработки сырья включает в себя предварительный риформинг 110B сырья. Устройство для предварительного риформинга может быть выполнено с возможностью удаления высших углеводородов, которые могут загрязнять основной реактор риформинга. Устройство для предварительного риформинга сырья, используемое в 110B, может быть любым подходящим устройством для предварительного риформинга, известным специалистам в данной области техники.

Согласно вариантам воплощения настоящего раскрытия, предварительную обработку сырья можно осуществлять при пониженном потреблении неуглеродной энергии, энергии неископаемого топлива, при использовании возобновляемой энергии или использовании электрической энергии (например, электрической энергии из возобновляемого и/или невозобновляемого источника (источников)). Например, компрессоры секции предварительной обработки (например, регулирования C1 давления исходного газа) можно приводить в действие электродвигателями, а не турбинами с газовым или паровым приводом; предварительное нагревание A1, A2 и/или A3 сырья можно осуществлять при помощи резистивного нагрева; пар, производимый при генерировании 112 пара для предварительного риформинга (и/или следующего далее риформинга, либо другого синтеза сингаза, описанного ниже), можно вырабатывать при помощи электричества; устройство для очистки сырья в 110A и/или устройство для предварительного риформинга в 110B можно приводить в действие при помощи электричества, либо можно использовать их комбинации. В вариантах осуществления слои катализатора для предварительной обработки можно регенерировать с использованием тепла, пара или других газов, при этом энергию подают в виде электричества. В вариантах осуществления для подогревателя сырья реактора гидрообессеривания можно использовать нагрев с электрическим питанием. В вариантах осуществления для нагрева сырья можно использовать парокомпрессионные тепловые насосы и/или для нагрева или охлаждения сырья можно использовать термоэлектрические нагреватели и холодильники. Для достижения более высокой энергоэффективности, чем в случае традиционного огневого парового котла на углеводородном топливе (или ископаемом топливе) можно использовать, например, пар, генерируемый электродным котлом, который обращает свыше 99% подводимой электрической энергии в производство пара.

В вариантах осуществления предварительное нагревание сырья можно выполнять при помощи элементов электрического резистивного нагрева, которые можно размещать внутри технологического трубопровода, внутри оболочки теплопередаточного элемента и/или снаружи технологического трубопровода при нагревании сырья через трубопровод. Тепло из элементов резистивного нагрева может протекать через теплопередаточное оборудование (например, металлические поверхности, рёбра, трубы и т.д.), газы-теплоносители, пары, текучие среды, твёрдые вещества, плазмы и/или другие среды и может передаваться в процесс в кондуктивной, конвективной и/или радиантной форме. В вариантах осуществления можно использовать омический резистивный нагрев или индуктивный нагрев технологических трубопроводов или оборудования. В вариантах осуществления можно использовать механический нагрев. В вариантах осуществления можно использовать нагревание под действием электромагнитных волн, либо путём поглощения технологической текучей средой, либо путём поглощения другими средами, которые впоследствии передают тепло технологической текучей среде. В вариантах осуществления можно использовать парокомпрессионные тепловые насосы и/или термоэлектрические нагреватели и/или холодильники. В вариантах осуществления пар генерируется с использованием электродного котла или резистивного погружного нагревателя. В вариантах осуществления предварительное нагревание выполняют путём впрыскивания горячей технологической текучей среды. В вариантах осуществления указанная горячая технологическая текучая среда содержит пар. В вариантах осуществления пар нагревают при помощи электричества. В вариантах осуществления пар получают в результате окисления водорода или из отходящего газа топливного элемента.

Установка синтеза метанола согласно настоящему раскрытию включает в себя секцию получения сингаза, выполненную с возможностью проведения риформинга углеводородного сырья для получения водорода и монооксида углерода (например, синтез-газа или «сингаза»). Хотя установка описана со ссылкой на вариант осуществления фиг. 4, который включает в себя секцию синтеза сингаза в виде секции 120 получения сингаза, синтез-газ для синтеза метанола также можно получать или производить дополнительно путём парциального окисления (например, парциального окисления метана) и/или газификации (например, газификации угля), что также находится в пределах объёма настоящего раскрытия.

Секция 20/120 синтеза сингаза может представлять собой или может включать в себя секцию риформинга, секцию парциального окисления, секцию газификации или их комбинации. В вариантах осуществления, таких как вариант осуществления фиг. 4, секция 20/120 синтеза сингаза включает риформинг. В варианте осуществления фиг. 4 секция 120 синтеза сингаза может включать паровой риформинг 120A метана, сухой риформинг 120B, автотермический риформинг 120C или их комбинации. Возможные технологии (не показаны) включают в себя, без ограничения, смешанный риформинг с использованием пара, кислорода и/или диоксида углерода. В вариантах осуществления секция 120 риформинга для синтеза сингаза включает устройство для парового риформинга метана или реактор, устройство для риформинга путём парциального окисления или реактор, реактор автотермического риформинга, реактор сухого риформинга или их комбинации. Как указано в варианте осуществления фиг. 4, для поддержания желаемой температуры парового риформинга метана в 120A можно использовать подвод Q4 тепла и/или для поддержания желаемой температуры сухого риформинга в 120B можно использовать подвод Q5 тепла. Для сухого риформинга 120B можно использовать поток 123 диоксида углерода и/или для автотермического риформинга 120C поток 128 кислорода. Для получения потока 128 кислорода из потока 126 воздуха для автотермического риформинга 120C можно использовать узел 127 разделения воздуха. В вариантах осуществления можно использовать отвод Q15 тепла для выполнения разделения воздуха в узле (узлах) 127 разделения воздуха, например, в узле (узлах) криогенного разделения воздуха. Поток 113 пара можно получать из воды в потоке 111 воды при помощи устройства 112 для генерирования пара. Как отображено на фиг. 4, пар 113 можно использовать в реакторе предварительного риформинга (при его наличии) и реакторе риформинга (например, реакторе 120A парового риформинга метана).

Секция риформинга как секция 20/120 синтеза сингаза может быть выполнена с возможностью осуществления каталитического парового риформинга метанового сырья (например, не содержащего серы) с образованием водорода плюс монооксид углерода по уравнению (3):

CH₄ + H₂O CO + 3H₂ … (3)

Также протекает реакция сдвига водяного газа, приведённая в уравнении (4):

CO + H₂O CO₂ + H₂ … (4)

В целом, при равновесии реакции уравнений (3) и (4) можно объединять с получением суммарной реакции по уравнению (5):

CH₄ + 2H₂O CO₂ +4H₂ … (5)

Например, секция 120 синтеза сингаза варианта осуществления фиг. 4 включает паровой риформинг метана в 120A, для чего объединяют метан в метановом сырье 115 и пар в линии 113 и затем подают в печь парового риформинга метана парового риформинга 120A метана, где метан частично превращается в монооксид углерода и водород по уравнению (3). В вариантах осуществления паровой риформинг метана (ПРМ) проводят при температуре в диапазоне от значения около 500°C примерно до 1000°C (примерно от 930°F до 1830°F) и давлении в диапазоне от значения около 8 примерно до 35 бар. Реакция парового риформинга метана (ПРМ) является эндотермической, и тепло реакции обычно привносится за счёт сжигания метана и/или технологических продувочных газов в горелках печи для обеспечения подвода тепла, показанного как Q4. Как дополнительно описано ниже в настоящем документе, согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия, подвод Q4 тепла обеспечивается при помощи источника возобновляемой энергии и/или электрической энергии. Источник возобновляемой энергии может включать электрическую энергию из источника возобновляемой энергии (такой как энергия ветра или солнечная энергия и т.д.). Таким образом, согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия устройство 120A для парового риформинга метана нагревают не за счёт сгорания специально предназначенного для этого топлива (например, это производят не в результате сжигания углеродного и/или ископаемого топлива в печи с целью получения тепла для проведения реакций). Диоксид углерода, полученный по уравнению (4) или (5), может превращаться в метанол и, таким образом, не приводит к образованию выбросов, обычно наблюдаемых в случае, когда специальное топливо сжигается в печи с целью получения тепла для проведения реакций и одновременно образует топочный газ, содержащий CO₂.

В вариантах осуществления система или способ синтеза метанола согласно данному раскрытию приводит к получению топочного газа сгорания, образующегося в результате сгорания топлива (например, углеродного топлива, ископаемого топлива или их комбинаций), в количестве, равном примерно 2; 1,5; 1; 0,5; 0,1 или 0 (например, при отсутствии) или меньше тонн на тонну произведённого метанола. В вариантах осуществления настоящего раскрытия количество CO₂, полученного на тонну произведённого метанола, снижается до 0,30; 0,25; 0,2; 0,1; 0,05 или 0 тонн CO₂ на тонну метанола. В вариантах осуществления топочный газ не образуется, например, в секции синтеза сингаза, одной или нескольких секциях или во всех секциях установки синтеза метанола данного раскрытия.

В вариантах осуществления реактор (реакторы) парового риформинга метана нагревается (нагреваются) при помощи электричества. В вариантах осуществления реактор (реакторы) парового риформинга нагревают с использованием резистивного или индуктивного нагрева. В вариантах осуществления реактор (реакторы) парового риформинга нагревают посредством радиационных панелей, которые нагреваются при помощи электричества (например, путём резистивного нагрева, индуктивного нагрева, омического нагрева или тому подобного.)

В вариантах осуществления используется 2-ступенчатый реактор риформинга, и кислород 128 добавляется в частично превращённую смесь, поступающую с первой ступени реактора риформинга, на которой он сгорает вместе с метаном с образованием оксидов углерода и выделением тепла в результате парциального окисления. Например, в вариантах осуществления температура повышается до значения в диапазоне примерно от 1200 до 1250°C на входе в слой катализатора автотермического риформинга и примерно до значения от 700 до 900°C на выходе из слоя катализатора автотермического риформинга. Для контроля состава образующегося синтез-газа в вариантах осуществления можно использовать комбинации парового риформинга и парциального окисления.

В вариантах осуществления поток 123 CO₂ используют для добавления некоторого количества CO₂ в поток технологического газа, либо до реактора синтеза сингаза (например, реактора парового риформинга), либо после реактора синтеза сингаза (например, реактора парового риформинга). Это позволяет большей доле водорода, получаемого способом ПРМ, встраиваться в молекулы метанола (например, по реакции с CO₂). В вариантах осуществления CO₂ вводят перед одним или несколькими реакторами синтеза метанола секции 30/130 синтеза метанола (дополнительно описанной ниже в настоящем документе) для расходования дополнительного количества водорода, достижения теплового баланса в одном или нескольких реакторах синтеза метанола (например, для превращения его в менее экзотермичный с тем, чтобы в меньшей степени требовался отвод Q10 тепла) и обеспечения возможности превращения CO₂ в метанол при воздействии электричества. В вариантах осуществления альтернативно или дополнительно можно вводить CO₂ в реактор обратного сдвига водяного газа (WGS) (например, в WGS 130A секции 30/130 синтеза метанола, дополнительно описываемый ниже в настоящем документе) для привнесения эндотермической и низкотемпературной реакции WGS и/или лёгкого и низкотемпературного отвода электрической энергии и/или избыточного низкопотенциального тепла в результате охлаждения потоков продуктов.

Секция 20/120 синтеза сингаза может включать сухой риформинг. В сухом риформинге реакция метана и диоксида углерода приводит к образованию синтез-газа в процессе, называемом сухим риформингом, поскольку пар не используется или используется в количествах, меньше обычно применяемых для парового риформинга метана. Сухой риформинг протекает по уравнению (6):

CH₄ + CO₂ 2CO + 2H₂ ΔH_298K= 59,1 ккал/мол … (6)

Реакция уравнения (6) является более эндотермичной, чем паровой риформинг метана, и приводит к образованию газа со значительным дефицитом водорода для синтеза метанола. Несмотря на то, что это является недостатком для синтеза метанола, сухой риформинг можно использовать в вариантах осуществления. В вариантах осуществления сухой риформинг применяется в сочетании с паровым риформингом.

Получение синтез-газа в целом является сильно эндотермичным и требует добавления тепловой энергии (подаваемой в виде тепла Q). Как отмечено выше, для получения тепла (например, Q4 и/или Q5), требуемого для достижения желаемой температуры риформинга, и подачи необходимого тепла реакции традиционно сжигают топливо (например, природный газ, метан, продувочный газ из секции синтеза метанола). В вариантах осуществления настоящего раскрытия желаемая температура риформинга достигается без внешнего сжигания топлива в печи. В вариантах осуществления данного раскрытия желаемая температура риформинга достигается без сжигания углеродного топлива. В вариантах осуществления желаемая температура риформинга достигается путём впрыскивания пара, полученного с использованием электричества или в результате сгорания водорода. В вариантах осуществления настоящего раскрытия желательно, чтобы ископаемое топливо, углеродное топливо (например, метан или природный газ) и/или водород не сжигались в качестве специально предназначенного для этого топлива; материалы, традиционно сжигаемые в качестве топлива, как таковые затем можно использовать в качестве сырья для получения дополнительного метанольного продукта согласно вариантам осуществления данного раскрытия.

В вариантах осуществления секция 20/120 синтеза сингаза выполнена с возможностью получения диоксида углерода (CO₂) в результате внутреннего сгорания в процессе для добавления тепла в секцию получения сингаза и уменьшения выделения тепла в одном или нескольких реакторах синтеза метанола секции 30/130 синтеза метанола, дополнительно описываемой ниже в настоящем документе. В вариантах осуществления такой диоксид углерода получают в результате сгорания возобновляемого (например, неископаемого) топлива.

В вариантах осуществления секция 20/120 синтеза сингаза выполнена с возможностью подачи сингаза и/или очищенного водорода в виде продукта. Это можно выполнять, например, при очистке от загрязнителей путём поглощения их в абсорбирующем растворителе, а затем регенерации растворителя при помощи электронагрева. В качестве альтернативы, в ходе отделения и очистки водорода можно использовать адсорбцию при переменном давлении или переменной температуре. В качестве альтернативы, для отделения можно использовать мембранные разделения с рециркуляцией, питаемой электроэнергией, или нагнетатели. При очистке можно использовать криогенную дистилляцию, питаемую электроэнергией. В других вариантах осуществления сингаз или очищенный водородный продукт представляет собой промежуточный поток, который соединяют с другим химическим процессом, являющимся потребителем водорода или сингаза. В вариантах осуществления количество получаемого водорода увеличивают за счёт целенаправленного регулирования различных переменных процесса, например, отношения пара к углероду или кислорода к углероду.

В вариантах осуществления риформинг можно проводить с пониженным потреблением неуглеродной энергии (E_NC), использованием возобновляемой энергии (например, энергии неископаемого топлива (E_NF)) или использованием электрической энергии (например, электрической энергии из возобновляемого источника (источников)). Например, компрессоры и насосы секции синтеза сингаза (такие как компрессор или насос для ввода пара 113, диоксида углерода 123 или кислорода 128) можно приводить в действие электродвигателями или иными турбинами с электрическим, а не газовым или паровым приводом; подвод Q4 или Q5 тепла, требуемого для достижения желаемой температуры риформинга (в реакторе 120A парового риформинга метана или реакторе 120B сухого риформинга), можно обеспечивать посредством электрического привода или их комбинаций.

В вариантах осуществления H₂O (например, водный поток 111), CO₂ (например, поток 123 CO₂), O₂ (например, поток 128 O₂) или их комбинации перед введением можно предварительно нагревать при помощи электроэнергии. В вариантах осуществления пар для риформинга генерируется с использованием электродного котла. В вариантах осуществления H₂O и/или CO₂ (например, в водном потоке 111 и/или потоке 123 CO₂) можно перегревать при помощи электричества для повышения температуры технологических потоков при их введении. Альтернативно или дополнительно, в вариантах осуществления тепло (например, Q3, Q4 и/или Q5) для реакции риформинга в секции 20/120 синтеза сингаза можно подавать при помощи электрической энергии. В вариантах осуществления тепло для риформинга (например, Q3, Q4 и/или Q5) можно подавать посредством элементов электрического резистивного нагрева, которые могут размещаться внутри технологического трубопровода, внутри оболочки теплопередаточного элемента и/или снаружи технологического трубопровода при нагревании через него в условиях процесса. Тепло из элементов резистивного нагрева может протекать через теплопередаточное оборудование (например, металлические поверхности, рёбра, трубы и т.д.), газы-теплоносители, пары, текучие среды, твёрдые вещества, плазмы и/или другие среды и может передаваться в процесс в кондуктивной, конвективной и/или радиационной форме. В вариантах осуществления можно использовать омический резистивный нагрев или индуктивный нагрев технологических трубопроводов или оборудования. В вариантах осуществления можно использовать механический нагрев. В вариантах осуществления можно использовать нагревание под действием электромагнитных волн, либо путём поглощения технологической текучей средой, либо путём поглощения другими средами, которые впоследствии передают тепло технологической текучей среде.

В вариантах осуществления можно использовать термоэлектрические устройства для нагревания с целью проведения реакции в секции 20/120 синтеза сингаза (например, секции 120A парового риформинга, секции 120B сухого риформинга и/или секции 120C автотермического риформинга) при одновременном охлаждении горячего сингаза. Для подачи тепла с целью проведения взаимодействия, протекающего на основе следующей далее реакции синтеза метанола в секции 30/130 синтеза метанола или другой части процесса, можно использовать многоступенчатые термоэлектрические устройства. Термоэлектрические устройства можно использовать для генерирования электрической энергии при охлаждении выходящего потока реакции окисления (например, парциального окисления из секции 20/120 синтеза сингаза) или реактора риформинга (из секции 20/120 синтеза сингаза риформинга). В случаях применения электронагрева одним из достигаемых преимуществ может быть улучшенное распределение тепла и его более высокая равномерность. Например, температура металла труб является конструктивным ограничением нагревателя, работающего от традиционного источника сгорания, при этом наиболее горячая часть располагается вблизи пламени. В случае исключения пламени конструкция может иметь более высокую температуру со стороны процесса, с большей равномерностью, что потенциально приводит к достижению более высокой конверсии в реакторе риформинга и, таким образом, к более высокой общей конверсии. В вариантах осуществления пар, подаваемый в секцию 20/120 синтеза сингаза, может генерироваться при помощи электроэнергии. В вариантах осуществления пар используют в качестве реагента и/или для разбавления в секции 20/120 синтеза сингаза, и пар, применяемый как реагент и/или для разбавления, вырабатывают с использованием электрической энергии. В вариантах осуществления кислород, подаваемый в окислительную часть отделения риформинга секции 20/120 синтеза сингаза, можно получать путём разделения воздуха, питаемого электрической энергией. В вариантах осуществления диоксид углерода, подаваемый в сухой или смешанный риформинг, можно извлекать и/или подавать при помощи электронагревательного и/или электротехнического оборудования.

В вариантах осуществления по меньшей мере 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, большинство или все узлы разделения воздуха (ASU) секции 20/120 синтеза сингаза или других участков на установке синтеза метанола настоящего раскрытия питаются электроэнергией.

Как отмечено выше, установка синтеза метанола настоящего раскрытия может включать в себя секцию 30/130 синтеза метанола. По завершении риформинга поток сингаза можно частично охлаждать, необязательно, его можно подавать в реактор сдвига водяного газа, где образуется дополнительный водород по реакции сдвига между водой и монооксидом углерода с образованием дополнительного водорода и диоксида углерода. Подвергнутый реакции сдвига поток можно охлаждать до температуры, близкой к температуре окружающей среды, и отделять путём конденсации значительную часть воды для получения по существу совершенно сухого газа, называемого сухим газом для синтеза метанола. Давление по существу совершенно сухого газа можно повышать до желаемого давления реакции синтеза метанола, которое может составлять, например, от значения около 1000 до 3000 фунт/кв. дюйм, при помощи одного или нескольких компрессоров. Таким образом, со ссылкой на фиг. 4, в вариантах осуществления секция 30/130 синтеза метанола может включать охлаждение сингаза, полученного в секции 20/120 синтеза сингаза, в охлаждении B1 и/или B2 сингаза, проведение сдвига водяного газа в отношении синтез-газа в 130A, конденсирование воды в охлаждении B3, сжатие сингаза в C2, нагревание сингаза в A4, образование метанола из сингаза по реакции метанола в 130B или их комбинации. Таким образом, секция 30/130 синтеза метанола может включать охлаждающее устройство для осуществления охлаждения B1/B2/B3, выполненное с возможностью отвода тепла от сингаза; устройство для осуществления сдвига водяного газа, выполненное с возможностью подвергать сингаз осуществлению сдвига водяного газа в 130A; устройство для сжатия (также называемое в настоящем документе компрессором сингаза), выполненное с возможностью сжатия сухого сингаза в C2; нагревательное устройство, выполненное с возможностью нагревания сингаза при нагревании A4 сингаза для ввода в синтез метанола в 130B; и/или устройство для синтеза метанола, в котором воплощается синтез метанола в 130B.

Как отмечено выше, секция 30/130 синтеза метанола настоящего раскрытия может включать в себя охлаждение B1/B2/B3 синтез-газа. Например, после риформинга в секции 20/120 синтеза сингаза можно охлаждать синтез-газ. Например, первое охлаждение B1 сингаза может быть выполнено с возможностью отвода тепла (показан в Q6) до осуществления сдвига 130A водяного газа, второе охлаждение B2 сингаза может быть выполнено с возможностью отвода тепла (показан в Q7) после осуществления сдвига 130A водяного газа, конденсирование воды или третье охлаждение B3 сингаза может быть выполнено с возможностью отвода тепла (показан в Q8) и удаления воды 138 из сингаза до осуществления синтеза метанола в 130B. Как отмечено выше, секция 30/130 синтеза метанола может заключать в себе отвод воды, «конденсирование воды» или третье охлаждающее устройство B3. В варианте осуществления фиг. 4, необязательно, подвергнутый реакции сдвига поток 132 сингаза охлаждается при втором охлаждении B2 сингаза, а вода 138 отделяется путём конденсации (с отводом тепла, указанным в Q8) при конденсировании B3 воды для получения потока 134 сухого газа.

Как отмечается ниже, в вариантах осуществления большая часть, больше 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 или 90%, или по существу всё охлаждение B1/B2/B3 питается источником неуглеродной энергии, например, электрической энергией из источника возобновляемой энергии и/или за счёт охлаждения путём теплообмена с технологическим потоком в другой секции установки. Например, в вариантах осуществления охлаждение может достигаться по меньшей мере частично, путём выполнения теплообмена со сжатым потоком 136 сингаза (описываемым ниже в настоящем документе), выходящим после сжатия сингаза (например, с использованием Q7 для получения определённой части или всей энергии Q9). В вариантах осуществления некоторая часть или всё тепло, извлекаемое при охлаждении B1/B2/B3, используют в предварительном нагреве A1/A2/A3. В вариантах осуществления это выполняют с использованием одного или нескольких теплообменников типа сырьё/выходящий поток.

Как отмечено выше, секция 30/130 синтеза метанола настоящего раскрытия может включать осуществление реакции сдвига 130A синтез-газа. Например, по завершении риформинга поток 25/125 продуктов из реактора риформинга можно подвергать реакции сдвига водяного газа в секции 130A конверсии сдвига для получения дополнительного водорода по реакции сдвига водяного газа (WGS) уравнения (4), приведённого выше.

В вариантах осуществления желательно, но без ограничения, проводить риформинг и/или реакцию сдвига для получения синтез-газа (например, для подачи в реакторы синтеза метанола синтеза 130B метанола), который имеет отношение водорода к монооксиду углерода (H₂/CO) около 2, а отношение (H₂-CO₂)/(CO+CO₂), или стехиометрическое число, равное 2 или немного выше. В вариантах осуществления проведение сдвига можно осуществлять любыми подходящими способами, известными в данной области техники. Например, сдвиг может включать высокотемпературный сдвиг, низкотемпературный сдвиг или оба. В варианте осуществления фиг. 4 продукт реактора риформинга в потоке 125 продукта реактора риформинга частично охлаждают на первой ступени или в первом узле (узлах) B1 охлаждения (с отводом тепла, указанным как Q6) для получения охлаждённого продукта реактора риформинга, указанного как поток 131. Охлаждённый поток 131 реактора риформинга вводят в реактор (реакторы) сдвига в 130A, где образуется дополнительный водород (H₂) в результате протекания сдвига H₂O и CO с образованием CO₂ и дополнительного водорода по реакции сдвига водяного газа (WGS) уравнения (4), приведённого выше, для получения потока 132, подвергнутого сдвигу. Можно осуществлять охлаждение B2 подвергнутого сдвигу потока 132 на второй ступени или во втором узле (узлах) B2 охлаждения (с отводом тепла, указанным как Q7) и отвод воды посредством охлаждения B3 (с отводом, тепла, указанным как Q8), в результате чего поток дополнительно охлаждается с образованием охлаждённых, подвергнутых сдвигу потоков 133 и 134, соответственно. Без ограничения, установка синтеза метанола настоящего раскрытия может включать и высокотемпературный сдвиг, и низкотемпературный сдвиг в 130A, поскольку для приближения реакции к завершению требуется низкая температура, но указанная реакция протекает быстрее при высокой температуре.

В вариантах осуществления реактор сдвига используют после проведения реакции синтеза метанола, например, далее по схеме после извлечения 140A сырого метанола и до системы 140B отдува газа. В таких вариантах осуществления реактор сдвига можно использовать для проведения реакции сдвига для части газового потока 142 до ввода, например, в устройство для очистки водорода с целью разделения и возврата водорода в синтез метанола в 130B. В таких вариантах осуществления часть газового потока 142 можно возвращать в синтез метанола в 130B (например, посредством устройства для очистки водорода) без выполнения сдвига. Аналогично по меньшей мере часть подвергнутого реакции сдвига потока из расположенного выше по ходу потока реактора сдвига (например, часть подвергнутого реакции сдвига потока 133 сингаза после осуществления реакции сдвига водяного газа в 130A) можно вводить в устройство для очистки водорода до введения в синтез метанола в 130B. В вариантах осуществления часть сингаза можно отводить для выделения очищенного водородного продукта.

Как отмечено выше, секция 30/130 синтеза метанола настоящего раскрытия может включать сжатие C2 сингаза. Например, вслед за удалением воды путём охлаждения B3 сухой сингаз сжимают для получения сжатого потока 136 перед синтезом метанола в 130B. Как отмечено в настоящем документе, в вариантах осуществления сжатие сухого сингаза можно выполнять без использования газовых и/или паровых турбин (в которых пар производится за счёт сгорания углеводорода (углеводородов)). Например, в таких вариантах осуществления, как например, усовершенствованный вариант применения, для сжатия сухого сингаза перед синтезом метанола в 130B можно использовать компрессор с электроприводом, или электродвигателем, или паровой турбиной, работающей с использованием пара, произведённого при помощи электроэнергии. Как отмечено выше, секция 30/130 синтеза метанола может включать в себя сжатие C2 сингаза. Например, в варианте осуществления фиг. 4 сухой газовый поток 134 вводят в реакцию 130B синтеза метанола посредством сжатия C2 при помощи одного или нескольких компрессоров. В вариантах осуществления сжатие C2 может повышать давление до значения примерно от 1000 примерно до 3000 фунт/кв. дюйм в потоке 136 сжатого сингаза.

Как отмечено выше, секция 30/130 синтеза метанола настоящего раскрытия может включать нагревание A4 синтез-газа. Нагревание сингаза можно использовать в случае нагревания сухого, сжатого потока 136 сингаза до желаемой температуры реакции синтеза метанола в нагретом сингазовом сырье 137. В вариантах осуществления желаемая температура реакции синтеза метанола может находиться в диапазоне примерно от 150°C до 260°C, в зависимости от конструкции реактора синтеза метанола.

Согласно настоящему раскрытию, в вариантах осуществления большую часть, больше 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 или 90% или по существу всё нагревание сжатого потока 135 посредством нагревания A4 сингаза (и подвода тепла, указанного как Q9) можно выполнять при помощи электричества и/или иным способом, который не требует сгорания топлив (например, путём теплообмена с другим технологическим газовым потоком, таким, без ограничения, как охлаждаемый поток 133 сингаза, подвергнутого реакции сдвига).

Как отмечено выше, секция 30/130 синтеза метанола настоящего раскрытия включает в себя синтез 130B метанола. Таким образом, установка синтеза метанола данного раскрытия включает в себя устройство для синтеза метанола, предназначенное для осуществления синтеза 130B метанола. Секция 30/130 синтеза метанола может включать в себя один или несколько реакторов синтеза метанола или слоёв катализатора для осуществления синтеза 130B метанола. Число и размещение реакторов синтеза метанола, как правило, известно специалистам в данной области техники. Например, реактор синтеза метанола может представлять собой 1-проходный реактор синтеза метанола, размещённый после сжатия сингаза и снабжённый вторым компрессором для рециркуляции после извлечения сырого метанола (как в варианте осуществления фиг. 4); 1-проходный реактор синтеза метанола, за которым следует реактор синтеза метанола с рециркуляцией; 2 последовательных реактора синтеза метанола внутри циркуляционной петли сингаза или любое разнообразие других конфигураций для синтеза метанола, известных специалистам в данной области техники.

Синтез метанола включает в себя три следующих уравнения,

уравнения (7)-(9):

CO + 2H₂ CH₃OH ΔH°_500K= -23,4 ккал/мол … (7)

CO₂ + 3H₂ CH₃OH + H₂O ΔH°_500K= -13,9 ккал/мол … (8)

Обратный сдвиг WGS CO₂ + H₂ CO+H₂O ΔH°_500K= 9,5 ккал/мол … (9)

В синтезе метанола CO, CO₂ и H₂ в сингазовом сырье, в потоке 137 реагируют с образованием метанола по уравнениям (7) и (8). Данную реакцию можно проводить, например, при температуре около 235°C на катализаторе, содержащем медь или цирконий. В вариантах осуществления в качестве катализатора используют смесь оксидов меди и цинка, нанесённых на оксид алюминия. Реакция является экзотермической (с отводом тепла, указанным как Q10), а конверсия является равновесной ограниченной. Отвод тепла можно включать в конструкцию реактора, например, в виде межступенчатого охлаждения между множественными реакторами и/или слоями катализатора внутри одного и того же реактора, посредством водного охлаждения или впрыскивания холодного газа, включая сингаз. На данном катализаторе также имеет место реакция сдвига водяного газа (уравнение (9)). Так как уравнения (7), (8) и (9) являются обратимыми, важно контролировать условия процесса в части температуры, давления и смеси синтез-газа. Существуют многие конструкции реактора, и основные различия в конструкции реактора состоят в том, как контролируется температура реакции. Согласно данному раскрытию, можно использовать любую подходящую технологию синтеза метанола, если только режим эксплуатации следует ограничениям по энергии, представленным в настоящем документе. Например, в вариантах осуществления реактор синтеза метанола работает с охлаждением для поддержания желаемой температуры синтеза метанола, выполняемым при помощи электроэнергии. В вариантах осуществления согласно настоящему раскрытию регулирование температуры реактора при помощи электричества может обеспечивать возможность улучшенного контроля температуры. Например, в вариантах осуществления для синтеза метанола в секции 30/130 синтеза метанола можно использовать комбинации методов нагревания и охлаждения. В вариантах осуществления для нагрева сингаза до температуры реакции синтеза метанола используют электронагреватель. В вариантах осуществления для нагрева сингаза до температуры реакции синтеза метанола используют парокомпрессионный тепловой насос. В вариантах осуществления для охлаждения реактора синтеза метанола используют тепловой насос (парокомпрессионный, химический, абсорбционный или адсорбционный). В вариантах осуществления для нагревания, охлаждения или одновременного нагревания части реакционного контура и охлаждения другой его части используют термоэлектрическое устройство. В вариантах осуществления тепло реакции синтеза метанола отводят путём нагревания воды для производства пара, путём нагревания другого теплоносителя и/или путём теплообмена с технологическим газом или газообразными теплоносителями. Например, в вариантах осуществления тепло, полученное в ходе Q10 и/или Q11, можно использовать для обеспечения некоторой части или всего подвода тепла, требуемого в Q9, путём теплообмена между потоком 135 метанольного продукта и потоком 136 сжатого сингаза. Метанольный продукт можно отводить из синтеза 130B метанола в виде потока 135 метанольного продукта.

Согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия синтез 30/130 метанола можно осуществлять при пониженном потреблении неуглеродной энергии, использовании возобновляемой энергии и/или электрической энергии (например, электрической энергии из возобновляемого и/или невозобновляемого источника (источников)). Например, в вариантах осуществления отвод Q6 тепла, требуемый для достижения желаемой температуры реакции сдвига водяного газа, путём охлаждения B1, можно обеспечивать при помощи электроэнергии; отвод Q7 тепла, требуемый для выполнения охлаждения B2 сингаза, можно обеспечивать при помощи электроэнергии; отвод Q8 тепла для охлаждения и удаления/конденсирования B3 воды можно обеспечивать при помощи электроэнергии; сжатие, обеспечиваемое при сжатии C2 сингаза, можно выполнять компрессором с двигателем или иным электрическим приводом, а не турбиной с паровым или газовым приводом, либо при помощи турбины, приводимой в движение паром, произведённым с использованием электроэнергии; нагревание Q9, требуемое для достижения желаемой температуры синтеза метанола при нагревании A4, можно обеспечивать за счёт электроэнергии; для отвода Q10 тепла из реактора (реакторов) синтеза метанола синтеза 130B метанола или их комбинаций можно использовать охлаждение при помощи электроэнергии.

Как отмечено выше, установка синтеза метанола настоящего раскрытия может включать в себя секцию 40/140 очистки метанола. Секция 40/140 очистки метанола может быть выполнена с возможностью выделения сырого метанольного продукта из продукта синтеза метанола, удаления одного или нескольких компонентов (например, лёгких фракций, тяжёлых побочных продуктов, воды или их комбинаций) из сырого метанольного продукта, возвращения паров сингаза в синтез 130B метанола и/или отдува газа из данной системы. В вариантах осуществления можно использовать любую подходящую систему очистки метанола, известную в данной области техники, если только она модифицирована с целью подключения неуглеродной энергии, возобновляемой энергии и/или электрической энергии (например, электрифицирована с целью применения возобновляемой и/или невозобновляемой электрической энергии для питания) в соответствии с настоящим раскрытием.

В вариантах осуществления секция 40/140 очистки метанола может включать в себя устройство для выделения сырого метанола, циркуляционный компрессор для возвращения паров сингаза в устройство для синтеза метанола, систему отдува газа, выполненную с возможностью отдува газа (например, части непревращённого синтез-газа, обогащённого инертными веществами и другими менее желаемыми компонентами, такими как CO₂ и N₂) из секции очистки метанола; устройство для удаления лёгких фракций, устройство для отделения тяжёлых побочных продуктов, устройство для разделения метанол/вода, устройство для совместного нагревания, охлаждения и/или сжатия, либо их комбинации, как дополнительно описано ниже в настоящем документе.

Как отмечено выше, секция 40/140 очистки метанола может включать в себя охлаждение. Например, охлаждение B4 можно использовать далее по схеме после синтеза 130B метанола (с отводом тепла, указанным как Q11). В вариантах осуществления выходящий поток реактора синтеза метанола охлаждается в ходе охлаждения B4 до температуры, близкой к температуре окружающей среды, при этом конденсируются сырой метанол и вода, образовавшаяся в результате реакции. В вариантах осуществления большая часть, больше 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 или 90% или по существу вся энергия, потребляемая для обеспечения отвода Q11 тепла, требуемого при охлаждении B4 сингаза, подаётся из источника неуглеродной энергии, из источника возобновляемой энергии, как например, возобновляемая электроэнергия, и/или из источника электрической энергии (из возобновляемого и/или невозобновляемого источника). В вариантах осуществления определённая часть или большинство из числа насосов, используемых для циркуляции охлаждающей воды, приводится в действие при помощи электроэнергии. Как отмечено выше в настоящем документе, желательно, чтобы отвод Q11 тепла выполнялся путём теплообмена со сжатым потоком 136 сингаза для обеспечения подвода Q9 тепла при нагревании A4 сингаза.

Как отмечено выше, секция 40/140 очистки метанола может включать в себя извлечение сырого метанола в 140A. В вариантах осуществления извлечение сырого метанола реализуют при помощи газожидкостного сепаратора, выполненного с возможностью разделения воды и метанола, сконденсировавшихся из газа (например, паров сингаза) при охлаждении B4.

Как отмечено выше, секция 40/140 очистки метанола может включать в себя устройство для сжатия (также называемое в настоящем документе циркуляционным компрессором) C3, выполненное с возможностью возврата непревращённого сингаза в один или несколько реакторов синтеза метанола. В варианте осуществления фиг. 4, непрореагировавший газ сжимают при помощи циркуляционного компрессора C3 и возвращают обратно в синтез 130B метанола в виде потока 144 рециркуляционного газа. В вариантах осуществления рециркуляционное сжатие можно также объединять со сжатием сингаза. При получении синтез-газа из метана паровым риформингом образуется три моль водорода на каждый моль монооксида углерода (уравнение (3)), тогда как при синтезе метанола (уравнение (6)) расходуется только два моль газообразного водорода на моль монооксида углерода. Для решения задачи, связанной с избыточным водородом, в вариантах осуществления в реактор (реакторы) синтеза метанола можно впрыскивать диоксид углерода. Таким образом, в вариантах осуществления диоксид углерода можно вводить в один или несколько реакторов синтеза метанола при помощи компрессора C2 или C3, как указано в виде потока 123' CO₂ в варианте осуществления фиг. 4.

В потоке рециркуляционного газа накапливаются остаточный метан и другие инертные вещества, такие как азот и аргон, а также непрореагировавшие CO, H₂ и CO₂. Их можно отдувать из рециркуляционного газа посредством системы для отдува газа. Как отмечено выше, таким образом секция 40/140 очистки метанола может включать в себя систему для отдува газа, выполненную с возможностью отдува газа (например, в том числе метана, азота, аргона) из секции 40/140 очистки метанола. В вариантах осуществления для решения проблемы остаточного газа (например, метана, азота, аргона), накапливающегося в рециркуляционном газе в потоке 144 рециркуляционного газа, из рециркуляционного газа отдувают часть газа при помощи системы 140B отдува газа. В варианте осуществления фиг. 4 отдувочный газ, находящийся в линии 143, поступает в систему 140B отдува газа и удаляется из установки синтеза метанола по линии 105' отдува. В вариантах осуществления отдувочный поток 105'' используют для извлечения отдувочного газа после циркуляционного компрессора C3. В вариантах осуществления весь отдувочный газ или его часть можно вводить в секцию 10/110 предварительной обработки или секцию 20/120 синтеза сингаза как компонент сырья реактора риформинга. В вариантах осуществления система 140B отдува газа может включать в себя отвод тепла, который можно обеспечивать при помощи электроэнергии. Для содействия улучшению извлечения метанола за один проход и исключения потерь можно использовать дополнительные стадии, такие как мокрая очистка. Некоторые системы отдува газа включают в себя дополнительные операции разделения для извлечения конкретных компонентов отдувочного газа, таких как водород. Такие дополнительные стадии, операции разделения и устройства для них (например, удаление водорода и/или устройство для очистки водорода, мокрая очистка и/или устройство для мокрой очистки) находятся в пределах объёма настоящего раскрытия. В вариантах осуществления в качестве методов разделения можно использовать фракционирование, адсорбцию; разделение при помощи газопроницаемой мембраны, молекулярных сит; абсорбцию. Для улучшения или обеспечения возможности практической осуществимости или эффективного действия методов разделения в вариантах осуществления можно использовать химические реакции (например, метанирование). В вариантах осуществления такие дополнительные операции разделения также электрифицированы и/или выполняются по меньшей мере частично без использования невозобновляемой углеродной энергии. В вариантах осуществления отдувочный газ не сжигают вследствие его топливной ценности, что является обычным в традиционном режиме работы. В вариантах осуществления сжигают около 50, 40, 30, 20, 10, 5, 4, 3, 2 или 1 массового процента (масс.%) отдувочного газа или меньше (например, в секции 20/120 синтеза сингаза или в других частях установки синтеза метанола). В вариантах осуществления отдувочный газ не сжигают ради его топливной ценности, а отделяют в один или несколько различных потоков, содержащих конкретные соединения или группы соединений, при этом такие один или несколько различных потоков далее подвергают обработке конкретными целесообразными способами. Например, в вариантах осуществления из отдувочного газа удаляют метан и/или азот (например, фракционированием). В вариантах осуществления метан и азот удаляют из отдувочного газа криогенным фракционированием, в котором охлаждение реализуется с использованием парокомпрессионного теплового насоса, при этом компрессор приводится в действие электродвигателем. В вариантах осуществления метан возвращают в цикл для использования в качестве сырья для синтеза метанола. В вариантах осуществления азот и/или метан, удаляемый из процесса, направляют для использования в процессе синтеза аммиака. В вариантах осуществления из процесса удаляют инертные газы, такие как азот и аргон, тогда как некоторые или все остальные компоненты (например, CO, CO₂, метан и/или водород) возвращают в цикл. В вариантах осуществления водород выделяют из отдувочного газа в виде потока 105' или 105'' отдувочного газа и возвращают выделенный водород непосредственно в секцию 30/130 синтеза метанола и/или используют для другой функции на установке (например, используют в секции предварительной обработки сырья, например, для гидрообессеривания по уравнению (1) или сжигают для получения тепла). В вариантах осуществления водород, выделенный из отдувочного газа в виде потока 105' или 105'' отдувочного газа, выводят из процесса и потребляют в другом месте.

В вариантах осуществления система разделения отдувочного газа включает множественные системы, принимающие газовые потоки из различных частей установки, например, систему отдува газа высокого давления для отдувочных газов петли синтеза метанола и систему отдува газа низкого давления для лёгких фракций колонны дегазации сырого метанола. В вариантах осуществления различные потоки множественных систем можно соединять вместе последовательно или параллельно в общей схеме переработки отдувочного газа. В вариантах осуществления используют компрессор для повышения давления отдувочного газа низкого давления с целью обеспечения возможности рециркуляции или обработки в системе разделения отдувочного газа, работающей при более высоком давлении. В вариантах осуществления система отдува газа представляет собой отдельный, единый узел обработки.

В вариантах осуществления установка синтеза метанола дополнительно включает в себя устройство для выделения водорода, размещённое далее по схеме после секции синтеза метанола и выполненное с возможностью выделения водорода, полученного в реакторе риформинга, из отдувочного газа, обеспечивающее таким образом получение выделенного потока водорода; устройство для очистки водорода, выполненное с возможностью осуществления очистки выделенного потока водорода, обеспечивающее таким образом получение потока очищенного водорода; и/или один или несколько топливных элементов, выполненных с возможностью выработки электрической энергии из потока очищенного водорода. Установка синтеза метанола может дополнительно включать в себя устройство для хранения, выполненное с возможностью хранения выделенного водорода, очищенного водорода или их комбинаций таким образом, что выделенный водород, очищенный водород или их комбинации можно хранить, когда электрическая энергия легко доступна, и за счёт этого хранимый водород можно использовать для выработки электроэнергии в одном или нескольких топливных элементах, когда другие источники электрической энергии не находятся в лёгком доступе и/или недоступны по желаемой цене. В вариантах осуществления выделенный водород направляют в процесс синтеза аммиака и/или другой процесс.

Как отмечено выше, секция 40/140 очистки метанола может включать в себя выделение метанола из сырого метанольного продукта в потоке 146 сырого метанола. Можно использовать любые подходящие операции разделения, если только на установке синтеза метанола их выполняют с использованием неуглеродной энергии, возобновляемой энергии и/или электрической энергии (например, возобновляемой и/или невозобновляемой электрической энергии) согласно данному раскрытию. В вариантах осуществления температура выделения метанола из потока сырого метанола в секции очистки, как правило, составляет 150°C или ниже. В вариантах осуществления выделение метанола из потока сырого метанола включает в себя удаление лёгких фракций, тяжёлых побочных продуктов и/или воды из метанола для получения очищенного метанольного продукта 145.

В вариантах осуществления выделение метанола из потока 146 сырого метанола включает в себя удаление лёгких фракций из сырого метанольного продукта в 140C. В вариантах осуществления колонну дегазации используют в 140C для отделения сырого метанола от лёгких газов в виде потока 147. Для реализации упомянутого удаления лёгких фракций в вариантах осуществления можно подавать тепло (указанное как Q12). Согласно настоящему раскрытию, в вариантах осуществления большая часть, больше 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 или 90%, или по существу весь полезный подвод (Q12) тепла, требуемый для удаления лёгких фракций продуктов в 140C, обеспечивается на основе источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, такой как возобновляемая электрическая энергия, и/или электрической энергии (например, электрической энергии из возобновляемого и/или невозобновляемого источника).

В вариантах осуществления выделение метанола из потока сырого метанола дополнительно включает в себя отделение тяжёлых побочных продуктов при выделении 140D тяжёлых побочных продуктов. Побочные продукты в виде углеводородов и высших спиртов, которые образуются в условиях реакции синтеза метанола при синтезе 130B метанола, можно отделять фракционированием. Указанные тяжёлые побочные продукты можно отбирать либо в виде бокового погона или из устройства для удаления лёгких фракций (например, колонны дегазации), используемого при удалении 140B лёгких фракций, или из устройства для разделения метанол/вода (например, башни для очистки метанола) при разделении 140E метанол/вода, либо в виде верхнего или нижнего продукта из разделительной дистилляционной башни. Например, как показано в варианте осуществления фиг. 4, поток 147 метанола после удаления 140C лёгких фракций можно вводить в устройство для отделения тяжёлых побочных продуктов в 140D, в котором тяжёлые побочные продукты можно удалять из потока 148 метанола. Для реализации упомянутого удаления в вариантах осуществления тяжёлых побочных продуктов можно подводить или отводить тепло (указанное как Q13). Согласно настоящему раскрытию, в вариантах осуществления большая часть, больше 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 или 90%, либо по существу весь подвод или отвод (Q13) полезного тепла, необходимый при отделении 140D тяжёлых побочных продуктов, обеспечивается на основе источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии (например, источника энергии E_NF неископаемого топлива), такой как возобновляемая электрическая энергия, и/или электрической энергии (например, электрической энергии из возобновляемого и/или невозобновляемого источника).

В вариантах осуществления выделение метанола из потока сырого метанола дополнительно включает в себя разделение метанола и воды при разделении 140E метанол/вода. В вариантах осуществления метанол и воду подвергают дистилляции с целью очистки метанола и, таким образом, получают очищенный метанольный продукт 145 и воду 149. В случаях, когда вода в достаточной степени освобождена от вредных загрязнителей или химических модификаторов, имеющихся в следовых количествах, таких как NaOH, воду 149 можно возвращать в реактор (реакторы) сдвига для осуществления реакции сдвига в 130A и/или возвращать на генерирование 112 пара. В качестве альтернативы, перед возвращением в цикл воду 149 можно очищать.

В целях тепловой интеграции разделение метанол/вода в ходе 140E можно выполнять в одной фракционирующей башне (например, дистилляционной колонне) или многочисленных башнях (например, многочисленных дистилляционных колоннах). Для выполнения упомянутого разделения метанол/вода в вариантах осуществления можно подводить или отводить тепло (указанное как Q14). Согласно настоящему раскрытию, в вариантах осуществления большая часть, больше 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 или 90%, или по существу весь подвод или отвод (Q14) полезного тепла, требуемый при разделении 140E метанол/вода, обеспечивается на основе источника неуглеродной энергии E_NC, источника возобновляемой энергии (например, источника энергии E_NF неископаемого топлива), такой как возобновляемая электрическая энергия, и/или электрической энергии (например, электрической энергии из возобновляемого и/или невозобновляемого источника). Для повышения эффективности разделения, в вариантах осуществления температуры отдельных тарелок в дистилляционной колонне разделения 140E метанол/вода регулируют при помощи электроэнергии.

В соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия очистку метанола можно выполнять с пониженным потреблением неуглеродной энергии и/или невозобновляемой энергии, с (повышенным) потреблением возобновляемой энергии и/или с использованием электрической энергии (например, возобновляемой электрической энергии из возобновляемого и/или невозобновляемого источника (источников)). Например, в вариантах осуществления отвод Q11 полезного тепла (например, любой отвод тепла, необходимого сверх того, который обеспечивается за счёт теплообмена с другим технологическим потоком), необходимый при охлаждении B4 сингаза, можно обеспечивать при помощи электроэнергии; сжатие, обеспечиваемое в циркуляционном компрессоре C3, можно реализовывать при помощи компрессора с двигателем или иным электрическим приводом, а не турбины с паровым или газовым приводом, либо турбины, приводимой в движение паром, полученным с использованием электрической энергии; подвод или отвод Q12 полезного тепла, необходимый для удаления лёгких фракций в ходе 140C, можно обеспечивать при помощи электроэнергии; подвод или отвод Q13 полезного тепла, требуемый для отделения 140D тяжёлых побочных продуктов, можно обеспечивать при помощи электроэнергии; подвод или отвод Q14 полезного тепла, требуемый для разделения 140E вода/метанол, можно обеспечивать при помощи электроэнергии; или можно обеспечивать таким путём их комбинации.

Как отмечено в таблице 1 выше в настоящем документе, электрический нагрев обеспечивает более высокую энергоэффективность, чем нагрев за счёт сгорания топлив. В вариантах осуществления источники сырья дистилляционной колонны можно нагревать путём механического нагрева, при помощи элементов резистивного нагрева, полного сопротивления, термоэлектрических устройств и/или под действием электромагнитных волн, нагревающих технологическую текучую среду или другие среды, от которых передаётся тепло. В вариантах осуществления дистилляционные колонны можно нагревать с использованием электричества применительно к кипятильникам и/или в отдельных секциях путём механического нагрева, при помощи резистивных электронагревателей, полного сопротивления, термоэлектрических устройств и/или под действием электромагнитных волн, нагревающих технологическую текучую среду или другие среды, от которых передаётся тепло. Можно использовать тепловые насосы (парокомпрессионные, абсорбционные, адсорбционные или химические). В вариантах осуществления в качестве тепловых насосов можно применять термоэлектрические устройства. В вариантах осуществления конденсаторы и охладители продуктов дистилляционной колонны можно охлаждать при помощи питаемых электричеством воздушных холодильников, контуров охлаждающей воды, термоэлектрических устройств и/или тепловых насосов.

В вариантах осуществления одну или несколько операций Q1-Q15 можно обеспечивать за счёт рекуперированного тепла, а не за счёт подаваемой извне энергии. В вариантах осуществления большая часть, больше 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 или 90%, либо по существу весь подвод или отвод полезного тепла, требуемый в установке синтеза метанола, секции предварительной обработки сырья, секции синтеза сингаза, секции синтеза метанола, секции очистки метанола или их комбинаций, обеспечивается на основе источника неуглеродной энергии E_NC, источника возобновляемой энергии (например, источника энергии E_NF неископаемого топлива), такой как возобновляемая электрическая энергия и/или электрической энергии (например, электрической энергии из возобновляемого и/или невозобновляемого источника (источников)). В вариантах осуществления большая часть, больше 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 или 90%, либо по существу весь подвод или отвод полезного тепла, требуемый в установке синтеза метанола, секции предварительной обработки сырья, секции синтеза сингаза, секции синтеза метанола, секции очистки метанола или их комбинаций, обеспечивается на основе источника неуглеродной энергии E_NC, источника возобновляемой энергии (например, источника энергии E_NF неископаемого топлива), такой как возобновляемая электрическая энергия, и/или электрической энергии (например, электрической энергии из возобновляемого и/или невозобновляемого источника (источников)).

В вариантах осуществления большая часть, больше 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 или 90%, либо по существу вся энергия, требуемая для сжатия (например, при регулировании C1 давления сырьевого газа, сжатии C2 сингаза и/или при работе циркуляционного компрессора C3) в установке синтеза метанола, секции предварительной обработки сырья, секции синтеза сингаза, секции синтеза метанола, секции очистки метанола или их комбинаций, подаётся из источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, такой как возобновляемая электрическая энергия, и/или электрической энергии (например, электрической энергии из возобновляемого и/или невозобновляемого источника (источников)). Например, для достижения сжатия в масштабе всей установки синтеза метанола или её одной или нескольких секций можно использовать электродвигатель, турбину с электроприводом и/или турбину, приводимую в движение паром, полученным с использованием электричества. В вариантах осуществления большинство, больше 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 или 90%, либо по существу все компрессоры заменены электродвигателем, турбиной с электроприводом и/или турбиной, приводимой в движение паром, полученным с использованием электричества, или работают с их использованием.

В вариантах осуществления электрическую энергию можно использовать для сообщения движущей силы текучим средам. Например, электрическую энергию можно использовать для подачи питания в насосы с целью перемещения жидкостей и/или нагнетания в них давления, и/или подачи питания в воздуходувки и/или вентиляторы. В вариантах осуществления определённая доля, большинство или всё (например, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100%) количество насосов, используемых на установке синтеза метанола, электрифицировано.

В вариантах осуществления электрическую энергию используют для получения немного более холодной (например, на 2, 5, 10 или 15°C холоднее) охлаждающей воды, чем обычная.

Как отмечено выше, при использовании электрической энергии из возобновляемого источника, который характеризуется потенциальной или известной непостоянной подачей (например, непостоянный источник энергии или IES), для поддержания работы установки синтеза метанола в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия можно отбирать различные стадии. Подобное обращение с источником IES может представлять собой такое, как описано в предварительных заявках на патент США №№ 62/792636 и 62/792637, имеющих название Use of Intermittent Energy in the Production of Chemicals, поданных 15 января 2019 г., раскрытие каждой из которых включено в данный документ в целях, не противоречащих настоящему раскрытию. Например, в вариантах осуществления с учётом непостоянной подачи электричества хранят сжатый водород. В качестве альтернативы или дополнительно, для режима непостоянной подачи электричества можно хранить одну или несколько криогенных жидкостей. В качестве альтернативы или дополнительно, для режима непостоянной подачи электричества можно хранить тепло. В качестве альтернативы или дополнительно, для режима непостоянной подачи электричества можно иметь в распоряжении батареи. Можно предусматривать резервное питание для ключевых компонентов; для режима непостоянной возобновляемой электрической энергии в вариантах осуществления можно использовать невозобновляемую электрическую энергию как резервную. Например, такое резервное питание можно вырабатывать при помощи устройства, приводимого в действие сжатым газом или маховиком. В качестве альтернативы или дополнительно, в вариантах осуществления сырьё (например, сырьё в виде природного газа) можно сжимать и хранить в то время, когда электрическая энергия доступна, и расширять посредством энергетической турбины для подачи сырья и электроэнергии в периоды времени слабого снабжения электричеством. В качестве альтернативы или дополнительно, извлечённый H₂ (например, извлечённый из отдувочного газа 143, 105', 105'') можно нагнетать при повышенном давлении и хранить тогда, когда электроэнергия доступна, и использовать для генерирования электроэнергии с использованием топливного элемента в периоды времени слабого снабжения электричеством.

Подачу электричества на установку синтеза метанола настоящего раскрытия можно обеспечивать путём снабжения электрической энергией, которая может быть высоковольтной или низковольтной. Электрические устройства могут быть выполнены с возможностью функционирования или работать на переменном (однофазном или многофазном) или постоянном токе.

В вариантах осуществления не используется пар, генерируемый за счёт сгорания топлив или производимый исключительно для передачи тепла и/или энергии, на установке синтеза метанола и в способе настоящего раскрытия (например, в секции 10 предварительной обработки, секции 20/120 синтеза сингаза/риформинга, секции 30/130 синтеза метанола и/или секции 40/140 очистки метанола). Таким образом, в вариантах осуществления установка синтеза метанола, соответствующая настоящему раскрытию, может работать без сложной паровой системы для передачи тепла и/или энергии (которая традиционно может использоваться на химической установке для производства метанола). В некоторых вариантах применения, например, если пар используют внутри реактора как компонент сырья и/или разбавитель, такой пар можно получать за счёт теплопередачи от технологического потока в пределах установки синтеза метанола и/или его можно производить с использованием электричества. В вариантах осуществления пар, генерируемый за счёт теплопередачи от технологического потока, можно перегревать с использованием электричества. В вариантах осуществления пар не используется в качестве сырьевого или энергетического ресурса на всей установке синтеза метанола. В вариантах осуществления установка синтеза метанола настоящего раскрытия по существу не содержит пара или на ней используют по существу меньше пара (например, используют по меньшей мере на 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100 объёмных процентов (об.%) меньше пара), чем на традиционной установке получения метанола. Например, на традиционной установке получения метанола может использоваться производство пара для кипятильников дистилляционной колонны секции 10 предварительной обработки сырья, и/или в секции 40/140 очистки метанола может использоваться производство пара для приведения в движение паровых турбин с целью сжатия технологических и/или рециркуляционных потоков, либо может использоваться производство пара для приведения в движение паровых турбин с целью остужения. В вариантах осуществления пар не производят для указанных операций на установке синтеза метанола, соответствующей настоящему раскрытию, или производят по существу меньше пара (например по меньшей мере на 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100 объёмных процентов (об.%) пара меньше). В вариантах осуществления пар используют как теплоноситель, но не применяют для совершения механической работы (например, для приведения в действие компрессора или насоса). В вариантах осуществления пар, генерируемый для указанных операций, главным образом (например, наибольшую долю из общего количества используемого пара производят с использованием электроэнергии), в основном (например, больше 50% пара производят с использованием электроэнергии) или по существу полностью производят с использованием электроэнергии. В вариантах осуществления пар, используемый в качестве реагента или разбавителя, главным образом (например, наибольшую долю из общего количества используемого пара производят с использованием электроэнергии), в основном (например, больше 50% пара производят с использованием электроэнергии) или по существу полностью производят с использованием электроэнергии.

В вариантах осуществления на установке синтеза метанола или в процессе настоящего раскрытия, большую часть энергии потребляют непосредственно «как есть», например, используя тепло, поступающее от горячего выходящего потока продуктов, для нагревания потока сырья, не подвергая его преобразованию, например, путём генерирования пара и превращения тепловой энергии в механическую энергию при помощи паровой турбины. Согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия непосредственное использование энергии может повышать энергоэффективность установки синтеза метанола, например, за счёт снижения потерь энергоэффективности, которые имеют место в случае превращения тепла в механическую энергию.

Поскольку потребление энергии представляет собой большую долю эксплуатационных затрат традиционной установки синтеза метанола, повышение энергоэффективности (например, путём электрификации) согласно настоящему раскрытию и/или использование метана, обычно сжигаемого с целью подачи тепла для риформинга и/или сжигаемого для сжатия (например, сжигаемого с целью производства пара для паровой турбины или сжигаемого для газовой турбины), для получения дополнительного количества метанола может обеспечивать экономические преимущества по сравнению с традиционной установкой синтеза метанола. Сопутствующим образом, уменьшение сжигания ископаемых топлив (например, природного газа, метана) в качестве топлива, предусматриваемое настоящим раскрытием, обеспечивает возможность снижения выбросов парникового газа (GHG) по сравнению с традиционной установкой синтеза метанола, на которой углеводороды сжигают в качестве топлива. В вариантах осуществления выбросы GHG (например, выбросы диоксида углерода) снижаются по меньшей мере на 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100% по отношению к традиционной установке синтеза метанола, на которой углеводороды сжигают в качестве топлива. В вариантах осуществления настоящего раскрытия количество CO₂, образующегося на тонну полученного метанола, снижается до 0,30; 0,25; 0,2; 0,1; 0,05 или 0 тонн CO₂ на тонну метанола. В вариантах осуществления энергоэффективность (например, снижение потерь энергии) увеличивается за счёт исключения топочного газа, поскольку исключается потеря тепла, содержащегося в топочном газе, в атмосферу. В вариантах осуществления энергоэффективность (например, снижение потерь энергии) увеличивается за счёт уменьшения или исключения использования пара для совершения механической работы. В вариантах осуществления энергоэффективность процесса повышается таким образом, что удельный расход энергии (суммарный подвод полезной энергии, в том числе сырьевой метан, топливо и электрическая энергия с учётом образующихся в процессе побочных продуктов, делённый на производительность) составляет 34, 33, 32, 31, 30, 29, 28 или 27 ГДж/т полученного метанола, при этом удельный расход энергии вычисляют с использованием высшей теплотворной способности топлива, сырья и побочных продуктов. В вариантах осуществления аспекты настоящего раскрытия могут приводить к повышению эффективности процесса по углероду, т.е. увеличению доли углерода, расходуемого в процессе, который снова появляется в виде полезного продукта. В вариантах осуществления эффективность процесса по углероду составляет около 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94, 95, 96, 97, 98, 99 или 100% или больше.

Традиционно энергию, требуемую для типовых операций в химических процессах, как правило, обеспечивают за счёт сжигания ископаемых топлив, особенно часто природного газа. В вариантах осуществления настоящего документа раскрыты системы и способы, посредством которых указанный подвод энергии можно уменьшить или заменить неуглеродной энергией, возобновляемой энергией, такой как возобновляемая электрическая энергия, и/или электрической энергией из любого источника (например, возобновляемого и/или невозобновляемого) с повышением энергоэффективности. Раскрытое в настоящем документе применение неуглеродной энергии, возобновляемой энергии (например, энергии, полученной из неископаемого топлива) и/или электрической энергии в производстве химических продуктов, таком как получение метанола риформингом сингаза или парциальным окислением, повышает энергоэффективность и/или уменьшает и/или исключает выбросы диоксида углерода и расход ископаемого топлива в процессе синтеза метанола.

В вариантах осуществления пар не используют в качестве среды, передающей энергию, нигде в процессе. В вариантах осуществления пар используют только как среду, передающую энергию, для перемещения тепловой энергии в рамках процесса, например, для облегчения использования тепла, извлечённого в результате охлаждения одного технологического потока, при нагревании второго технологического потока. В вариантах осуществления некоторую часть или всё тепло, извлечённое в результате охлаждения одного или нескольких технологических потоков, используют только для нагрева одного или нескольких других технологических потоков путём прямого теплообмена (т.е. путём прямого или непрямого теплопереноса к другому технологическому потоку без использования пара как посредника-теплоносителя). В вариантах осуществления на установке синтеза метанола пар не используют для совершения механической работы. В вариантах осуществления на установке синтеза метанола не образуется топочный газ в результате сгорания топлива, углеродного топлива, ископаемого топлива или их комбинаций. В вариантах осуществления водород, извлекаемый из процесса синтеза метанола (например, из потоков 143, 105', 105'' отдувочного газа), направляют на установку синтеза аммиака. В вариантах осуществления водород, извлекаемый из процесса (например, из потоков 143, 105', 105'' отдувочного газа), направляют в другой химический процесс, например, для использования в переработке нефти и/или нефтепродуктов.

В вариантах осуществления используют электронагрев для установления температурного профиля в реакторе (например, реакторе риформинга) секции 20/120 синтеза сингаза, реакторе синтеза метанола и/или реакторе сдвига водяного газа, как например, при синтезе 130B метанола и сдвиге 130A водяного газа в секции 30/130 синтеза метанола, или их комбинации. В вариантах осуществления используют механический нагрев для нагревания сырья, поступающего в реактор (например, реактор риформинга) секции 20/120 синтеза сингаза, реактор синтеза метанола и/или реактор сдвига водяного газа, как например, синтеза 130B метанола и сдвига 130A водяного газа в секции 30/130 синтеза метанола, или их комбинации.

Примеры

Хотя варианты осуществления изобретения уже изложены в общем виде, следующие ниже примеры приведены как конкретные варианты осуществления настоящего раскрытия, а также для демонстрации его практического воплощения и преимуществ. Очевидно, что данные примеры представлены в форме иллюстрации и никоим образом не предназначены для ограничения описания или формулы изобретения. Употребляемая в настоящем документе косая черта «/» между компонентами или стадиями процесса указывает на термин «и/или», например, «предварительное нагревание сырья A1/A2/A3» указывает на «предварительное нагревание сырья A1, A2, A3 или их комбинации». Аналогичным образом, «140D/140E» указывает на «140D, 140E или они оба». Хотя в вариантах примеров моделирования процесса используются конкретные рабочие условия, следует понимать, что для специалистов в данной области техники по прочтении данного раскрытия могут быть очевидны и другие рабочие условия (например, температуры, скорости потоков и т.д.), и подразумевается, что они включены в объём настоящего раскрытия.

Сравнительный пример 1

С целью определения тепловых и массовых потоков для типичного процесса III получения метанола из природного газа осуществляли моделирование процесса. Моделирование процесса, использованное в данном сравнительном примере 1, выполняли с применением Aspen Plus®, программного обеспечения для моделирования промышленного химического процесса. При моделировании не представлена конкретная рабочая установка, но оно является характерным для типичной установки или процесса III, описанного ниже в настоящем документе со ссылкой на фиг. 5; параметры конструкции взяты из сведений о конкретных установках, а также литературной информации по типичным операциям процесса. Хотя для специалиста в данной области техники будут очевидны изменения, в данном сравнительном примере 1 представлен типичный процесс III, который можно использовать как основу для сравнения эффектов модифицирования путём электрификации согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия.

Процесс III сравнительного примера 1 осуществляют с возможностью получения 5 000 тонн метанола в день. При времени работы 8 000 часов в год это будет приводить к получению 1,67 миллиона тонн метанола, хотя изменения в периодах времени простоя вследствие неполадок и эксплуатационного обслуживания смогут увеличивать или уменьшать указанный выпуск продукции. Указанный объём является типичным для современных крупных метанольных установок.

Состав природного газа, используемого в сравнительном примере 1, а также всех последующих примерах и сравнительных примерах, является типичным для природного газа, обнаруженного в некоторых районах Ближнего Востока. Он содержит 88,9 мол.% метана; 2,3 мол.% этана; 0,8 мол.% C₃₊-углеводородов; 7,8% N₂ и 0,2% CO₂. Он характеризуется высшей теплотворной способностью (HHV), равной 48,0 ГДж/т.

Как показано на фиг. 5 (которая представлена в упрощённом виде для того, чтобы показать только существенные признаки процесса III упомянутого сравнительного примера 1), 135 тонн в час (т/ч) сырья 205 в виде природного газа подают в секцию предварительной обработки сырья, где оно претерпевает регулировку давления (например, в C1) и обессеривание (например, в 210A) (добавление водорода не показано) после нагревания (например, в ходе предварительной обработки A1 сырья) до желаемой температуры обессеривания, равной 385°C. Добавляют воду 214 и пар 213 для получения сырья 215 риформинга (например, с мольным отношением пара к углероду, равным 1,8), предварительно нагревают сырьё 215 (например, в ходе предварительной обработки A1/A2/A3 сырья) и подают в реактор 220A парового риформинга метана, где сырьё пропускают через катализатор риформинга при нагревании в радиантной секции печи 220' риформинга. Выходящий поток 221 реактора парового риформинга пропускают в узел 220B риформинга способом парциального окисления, где добавляют 95 т/ч кислорода 228 и подвергают взаимодействию с газовым потоком. Температура потока 225, выходящего из реактора 220B риформинга способом парциального окисления, составляет 976°C. Продукт 225 риформинга охлаждают (например, в ходе охлаждения B1/B2 сингаза) для приближения к точке росы смеси перед дальнейшим охлаждением охлаждённого сингаза от 231 до 45°C в секции конденсации и удаления воды (например, конденсации B3 воды) с образованием потока 234 практически сухого сингаза и потока 238 рециркуляционной воды. Высушенный сингаз 234 пропускают в компрессор C2 сингаза, где его давление повышается от 35 до 99 бар. Сжатый, высушенный сингаз 236 смешивают с рециркуляционным сингазом 244 и предварительно нагревают (например, в ходе нагревания A4 сингаза) до 165°C. Предварительно нагретый сингаз 237 подают в метанольные реакторы узла 230B, где его нагревают до конечной температуры реакции и пропускают через катализатор синтеза метанола. Реакцию синтеза метанола, которая является экзотермической, сопровождают охлаждением (например, в ходе охлаждения B4, которое в данном примере встроено в реакторы синтеза метанола узла 230B) водой, которая испаряется, направляется в секцию 216 добавления воды и конденсируется для получения тепла, требуемого для добавления воды к сырью. Выходящий поток 241 метанольного реактора охлаждают до 45°C при извлечении/отделении 240A сырого метанола, при этом разделяются паровая и жидкая фазы. Паровую фазу 242 пропускают в циркуляционный компрессор C3 после отбора 34 т/ч в виде потока 205' отдувочного газа. Указанный отдувочный газ 205', поступающий из петли синтеза, объединяют с отходящими газами 247' низкого давления, поступающими из колонны дегазации 240C удаления лёгких фракций, для получения 44,6 т/ч потока, содержащего 53 мол.% H₂, 19 мол.% N₂, 13 мол.% CH₄, 10 мол.% CO₂ и 4% других соединений; затем упомянутый поток сжигают в печи 220' реактора риформинга в качестве топлива вместе с 10,3 т/ч природного газа 205''. Жидкий поток 247 подают в колонну дегазации в узле 240C, где его нагревают для удаления лёгких газов 247', растворённых в потоке 246 сырого метанола. Дегазированный сырой метанол 247 фракционируют для получения потока по существу чистого метанольного продукта. В указанном сравнительном примере 1 это осуществляют при помощи последовательности из 2 колонн, где в первой колонне 240D предпринимают частичное извлечение 245A метанола, а остающийся метанол 245B очищают путём фракционирования во второй колонне 240E. Тяжёлые побочные продукты отдувают в виде небольшого бокового потока колонны (не показан). Головные потоки (245A/245B) каждой из колонн (240D/240E, соответственно) охлаждают в холодильниках метанольного продукта в B5 до 45°C перед направлением на подготовку и хранение метанольного продукта в виде метанольного продукта 245C. Воду 249A, отделённую от метанола, тоже охлаждают, например, в ходе охлаждения отделённой воды в B6, перед выгрузкой в виде охлаждённой воды 249B. Воду 238, которая сконденсировалась из сингаза 231, снова нагревают (например, при нагревании A5 технологической воды) и возвращают на добавление 216 воды. Небольшую долю воды (не показана на фигурах) можно отдувать из системы для предотвращения накопления примесей.

Основными статьями потребления энергии сравнительного примера 1 являются (смотрите таблицу 2, обсуждаемую далее ниже в настоящем документе): (1) тепло (например, Q4), подаваемое в реактор парового риформинга, (2) генерирование пара, требуемого как сырьё для получения сингаза, (3) дистилляция метанола (например, в первой колонне 240D выделения метанола и второй колонне 240E выделения метанола), (4) предварительное нагревание сырья реактора риформинга (например, в ходе предварительного нагрева A1/A2/A3 сырья), (5) предварительное нагревание сырья метанольного реактора (например, при нагреве A4 сингаза), (6) энергия (например, для совершения работы W2) для приведения в действие компрессора C2 сингаза, и (7) энергия для функционирования узла разделения воздуха ASU с целью получения кислорода 228. Меньшие количества энергии потребляются для разных других целей. Обычно на практике в условиях сравнительного примера 1 расходуется очень небольшое количество электрической энергии, главным образом, для некоторых более мелких насосов; потребность в электрической энергии для потребителей процесса составляет всего 1,7 МВт. Значительное количество используемой энергии можно получать путём теплообмена с потоками продуктов при их охлаждении, наиболее заметно, с потоком горячего сингаза (например, 221/225), выходящим из реактора риформинга (например, в 220A/220B), и потоком продуктов, выходящим из метанольного реактора (реакторов) в 230B/B4. Остальную энергию подают в виде топлива, сжигаемого в печи 220' риформинга и паровом котле 260. Печь 220' риформинга служит для многих целей, подавая тепло для реакции парового риформинга из радиантной секции, обеспечивая определённый предварительный нагрев сырья в конвекционной секции и подавая тепло, имеющееся в конвекционной секции, для использования в генерировании пара 262A высокого давления. При генерировании пара 262A высокого давления также используют охлаждение сингаза. Остальной пар 262B высокого давления вырабатывается паровым котлом 260. Пар 262A/262B высокого давления направляют через систему паровых турбин (например, 263/265) для приведения в действие крупных потребителей энергии на установке. В сравнительном примере 1 компрессор C2 загрузки сингаза, узел разделения воздуха ASU и насосы охлаждающей воды представляют собой частично извлекающие плюс конденсационные турбины (например, показанные в 263). Компрессор дожима газового сырья, вентиляторы реактора риформинга типа воздух/топочный газ и циркуляционный компрессор C3 сингаза являются турбинами обратного давления (например, показанными в 265), которые выпускают 182 т/ч пара 266 низкого давления, используемого для нагревания в процессе III. В условиях сравнительного примера 1 имеются два основных местоположения, в которых используются внешние источники энергии. Первое находится в реакторе риформинга в 220A, который расходует 10,3 т/ч природного газа 205'' с заключённой в нём химической энергией (высшей теплотворной способностью или HHV), равной 138 МВт, плюс 44,6 т/ч отходящих газов процесса, содержащих газ 205', отдуваемый из петли синтеза, и отходящих газов 247' низкого давления, обладающих заключённой в них химической энергией (высшей теплотворной способностью или HHV), равной 252 МВт. Остальная внешняя энергия подаётся паровым котлом 260, который превращает воду BFW 261A для питания котлов в пар 262B высокого давления (HP), используя 9,7 т/ч топлива 261B в виде природного газа с заключённой в нём химической энергией, равной 130 МВт. То, как наиболее продуктивно распределять упомянутую энергию по различным потребителям энергии в рамках процесса с наивысшей эффективностью, представляет собой технологическую задачу, которая может быть решена специалистом в данной области техники по прочтении данного раскрытия путём тщательного согласования температур, типов энергии и энергосодержания. Определённое количество энергии можно передавать непосредственно путём теплообмена, тогда как некоторое количество можно превращать в пар, который можно использовать либо для теплообмена, либо для совершения механической работы, такой как приведение в действие компрессора. В сравнительном примере 1 для согласования подводов и отводов тепла выбрана типичная стратегия, но возможны и другие схемы, что будет очевидно для специалиста в данной области техники по прочтении данного раскрытия. Применение печей для сжигания в целях обеспечения подвода внешней энергии, необходимой для процесса, сопряжено с сопутствующим недостатком: дымовой или топочный газ из указанных печей заключает в себе энергию, которую невозможно эффективно рекуперировать вследствие его низкой температуры. Например, в процессе сравнительного примера 1 количество упомянутой неизвлечённой энергии, называемой иногда потерями в дымовых трубах, составляет до 71 МВт в печи 220' реактора парового риформинга 220A и 26 МВт в паровом котле 260. Энергия также теряется на нескольких стадиях процесса, прежде всего, при конденсировании воды из различных точек, как например, из сингаза (например, при конденсировании воды B3), поскольку температура является слишком низкой для возвращения энергии в полезных целях.

В сравнительном примере 1 показана конфигурация энергетической интеграции, выбранная для целей данного примера. Специалист в данной области техники примет во внимание ряд способов, которыми можно осуществлять рекуперацию тепла при охлаждении сингаза и дымового газа из трубы реактора риформинга с возможностью генерирования пара высокого давления. Например, соотношения, показывающие, сколько энергии подаётся в ходе предварительного нагревания воды, испарения и перегревания пара, можно перераспределять среди узлов в соответствии с конструкцией и конфигурацией оборудования. Аналогичным образом, тепло пара, генерируемого в реакторе синтеза метанола в 230B, можно будет использовать с целью нагревания для осуществления дистилляции (например, в 240D/240E), а не нагревания воды (например, в A5) и пара (например, в 212) реактора риформинга. Упомянутые, а также другие варианты выбора тепловой интеграции известны в данной области, и по разным причинам специалистом по проектированию метанольной установки могут быть выбраны различные варианты, остающиеся при этом в пределах объёма настоящего раскрытия.

В таблице 2 показан энергетический баланс процесса III сравнительного примера 1. Как видно в таблице 2, количество химической энергии, равное 520 МВт, подаётся за счёт сгорания отдувочного газа 205', отходящего газа 247' процесса и природного газа 205'' в печи 220' реактора парового риформинга в 220A, а также сгорания топлив 261B в виде природного газа в паровом котле 260; это представляет всю энергию, за исключением 2 МВт из общего подвода энергии в процесс III, которые подаются из внешних источников. В рамках процесса III доступно большое количество тепла (1410 МВт), включая тепло, подаваемое из печи 220' риформинга. В дополнение к химической реакции синтеза метанола и охлаждению горячих технологических потоков, тепло выделяется внутри процесса при протекании реакции природного газа с кислородом 228 в реакторе риформинга способом парциального окисления в 220B. Из технологических источников извлекается суммарное количество, равное 705 МВт; однако, вследствие наличия доступного тепла, подаваемого паровыми турбинами (например, 263/264), а также требований процесса в отношении температуры и энтальпии, 385 МВт тепла отводится в охлаждающую воду. В дополнение к этому, паровая система SS отводит 213 МВт тепла в охлаждающую воду конденсационных турбин (например, 269). Потери в дымовых трубах печи суммарно составляют 97 МВт. В итоге 705 МВт энергии, 50% суммарного доступного тепла, отбрасываются, а не принимаются как полезные для данного процесса.

В таблице 3 представлена соответствующая статистика использования энергии в процессе III сравнительного примера 1. Как видно по данным таблицы 3, эффективность процесса III по углероду, определяемая количеством углерода, содержащимся в товарном метаноле (например, в 245C), делённым на количество углерода в общем объёме израсходованного природного газа, составляет 76,8%. Сгорание указанного топлива приводит к образованию атмосферных выбросов в количестве 86 т/ч CO₂ или 0,69 миллиона тонн CO₂ ежегодно. Полезный удельный расход энергии составляет 35,8 ГДж (33,9 MMBTU) на тонну полученного метанола. Полезный удельный расход энергии включает в себя энергосодержание источника сырья в виде природного газа (по показателю высшей теплотворной способности) для получения метанола плюс внешняя энергия, подаваемая в других формах, таких как электрическая энергия и природный газ в качестве топлива; поскольку отдувочный газ, сжигаемый в печи 220’ риформинга, является внутренним продуктом установки, энергосодержание источника сырья в виде природного газа включает в себя теплосодержание отдувочного газа.

Пример 1

В примере 1 представлен процесс IV с частичной электрификацией, включающий в себя частичную электрификацию согласно варианту осуществления настоящего раскрытия метанольного процесса III, описанного в сравнительном примере 1. В примере 1 внешний паровой котёл исключён, а энергия, подаваемая в указанный котёл за счёт сгорания природного газа, заменена меньшим количеством возобновляемой электрической энергии, которую используют для питания узла разделения воздуха (ASU).

Ключевые элементы частично электрифицированной установки или процесса IV примера 1 показаны на фиг. 6. Как и в сравнительном примере 1, в процесс IV подают природный газ 205 в количестве 135 т/ч. Главное отличие примера 1 состоит в том, что энергия (например, W4) для узла ASU получения кислорода не подаётся из паровой системы, а заменяется мощностью электродвигателя, питаемого возобновляемой энергией. Это снижает общую потребность в паре высокого давления, так что эксплуатация парового котла (например, парового котла 260 процесса III на фиг. 5) больше не является необходимой и можно сберегать 9,7 т/ч топлива (например, 261B на фиг. 5). Дополнительно имеется небольшое количество избыточного пара 268A высокого давления, который пропускают через турбину, соединённую с электрогенераторм 263A для извлечения 2,4 МВт энергии.

В таблице 2 представлен энергетический баланс процесса IV с частичной электрификацией, использованного в примере 1. Химическую энергию в количестве 390 МВт подают в результате сгорания технологических газов (например, отдувочного газа 205' и лёгких газов 247') и природного газа (например, 205''), а также подают 24 МВт возобновляемой электрической энергии; это представляет собой суммарный подвод полезной энергии в процесс IV, равный 414 МВт, или на 21% меньше, чем в процессе III сравнительного примера 1. Общие потери системы с топочным газом, проявления неэффективности в использовании пара и электричества, и потери в процессе IV составляют на 15% меньше, чем в процессе III сравнительного примера 1.

В таблице 3 представлена соответствующая статистика использования энергии в процессе IV данного примера 1 согласно варианту осуществления настоящего раскрытия. Эффективность процесса IV по углероду равна 82,0%, при этом улучшение составляет приблизительно 5% по сравнению с соответствующим показателем процесса III сравнительного примера 1. В данном примере 1 потребление природного газа приводит к образованию атмосферных выбросов в количестве 63 т/ч CO₂, или 0,54 миллиона тонн CO₂ ежегодно; это отображает 27%-ное снижение по сравнению с процессом III сравнительного примера 1. 78 000 тонн природного газа в год, сберегаемого при помощи процесса IV, можно использовать в другом месте, например, в качестве сырья для процесса синтеза аммиака и/или для другой метанольной установки. Полезный удельный расход энергии в процессе IV составляет 33,9 ГДж (32,2 MMBTU) на тонну полученного метанола, что на 5% меньше, чем в процессе III сравнительного примера 1.

Пример 2

В примере 2 представлен процесс V с полной электрификацией, включающий в себя полную электрификацию согласно варианту осуществления настоящего раскрытия метанольного процесса III, описанного в сравнительном примере 1. В примере 2 энергия, подаваемая во внешний паровой котёл и печь реактора риформинга за счёт сгорания, заменена возобновляемой электрической энергией, которая питает все насосы и компрессоры, поставляет энергию для осуществления парового риформинга и обеспечивает некоторое количество тепла процесса. В результате, в примере 2 не существует внешней паровой системы. Не существует также и топочного газа, и только выбрасываемый CO₂ проистекает из небольшого количества CO₂, высвобождаемого из потоков сточной воды. Отдувочный газ, который сжигали в сравнительном примере 1 для получения тепла, теперь отводится за пределы установки для других областей применения.

Ключевые элементы указанной электрифицированной установки V показаны на фиг. 7. Сырьё 205 в виде природного газа, в количестве 135 тонн в час (т/ч) подают в секцию предварительной обработки сырья, где оно претерпевает регулировку давления в C1 и обессеривание в 210A после нагревания (например, в ходе предварительного нагревания A1 сырья) до желаемой температуры обессеривания, равной 385°C. Добавляют воду 214 и пар 213 и предварительно нагревают сырьё (например, в ходе предварительного нагревания A1/A2/A3 сырья). В данном примере 2 сырьё 215 предварительно нагревают выходящим потоком 225 узла окислительного риформинга 220B и подают в первый реактор парового риформинга метана 220A, где сырьё пропускают через катализатор риформинга при нагревании за счёт охлаждения выходящего потока 225 узла риформинга путём парциального окисления 220B. Затем поток 221, выходящий после парового риформинга 220A, проходит через слой второго катализатора риформинга 220B путём парциального окисления, который в данном варианте осуществления нагревают при помощи электричества. Выходящий поток 221 реактора парового риформинга 220A пропускают в узел 220B риформинга путём парциального окисления, где добавляют 95 т/ч кислорода 228 (например, из ASU) и подвергают взаимодействию с газовым потоком. Температура потока 225, выходящего из реактора риформинга путём парциального окисления в 220B, составляет 976°C. Продукт 225 риформинга охлаждают (например, в ходе охлаждения B1/B2 сингаза) для приближения к точке росы смеси перед дальнейшим охлаждением охлаждённого сингаза от 231 до 45°C в секции конденсации и удаления воды (например, конденсации воды в B3) с образованием потока 234 практически сухого сингаза и потока 238 рециркуляционной воды. Высушенный сингаз 234 пропускают в компрессор C2 сингаза, где повышают давление от 35 до 99 бар. Сжатый, высушенный сингаз 236 смешивают с рециркуляционным сингазом 244 и предварительно нагревают (например, в ходе нагревания сингаза в A4). Предварительно нагретый сингаз 237 подают в метанольные реакторы в 230B, где его нагревают до конечной температуры реакции и пропускают через катализатор синтеза метанола. Выходящий поток 235 метанольного реактора охлаждают (например, посредством охлаждения B4 метанольного реактора, которое в данном примере встроено в реакторы синтеза метанола 230B) до 45°C, и паровая и жидкая фазы разделяются (например, в ходе выделения сырого метанола в 240A). Паровую фазу 242 отбирают в циркуляционный компрессор C3 после отвода 34 т/ч в виде потока 205' отдувочного газа. Жидкий поток 246 подают в колонну дегазации в 240C, где его нагревают для удаления лёгких газов 247', растворённых в потоке 246 сырого метанола. Количество отдувочного газа 205', поступающего из петли синтеза, объединённого с отходящими газами 247' низкого давления, составляет 44,6 т/ч. Итоговый отдувочный газ 205A является ценным продуктом, содержащим 53 мол.% H₂, 19 мол.% N₂, 13 мол.% CH₄, 10 мол.% CO₂ и 4% других соединений, который можно использовать в качестве продукта для других полезных целей с дополнительным разделением или без него, как известно специалистам в данной области техники. Полезные цели могут включать в себя, без ограничения, получение аммиака, получение (по существу) чистого водорода и реакции гидрирования, среди прочих областей применения. Дегазированный сырой метанол 247 фракционируют для получения потока по существу чистого метанольного продукта. В процессе V это осуществляют в двух последовательных колоннах, где в первой колонне 240D предпринимают частичное извлечение 245A метанола, а остающийся метанол 245B очищают путём фракционирования во второй колонне 240E. Большую часть энергии (например, Q14/Q16) для кипятильников дистилляционной колонны обеспечивают путём рекуперации тепла. В данном варианте осуществления остальные 75 МВт тепла, требуемого для кипятильника (кипятильников) метанольной колонны, подают при помощи электронагревателей процесса. Тяжёлые побочные продукты отдувают в виде небольшого бокового потока колонны (не показан). Головные потоки (например, 245A/245B) каждой из колонн (например, 240D/240E, соответственно) охлаждают (например, в холодильнике (холодильниках) метанольного продукта в B5) до 45°C перед направлением на подготовку и хранение метанольного продукта или тому подобное в виде метанольного продукта 245C. Воду 249A, отделённую от метанола, тоже можно охлаждать (например, в ходе охлаждения отделённой воды в B6) перед выгрузкой. Воду 238, которая сконденсировалась из сингаза 231, снова нагревают (например, при нагревании A5 технологической воды) и возвращают на добавление 216 воды. Небольшую долю воды (не показана на фигурах) можно отводить из системы для предотвращения накопления примесей.

То, как наиболее продуктивно распределять энергию из разных источников энергии по различным потребителям энергии в рамках процесса с наивысшей эффективностью, представляет собой технологическую задачу, которая может быть решена специалистом в данной области техники после прочтения данного раскрытия путём тщательного согласования температур, типов энергии и энергосодержания. В примере 2 была принята логическая стратегия для согласования подводов и отводов тепла, но тот же самый общий энергетический баланс может достигаться при помощи других схем, как будет очевидно специалисту в данной области техники после прочтения настоящего раскрытия. Последовательность и объём тепловой интеграции между реактором окислительного риформинга в 220B, реактором парового риформинга в 220A и электрической печью 220A рассматривается как гибкая переменная, поскольку ею управляют, главным образом, путём выбора оборудования и подбора вариантов тепловой интеграции. Например, более плотная тепловая интеграция между реактором окислительного риформинга в 220B и реактором парового риформинга в 220A (например, при снижении подводящей температуры) может уменьшать количество электроэнергии, используемой в реакции риформинга. Аналогичным образом, последовательность подачи тепла риформинга путём рекуперации тепла в сопряжении с электронагревом является гибкой, соразмерно температурной доступности обеих служб. Например, электронагрев не требуется применять выше 700°C, поскольку 600°C является достаточной температурой, выше которой является доступной рекуперация тепла. Аналогичным образом, 75 МВт низкотемпературного электронагрева можно будет использовать другим способом и по-прежнему достигать того же самого общего баланса полезного тепла. Например, электронагреватели можно устанавливать для подачи тепла, требуемого (например, для нагревания технологической воды в A5) на стадии 216 добавления воды процесса, сберегая таким образом тепло более высокотемпературного метанольного реактора для кипятильников колонны (например, в 240D/240E), что может явиться альтернативным вариантом сбережения капитальных вложений вследствие наличия более высокотемпературных движущих сил, а, следовательно, меньшей площади теплообменников в кипятильниках колонн.

Основными статьями потребления энергии примера 2 являются (смотрите таблицу 2, обсуждаемую далее ниже в настоящем документе): (1) тепло (например, Q4), подаваемое в реактор парового риформинга в 220A, (2) генерирование пара, требуемого как сырьё для получения сингаза, (3) дистилляция метанола (например, в 240D/240E), (4) предварительный нагрев сырья реактора риформинга (например, в ходе предварительного нагрева A1/A2/A3 сырья), (5) предварительный нагрев сырья метанольного реактора (например, при нагреве A4 сингаза), (6) энергия (например, для совершения работы W2) с целью приведения в действие компрессора сингаза (например, в C2) и (7) энергия (например, в форме работы W4) для функционирования узла разделения воздуха ASU с целью получения кислорода 228. Меньшие количества энергии потребляются для разных других целей. Значительное количество используемой энергии можно получать путём теплообмена с потоками продуктов при их охлаждении, наиболее заметно, с потоком горячего сингаза, выходящим из реактора риформинга, и потоком продуктов, выходящим из метанольного реактора. Пути подвода внешней энергии представляют собой следующее: 22 МВт тепла, подаваемого при помощи электроэнергии в секцию 220A парового риформинга; 75 МВт тепла, подаваемого электронагревателями в секцию дистилляции (например, в 240D/240E), и 74 МВт мощности, требуемой для приводов процесса (например, двигателей 270). Внутри процесса V также выделяется большое количество тепла в результате взаимодействия природного газа с кислородом 228 в реакторе автотермического риформинга (например, в 220B) и в результате химической реакции синтеза метанола. 597 МВт из суммарного тепла процесса передаются внутри него в ходе охлаждения различных технологических потоков согласно упомянутому примеру 2, соответствующему настоящему раскрытию. Хотя в процессе V рекуперируется значительное количество тепла, 363 МВт тепла уходят окончательно при отводе в охлаждающую воду.

В таблице 2 показан энергетический баланс для указанного процесса V с полной электрификацией по примеру 2. В процесс V подаётся возобновляемая электрическая энергия в количестве 180 МВт; это представляет собой суммарный подвод полезной энергии в данный процесс, приблизительно на 65% меньший, чем в процесс III сравнительного примера 1. В отличие от сравнительного примера 1, в варианте осуществления примера 2 отсутствует паровая система, кроме пара, используемого в качестве разбавителя сырья. Другое отличие от сравнительного примера 1 состоит в том, что полностью электрифицированный метанольный процесс V не имеет потерь в дымовых трубах или паровой системе. Суммарно 372 МВт энергии отбрасываются, а не принимаются как полезные для процесса V, что представляет собой 47%-ное снижение по отношению к процессу III сравнительного примера 1. Продукт 205A в виде отходящего газа имеет энергосодержание (высшую теплотворную способность), равное 252 МВт.

В таблице 3 представлена соответствующая статистика использования энергии для примера 2, соответствующего настоящему раскрытию. В примере 2 природный газ потребляется только как источник химического сырья. Эффективность процесса V по углероду равна 88,2%, при этом улучшение составляет приблизительно 11% в сопоставлении с процессом III сравнительного примера 1. Образуется относительно небольшое количество CO₂, 12 000 тонн в год, в результате сгорания отходящих газов низкого давления, что составляет 2% от CO₂, образующегося в процессе III сравнительного примера 1. Расход природного газа составляет на 13% меньше, чем в процессе III сравнительного примера 1. 161 000 тонн в год природного газа, сберегаемого при помощи процесса V, можно использовать в другом месте, например, без ограничения, в качестве сырья для процесса синтеза аммиака и/или в качестве сырья для данного или другого процесса синтеза метанола. Удельный расход полезной энергии (вычисленный как энергосодержание источника сырья в виде природного газа для получения метанола плюс внешняя энергия, подаваемая в форме электрической энергии, минус энергосодержание выводимых отдувочных газов, на тонну полученного метанола) составляет 29,9 ГДж на тонну метанола, что на 16% ниже, чем в процессе III сравнительного примера 1.

Пример 3

В примере 3 представлен процесс VI с полной электрификацией согласно варианту осуществления настоящего раскрытия, включающий в себя по существу полную электрификацию метанольного процесса III, описанного в сравнительном примере 1. Пример 3 показывает, как в пределах объёма настоящего раскрытия можно проектировать процесс синтеза метанола иным способом, чем в примере 2, по-прежнему поставляя при этом всю внешнюю энергию на основе возобновляемой электрической энергии. Как и в примере 2, в примере 3 не имеется внешнего парового котла, а все насосы и компрессоры питаются электроэнергией. В отличие от примера 2, в примере 3 отдувочные газы отделяют и используют внутри процесса, а не выводят за его пределы. Метан из отдувочного газа возвращают в цикл для использования в качестве сырья, уменьшая количество расходуемого природного газа, тогда как водород сжигают для выработки пара и тепла для конечного реактора риформинга. Вследствие того, что отдувочный газ разделяют и сжигают только водород, первый реактор парового риформинга нагревают с использованием электроэнергии, а CO₂ не испускается реакторами риформинга. (Небольшое количество CO₂ образуется в результате сгорания газа, отходящего из колонны дегазации метанола.). Как и в примере 2, в примере 3 не имеется никакой паровой системы.

Как и в сравнительном примере 1, процесс VI выполнен с возможностью получения 5 000 тонн метанола в день. Ключевые элементы данной электрифицированной установки или процесса VI показаны на фиг. 8. Одним из отличительных признаков является узел 240B разделения отдувочного газа, который выполнен с возможностью/используется для извлечения метана 285 с целью повторного использования как сырья на основе природного газа, отдува азота 283 из процесса VI и возврата обогащённого водородом потока 282 в процесс. Сырьё 205 на основе природного газа в количестве 123,2 тонны в час (т/ч) объединяют с 3,8 т/ч потока 285 извлечённого метана, поступающего из узла 240B разделения отдувочного газа, и подают в секцию предварительной обработки сырья, где оно претерпевает регулировку давления в C1 и обессеривание в 210A после нагревания (например, в ходе предварительного нагревания A1 сырья) до желаемой температуры обессеривания (например, 385°C). Добавляют воду 214 и пар 213 и предварительно нагревают сырьё 215 (например, в ходе предварительного нагревания A1/A2/A3 сырья). Сырьё предварительно нагревают выходящим потоком 225 узла 220B окислительного риформинга и подают в реактор парового риформинга метана в 220A, где сырьё пропускают через катализатор риформинга при нагревании за счёт охлаждения выходящего потока 225 узла 220B риформинга путём парциального окисления. Выходящий поток 221 реактора парового риформинга в 220A пропускают в узел риформинга путём парциального окисления в 220B, куда добавляют 89 т/ч кислорода 228, поступающего из ASU, и подвергают взаимодействию с газовым потоком. В вариантах осуществления температура потока 225, выходящего из реактора риформинга путём парциального окисления в 220B, составляет 972°C. 11 т/ч обогащённого водородом потока 282 (приблизительно 76 мол.% H₂, 24 мол.% N₂), поступающего из узла 240B разделения отдувочного газа, подвергают взаимодействию с кислородом 287 для образования высокотемпературного водного потока 288, который смешивают с продуктом 225 реактора риформинга, осуществляемого путём парциального окисления. Далее газ подвергают взаимодействию над третьим слоем катализатора риформинга в 220C, достигая конечной температуры выходящего потока 225A на выходе реактора риформинга, равной 1071°C. Продукт 225A риформинга охлаждают (например, путём охлаждения B1/B2 сингаза) для приближения к точке росы смеси перед дальнейшим охлаждением до 45°C в секции конденсации и удаления воды (например, конденсации B3 воды) с образованием потока 234 практически сухого сингаза и потока 238 рециркуляционной воды. Высушенный сингаз 234 пропускают в компрессор C2 сингаза, где повышают давление от 35 до 99 бар. Сжатый, высушенный сингаз 236 смешивают с рециркуляционным сингазом 244 и предварительно нагревают (например, в ходе нагревания сингаза в A4). Предварительно нагретый сингаз 237 подают в метанольные реакторы узла 230B, где его нагревают до конечной температуры реакции и пропускают через катализатор синтеза метанола. Выходящий поток 235 метанольного реактора охлаждают (например, посредством охлаждения метанольного реактора в B4, которое в данном примере встроено в реакторы синтеза метанола 230B) до 45°C, при этом паровая и жидкая фазы разделяются (например, в ходе выделения сырого метанола 240A). Паровую фазу 242 отбирают в циркуляционный компрессор C3 после отвода 35 т/ч в виде потока 205' отдувочного газа, содержащего 61 мол.% H₂, 30 мол.% N₂, 5 мол.% CO₂, 1 мол.% CO и 3 мол.% CH₄. Жидкий поток 246 подают в колонну дегазации 240C, где его нагревают для удаления лёгких газов 247', растворённых в потоке 246 сырого метанола. Дегазированный сырой метанол 247 фракционируют для получения потока по существу чистого метанольного продукта. В данном примере 3 это осуществляют с использованием последовательности из 2 колонн, где в первой колонне в ходе 240D предпринимают частичное извлечение 245A метанола, а остающийся метанол 245B очищают путём фракционирования во второй колонне в ходе 240E. В данном варианте осуществления большую часть энергии для кипятильников дистилляционной колонны обеспечивают путём рекуперации тепла. В данном варианте осуществления остальные 11 МВт тепла, требуемого для кипятильника (кипятильников) метанольной колонны, подают при помощи электронагревателей процесса. Тяжёлые побочные продукты отдувают в виде небольшого бокового потока колонны (не показан). Головные потоки (например, 245A/245B) каждой из колонн (например, в 240D/240E, соответственно) охлаждают (например, в холодильнике (холодильниках) метанольного продукта в B5) до 45°C перед направлением на подготовку и хранение метанольного продукта в виде метанольного продукта 245C. Воду 249A, отделённую от метанола, перед выгрузкой тоже можно охлаждать (например, в ходе охлаждения отделённой воды 249B) в виде охлаждённой воды 249B. Воду 238, которая сконденсировалась из сингаза 231, снова нагревают (например, при нагревании A5 технологической воды) и возвращают на добавление 216 воды. Небольшую долю воды (не показана на фигурах) можно отдувать из системы для предотвращения накопления примесей. Отдувочный газ 247' низкого давления из колонны дегазации метанола в 240C направляют в печь 290 отходящего газа, где его сжигают (например, с топливом 291 для получения выпускного газа 292) с целью подачи 20 МВт в форме тепла (например, Q26). Отдувочный газ 205' направляют в систему 240B разделения отдувочного газа для извлечения компонентов. В варианте осуществления примера 3 используется криогенное фракционирование отдувочного газа 205'. Поскольку отдувочный газ содержит диоксид углерода, отдувочный газ предварительно нагревают, а затем приводят в контакт с катализатором метанирования в ходе метанирования 280, где водород, содержащийся в отдувочном газе, реагирует с CO₂ и CO с образованием метана и воды в продукте 281 метанирования. Продукт реакции метанирования охлаждают до 40°C и отделяют некоторое количество воды (например, удаляемой в узле 284). Продукт 281 метанирования сушат над слоем молекулярно-ситового адсорбента (который регенерируют с использованием газа, нагреваемого посредством электричества) для удаления остаточных следов воды до достаточно низких уровней, подходящих для последующей стадии криогенного разделения в 240B. Система 240B криогенного разделения состоит из замкнутой петли парокомпрессионного охлаждения, колонны фракционирования, отпарной колонны и соединительных теплообменников между системами. Хладагентом в замкнутой системе охлаждения является азот, работающий в диапазоне давления от 43 бар до 2,6 бар. Газовое сырьё, подаваемое в систему разделения отдувочного газа, поступает в последовательный ряд теплообменников, где оно охлаждается от 40°C до -130°С за счёт обмена теплом с потоками продуктов (например, 282/283/284) и хладагентом. Охлаждённый сырьевой поток фракционируют в колонне фракционирования, работающей при давлении 32 бар. Кубовым продуктом колонны является метан высокой чистоты, отбираемый при -94°C. Его испаряют и снова нагревают путём пропускания через последовательный ряд теплообменников «сырьё-выходящий поток» данной системы. Головной погон колонны представляет собой смесь водорода и азота. Головной погон охлаждают от -163°C до -180°C за счёт испарения хладагента азота. Жидкий азот отделяют от паров и закачивают обратно в колонну в качестве орошения. Парообразный головной погон содержит водород и азот в мольном отношении 3:1. Указанный поток подогревают путём пропускания через последовательный ряд теплообменников «сырьё-выходящий поток» данного узла. Из колонны фракционирования отбирают жидкий боковой погон и направляют в отпарную колонну. Отпарная колонна нагревается при помощи парциального конденсатора, работающего на промежуточной ступени колонны фракционирования. Из сырья отпарной колонны отгоняют водород и возвращают в колонну фракционирования. Нижним продуктом отпарной колонны является жидкий азот при -149°C, который испаряют и снова нагревают в элементном теплообменнике «сырьё-выходящий поток». Хладагент азот поступает в теплообменник «сырьё-выходящий поток» и охлаждается вместе с исходным технологическим потоком до -70°C выходящими технологическими потоками. Затем он охлаждается до -92°C в результате предоставления тепла кипятильнику колонны фракционирования. После этого он дополнительно охлаждается до -130°C путём теплообмена с выходящими технологическими потоками, возвратным хладагентом низкого давления и частью (около 14%) потока хладагента, которую отщепляют от основного потока, расширяют до 3 бар в турбоэкспандере и подают обратно через холодную сторону теплообменника «сырьё-выходящий поток». Остальную часть потока хладагента подают через теплообменник, контактирующий с потоком водородного продукта и возвратным потоком хладагента. Затем его пропускают через турбоэкспандер до достижения давления 3,4 бар, где удаляется дополнительная энергия, что приводит к образованию потока, содержащего жидкий азот при -185°C. Указанный поток, содержащий жидкий азот, испаряют в конденсаторе головного погона колонны фракционирования и возвращают через последовательный ряд теплообменников «сырьё-выходящий поток» системы. Хладагент сжимают до начального давления 43 бар на множественных ступенях с промежуточными холодильниками и доохладителем, завершая цикл. Азотный продукт 283 в количестве 14 т/ч имеет чистоту около 99% с небольшими количествами остаточного водорода и аргона, и его можно использовать в качестве сушильного газа или направлять в другое место для иных полезных целей, например, в процесс синтеза аммиака.

Энергетическая интеграция процесса VI примера 3 построена одним конкретным способом, хотя специалист в данной области техники сможет понять после прочтения настоящего раскрытия, что те же самые или сравнимые общие энергетические балансы могут достигаться с помощью изменений в конфигурации, которые следует рассматривать как находящиеся в пределах объёма настоящего раскрытия. Последовательность и объём тепловой интеграции между реактором окислительного риформинга в 220B и реактором парового риформинга в 220A рассматривается как гибкая переменная, поскольку ею управляют, главным образом, путём выбора оборудования и подбора вариантов тепловой интеграции. Например, менее тесная тепловая интеграция между реактором окислительного риформинга в 220B и реактором парового риформинга в 220A (например, при повышении подводящей температуры) может увеличивать потребность во внешнем тепле для реакции риформинга, при этом в вариантах осуществления энергетический зазор может быть заполнен с помощью электропечи. В качестве более вероятной альтернативы сгоранию водородсодержащего газа 282 с образованием воды 288, его можно будет просто возвращать в сырьё реактора риформинга, исключая третий слой катализатора риформинга в 220C, но поддерживая продукт реакции в состоянии равновесия при несколько более низкой конечной температуре. В качестве альтернативы, водородсодержащий газ 282 можно будет направлять в топливный элемент с целью генерирования электрической энергии для использования в данном процессе (как описано в примерах 6 и 7 ниже в настоящем документе). Аналогичным образом, последовательное воплощение риформинга при внешнем нагревании и парциальном окислении можно будет перестроить или разделить на большее число стадий. Подобным образом, 11 МВт низкотемпературного электронагрева можно будет использовать другим способом и по-прежнему достигать того же самого общего полезного теплового баланса. Например, электронагреватели можно будет устанавливать для нагревания сушильного газа и предварительного нагревания сырья реакции синтеза метанола (например, в A4). В качестве более вероятной альтернативы сжиганию (например, в печи 290 отходящего газа) небольшого количества отходящего газа 247' низкого давления, его можно будет либо снова сжимать и подавать обратно в процесс VI, либо выводить за пределы процесса для других полезных целей, таких как получение аммиака.

Основными статьями потребления энергии данного примера 3 являются (смотрите таблицу 2, обсуждаемую далее ниже в настоящем документе): (1) тепло (например, Q4), подаваемое в реактор парового риформинга в 220A, (2) генерирование пара, требуемого для получения сингаза, (3) дистилляция метанола (например, в 240D/240E), (4) предварительный нагрев сырья реактора риформинга (например, в ходе предварительного нагрева A1/A2/A3 сырья), (5) предварительный нагрев сырья метанольного реактора (например, в A4), (6) энергия (например, для совершения работы W2) с целью приведения в действие компрессора сингаза в C2 и (7) энергия (например, в форме работы W4) для функционирования узла разделения воздуха ASU с целью получения кислорода 228. Меньшие количества энергии потребляются для разных других целей. Система 240B разделения отдувочного газа требует 12 МВт для холодильного компрессора с электрическим приводом. Значительное количество используемой энергии можно получать путём теплообмена с потоками продуктов при их охлаждении, наиболее заметно, с потоком горячего сингаза (например, 225), выходящим из реактора риформинга, и продуктом 235 метанольного реактора в 230B. Пути подвода внешней энергии представляют собой следующее: 11 МВт тепла, подаваемого при помощи электроэнергии на дистилляцию метанола (например, в 240D/240E), и 89 МВт мощности, требуемой для приводов процесса (например, в 270). Внутри процесса VI выделяется большое количество тепла в результате взаимодействия природного газа 221 с кислородом 228 в реакторе окислительного риформинга в 220B, сжигания обогащённого водородом потока 282 и протекания химической реакции синтеза метанола в 230B. При охлаждении различных технологических потоков извлекается 1052 МВт тепла; из них 663 МВт передаются внутри установки для других технологических вариантов применения в соответствии с процессом VI данного примера 3 согласно настоящему раскрытию. В процессе VI рекуперируется значительное количество тепла, однако 378 МВт тепла уходят окончательно при отводе в охлаждающую воду.

В таблице 2 показан энергетический баланс для указанного процесса VI с полной электрификацией по данному примеру 3. В процесс VI подаётся возобновляемая электрическая энергия в количестве 130 МВт; это представляет собой суммарный подвод полезной энергии в данный процесс, приблизительно на 75% меньший, чем в сравнительном примере 1. В отличие от процесса III сравнительного примера 1, в процессе VI данного примера 3 отсутствует паровая система SS для генерирования энергии, питающей приводы 270 процесса. Важное отличие от сравнительного примера 1 состоит в том, что электрифицированный метанольный процесс VI примера 3 имеет самые минимальные потери в дымовых трубах или паровой системе. В процессе VI суммарно отбрасываются 388 МВт энергии, прежде всего, при охлаждении, а не принимаются как полезные для процесса, что представляет собой 45%-ное снижение по отношению к процессу III сравнительного примера 1.

В таблице 3 представлена соответствующая статистика использования энергии для процесса VI данного примера 3, соответствующего настоящему раскрытию. В примере 3 природный газ не потребляется только для выработки тепла. В дополнение к этому, количество природного газа, подаваемого в данный процесс, уменьшается на 8,7% по отношению к сравнительному примеру 1. В общей сложности, суммарный расход природного газа в процессе VI составляет на 20% меньше, чем в сравнительном примере 1. 254 000 тонн природного газа в год, сберегаемого при помощи процесса VI, можно использовать в другом месте, например, без ограничения, в качестве сырья для процесса синтеза аммиака. В процессе примера 3 образуется относительно малое количество CO₂, 10 000 тонн в год, в результате сгорания отходящих газов 247' низкого давления (например, в печи 290 отходящих газов), что составляет 98,6%-ное снижение образования CO₂, в сопоставлении со сравнительным примером 1. Общий полезный удельный расход энергии в процессе VI составляет 30,2 ГДж (28,7 MMBTU) на тонну полученного метанола, что на 15% ниже, чем в процессе III сравнительного примера 1. Эффективность процесса VI по углероду в данном примере 3 составляет 97%, что представляет собой значительное увеличение в сопоставлении с 77%-ной эффективностью по углероду процесса III сравнительного примера 1.

Сравнительный пример 2

В сравнительном примере 2 описан традиционный (например, неэлектрифицированный) процесс VII получения метанола, который не включает в себя реактор парциального окисления. Поскольку в процессе отсутствует внутреннее парциальное окисление, необходимо подавать дополнительную внешнюю энергию. В процессе VII не представлена конкретная рабочая установка или способ, но он является характерным для типичной установки или процесса VII, описанного ниже в настоящем документе со ссылкой на фиг. 9; параметры конструкции были взяты из сведений о конкретных установках, а также литературной информации по типичным операциям процесса. Хотя для специалиста в данной области техники после прочтения настоящего раскрытия будут очевидны изменения, в данном сравнительном примере 2 представлен типичный процесс VII, который можно использовать как основу для сравнения эффектов модифицирования путём электрификации (последующих примеров 4-6) согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия.

Процесс VII сравнительного примера 2 осуществляют с возможностью получения 5 000 тонн метанола в день. При времени работы 8 000 часов в год это будет приводить к получению 1,67 миллиона тонн метанола, хотя изменения в периодах времени простоя вследствие неполадок и эксплуатационного обслуживания смогут увеличивать или уменьшать указанный выпуск продукции. Указанный объём является типичным для современных крупных метанольных установок.

Как показано на фиг. 9 (которая представлена в упрощённом виде для того, чтобы показать только существенные признаки процесса VII упомянутого сравнительного примера 2), 141 тонну в час (т/ч) сырья 205 в виде природного газа подают в секцию предварительной обработки сырья, где оно претерпевает регулировку давления в C1 и обессеривание в 210A (добавление водорода не показано) после нагревания (например, в ходе предварительного нагревания A1 сырья) до желаемой температуры обессеривания (например, 385°C). Добавляют воду 214 и пар 213 для получения сырья 215 риформинга (например, с мольным отношением пара к углероду, равным 2,8), предварительно нагревают сырьё 215 (например, в ходе предварительного нагревания A1/A2/A3 сырья) и подают в реактор парового риформинга метана в 220A, где сырьё пропускают через катализатор риформинга при нагревании в радиантной секции печи 220' риформинга (например, до 860°C). Продукт 225 риформинга охлаждают (например, в ходе охлаждения B1/B2 сингаза) для приближения к точке росы смеси перед дальнейшим охлаждением до 45°C в секции конденсации и удаления воды (например, конденсации B3 воды) с образованием потока 234 практически сухого сингаза и потока 238 рециркуляционной воды. Высушенный сингаз 234 поступает в компрессор C2 сингаза, где повышают его давление от 15 до 99 бар. Сжатый, высушенный сингаз 236 смешивают с рециркуляционным сингазом 244 и предварительно нагревают (например, в ходе нагревания A4 сингаза) до 165°C. Предварительно нагретый сингаз 237 подают в метанольные реакторы узла 230B, где его нагревают до конечной температуры реакции и пропускают через катализатор синтеза метанола. Поток 235, выходящий после осуществления реакции синтеза метанола, которая является экзотермической, охлаждают (например, в ходе охлаждения B4, которое в данном примере встроено в реакторы 230B синтеза метанола) водой, которая при этом испаряется, направляют в секцию 216 добавления воды и конденсируют для получения тепла, требуемого для добавления воды к сырью. Охлаждённый поток 241, выходящий из метанольного реактора, охлаждают до 45°C (например, при отделении 240A сырого метанола), при этом разделяются паровая и жидкая фазы. Паровую фазу 242 пропускают в циркуляционный компрессор C3 после отбора 51 т/ч в виде потока 205' отдувочного газа. Указанный отдувочный газ 205', поступающий из петли синтеза, объединяют с отходящими газами 247' низкого давления для получения 54 т/ч потока, содержащего 79 мол.% H₂, 11 мол.% CH₄, 7 мол.% N₂ и 3 мол.% других соединений, который сжигают в печи 220' реактора риформинга в качестве топлива вместе с 11,7 т/ч природного газа 205''. Жидкий поток 246 подают в колонну дегазации в 240C, где его нагревают для удаления лёгких газов 247', растворённых в потоке 246 сырого метанола. Дегазированный сырой метанол 247 фракционируют для получения потока по существу чистого метанольного продукта. В указанном сравнительном примере 2 это осуществляют при помощи двух последовательных колонн, где в первой колонне предпринимают частичное извлечение 245A метанола 240D, а остающийся метанол 245B очищают путём фракционирования во второй колонне 240E. Тяжёлые побочные продукты отдувают в виде небольшого бокового потока колонны (не показан). Головные потоки (например, 245A/245B) каждой из колонн (например, 240D/240E, соответственно) охлаждают (например, в холодильнике (холодильниках) B5 метанольного продукта) до 45°C перед направлением на подготовку и хранение метанольного продукта или тому подобное в виде метанольного продукта 245C. Воду 249A, отделённую от метанола, тоже охлаждают (например, при охлаждении B6 отделённой воды) перед выгрузкой в виде охлаждённой воды 249B. Воду 238, которая сконденсировалась из сингаза 231, снова нагревают (например, при нагревании A5 технологической воды) и возвращают на добавление 216 воды. Небольшую долю воды (не показана на фигурах) отдувают из системы для предотвращения накопления примесей.

Основными статьями потребления энергии в процессе VII данного сравнительного примера 2 являются (смотрите таблицу 2, обсуждаемую далее ниже в настоящем документе): (1) тепло (например, Q4), подаваемое в реактор парового риформинга, (2) генерирование пара, требуемого в качестве сырья для получения сингаза, (3) дистилляция метанола (например, в 240D/240E), (4) предварительный нагрев сырья метанольного реактора (например, при нагревании A4 сингаза), (5) предварительный нагрев сырья реактора риформинга (например, в ходе предварительного нагревания A1/A2/A3 сырья) и (6) энергия (например, для совершения работы W2) с целью приведения в действие компрессора сингаза (например, в C2). Меньшие количества энергии потребляются для разных других целей. Обычно на практике, в процессе VII данного сравнительного примера 2 расходуется очень небольшое количество электрической энергии, главным образом, для некоторых более мелких насосов; потребность в электрической энергии для потребителей процесса составляет всего 1,7 МВт. Значительное количество используемой энергии можно получать путём теплообмена с потоками продуктов при их охлаждении, наиболее заметно, с потоком горячего сингаза (например, 225), выходящим из реактора риформинга в 220A, и потоком 235, выходящим из метанольного реактора (реакторов) в 230B. Остальную энергию подают в виде топлив, сжигаемых в печи 220' риформинга и паровом котле 260. Печь 220' риформинга служит для многих целей, подавая тепло для реакции парового риформинга из радиантной секции, обеспечивая определённый предварительный нагрев сырья в конвекционной секции и подавая тепло, имеющееся в конвекционной секции, для использования при генерировании пара 262A высокого давления. При генерировании пара 262A высокого давления также используют охлаждение сингаза. Остальной пар 262B высокого давления вырабатывается паровым котлом 260. Пар 262A/262B высокого давления направляют через систему паровых турбин (например, 263/265) для приведения в действие крупных потребителей энергии на установке. В сравнительном примере 2 компрессор C2 загрузки сингаза и насосы охлаждающей воды представляют собой частично извлекающие плюс конденсационные турбины 263. Компрессор дожима газового сырья, вентиляторы реактора риформинга типа воздух/топочный газ и циркуляционный компрессор C3 сингаза являются турбинами 265 обратного давления, которые выпускают 231 т/ч пара 266 низкого давления, используемого для нагревания в процессе VII. В условиях сравнительного примера 2 имеются два основных местоположения, в которых используются внешние источники энергии. Первое находится в печи 220' реактора риформинга в паровом риформинге 220A, которая расходует 11,7 т/ч природного газа 205'' с заключённой в нём химической энергией (высшей теплотворной способностью или HHV), равной 157 МВт, плюс отходящие газы процесса (например, отдувочный газ 205' и лёгкие газы 247') с заключённой в них химической энергией (высшей теплотворной способностью или HHV), равной 781 МВт. В данном варианте осуществления остальная энергия подаётся паровым котлом 260, который преобразует 21,8 т/ч топлива 261B в виде природного газа с заключённой в нём химической энергией, равной 290 МВт, для получения пара 262B высокого давления (HP) из воды BFW 261A. То, как наиболее продуктивно распределять упомянутую энергию по различным потребителям энергии в рамках процесса с наивысшей эффективностью, представляет собой технологическую задачу, которая может быть решена специалистом в данной области техники по прочтении данного раскрытия путём тщательного согласования температур, типов энергии и энергосодержания. Определённое количество энергии можно передавать непосредственно путём теплообмена, тогда как некоторое количество можно превращать в пар, который можно использовать либо для теплообмена, либо для совершения механической работы, такой как приведение в действие компрессора. В сравнительном примере 2 для согласования подводов и отводов тепла выбрана типичная стратегия, но возможны и другие схемы, как будет очевидно для специалиста в данной области техники. Применение печей для сжигания для обеспечения подвода внешней энергии, необходимой для процесса, сопряжено с сопутствующим недостатком: дымовой или топочный газ из указанных печей включает энергию, которую невозможно эффективно рекуперировать вследствие его низкой температуры. Например, в процессе сравнительного примера 2 количество упомянутой неизвлечённой энергии, называемой иногда потерями в дымовых трубах, составляет до 177 МВт в печи 220' реактора риформинга и 58 МВт в паровом котле 260. Энергия также теряется на нескольких стадиях процесса, прежде всего, при конденсировании воды из различных точек, как например, из сингаза (например, при конденсировании воды B3), поскольку температура является слишком низкой для возвращения энергии в полезных целях.

В сравнительном примере 2 показана конфигурация энергетической интеграции, выбранная для целей данного примера. Специалист в данной области техники примет во внимание ряд способов, которыми можно осуществлять рекуперацию тепла при охлаждении сингаза и дымового газа из трубы реактора риформинга с возможностью генерирования пара высокого давления. Например, соотношения, показывающие, сколько энергии подаётся в ходе предварительного нагревания воды, испарения и перегревания пара, можно перераспределять среди узлов в соответствии с конструкцией и конфигурацией оборудования. Аналогичным образом, тепло пара, генерируемого в реакторе синтеза метанола 230B, можно будет использовать с целью нагревания для осуществления дистилляции (например, в 240D/240E), а не нагревания воды и пара реактора риформинга (например, в процессе нагревания A5 воды и/или генерирования 212 пара реактора риформинга). Упомянутые и другие варианты выбора тепловой интеграции известны в данной области техники, и в силу разных причин специалистом по проектированию метанольной установки после прочтения настоящего раскрытия могут быть выбраны различные варианты; подразумевается, что такие варианты находятся в пределах объёма настоящего раскрытия.

В таблице 2 показан энергетический баланс процесса VII сравнительного примера 2. Как видно в таблице 2, количество химической энергии, равное 1228 МВт, подаётся за счёт сгорания отходящего газа процесса (например, отдувочного газа 205' и лёгких газов 247') и природного газа (например, 205'') в печи 220' реактора парового риформинга в 220A, а также сгорания топлива/метана 261B в паровом котле 260; это представляет всю энергию, за исключением 2 МВт из общего подвода энергии в процесс VII, которые подаются из внешних источников. В рамках данного процесса доступно большое количество тепла (1991 МВт), включая тепло, подаваемое из печи 220' риформинга. Из технологических источников извлекается суммарное количество, равное 775 МВт; однако, вследствие наличия доступного тепла, подаваемого паровыми турбинами (например, 263/265), а также требований процесса в отношении температуры и энтальпии, 455 МВт тепла отводится в охлаждающую воду. В дополнение к этому, паровая система отводит 272 МВт тепла в охлаждающую воду конденсационных турбин (например, 269). Потери в дымовых трубах печи суммарно составляют 235 МВт. В итоге 975 МВт энергии, 49% суммарного доступного тепла, отбрасываются, а не принимаются как полезные для данного процесса.

В таблице 3 представлена соответствующая статистика использования энергии в процессе VII сравнительного примера 2. Как видно по данным таблицы 3, эффективность процесса VII по углероду, определяемая количеством углерода, содержащимся в товарном метаноле (например, метанольном продукте 245C), делённым на количество углерода в общем объёме израсходованного природного газа, составляет 68,4%. Сгорание указанного топлива приводит к образованию атмосферных выбросов в количестве 132 т/ч CO₂ или 1,06 миллиона тонн CO₂ ежегодно. Полезный удельный расход энергии составляет 40,1 ГДж (38,1 MMBTU) на тонну метанола, полученного в процессе VII. Полезный удельный расход энергии включает в себя энергосодержание источника сырья в виде природного газа для получения метанола плюс внешняя энергия, подаваемая в других формах, таких как электрическая энергия и природный газ в качестве топлива.

Пример 4

В примере 4 представлен процесс VIII с полной электрификацией согласно варианту осуществления настоящего раскрытия, включающий в себя по существу полную электрификацию метанольного процесса VII, описанного в сравнительном примере 2. В примере 4 энергия, подаваемая во внешний паровой котёл и печь реактора риформинга, заменена возобновляемой электрической энергией, которая питает все насосы и компрессоры, поставляет энергию для осуществления парового риформинга и обеспечивает некоторое количество тепла процесса. В результате, в примере 4 не существует внешней паровой системы. Не существует также и топочного газа, и выбрасываемый CO₂ проистекает только из небольшого количества CO₂, высвобождаемого из потоков сточной воды. Отдувочный газ, который сжигали в сравнительном примере 2 для получения тепла, в данном примере отводится за пределы установки для других областей применения.

Ключевые элементы указанной электрифицированной установки или процесса VIII показаны на фиг. 10. Сырьё 205 в виде природного газа, в количестве 141 тонны в час (т/ч) подают в секцию предварительной обработки сырья, где оно претерпевает регулировку давления в C1 и обессеривание в 210A после нагревания (например, в ходе предварительного нагревания A1 сырья) до желаемой температуры обессеривания (например, 385°C). Добавляют воду 214 и пар 213 для получения сырья 215 риформинга (например, с мольным отношением пара к углероду, равным 2,8) и предварительно нагревают сырьё 215 (например, в ходе предварительного нагревания A1/A2/A3 сырья). Сырьё предварительно нагревают выходящим потоком 225 реактора парового риформинга в 220A в ходе подачи в реактор парового риформинга в 220A. Сырьё 215 проходит через слой катализатора риформинга, который в данном варианте осуществления нагревают с использованием электричества. Температура потока 225, выходящего из реактора риформинга 220A, составляет 860°C. Продукт 225 риформинга охлаждают (например, путём теплообмена при охлаждении B1/B2 сингаза) для приближения к точке росы смеси перед дальнейшим охлаждением до 45°C в секции конденсации и удаления воды (например, при конденсации B3 воды) с образованием потока 234 практически сухого сингаза и потока 238 рециркуляционной воды. Высушенный сингаз 234 поступает в компрессор C2 сингаза, где его давление повышается от 15 до 99 бар. Сжатый, высушенный сингаз 236 смешивают с рециркуляционным сингазом 244 и предварительно нагревают (например, в ходе предварительного нагревания A4 сырья метанольного реактора) до 165°C. Предварительно нагретый сингаз 237 подают в метанольные реакторы узла 230B, где его нагревают до конечной температуры реакции и пропускают через катализатор синтеза метанола. Выходящий поток 235 метанольного реактора охлаждают (например, путём охлаждения B4 метанольного реактора, которое в данном примере встроено в реакторы 230B синтеза метанола) до 45°C и осуществляют отделение 240A сырого метанола, при этом разделяются паровая и жидкая фазы. Паровую фазу 242 пропускают в циркуляционный компрессор C3 после отбора 51 т/ч в виде потока 205' отдувочного газа. Жидкий поток 246 подают в колонну дегазации 240C, где его нагревают для удаления лёгких газов 247', растворённых в потоке 246 сырого метанола. Количество отдувочного газа 205', поступающего из петли синтеза, объединённого с отходящими газами 247' низкого давления, составляет 54 т/ч. Итоговый отдувочный газ 205A является ценным продуктом, содержащим 79 мол.% H₂, 11 мол.% CH₄, 7 мол.% N₂ и 3 мол.% других соединений, который можно использовать в качестве продукта для других полезных целей с дополнительным разделением или без него, как будет очевидно специалистам в данной области техники после прочтения настоящего раскрытия. Полезные цели, среди прочих областей применения, могут включать в себя, без ограничения, получение аммиака, получение (по существу) чистого водорода, реакции гидрирования и производство электрической энергии. Дегазированный сырой метанол 247 фракционируют для получения потока по существу чистого метанольного продукта. В данном примере 4 это осуществляют в двух последовательных колоннах, где в первой колонне проводят частичное извлечение 245A метанола в 240D, а остающийся метанол 245B очищают путём фракционирования во второй колонне 240E. Большую часть энергии (например, Q14/Q16) для кипятильников дистилляционной колонны обеспечивают путём рекуперации тепла. В данном варианте осуществления остальные 75 МВт тепла, требуемого для кипятильника (кипятильников) метанольной колонны, подают при помощи электронагревателей процесса. Тяжёлые побочные продукты отдувают в виде небольшого бокового потока колонны (не показан). Головные потоки (например, 245A/245B) каждой из колонн (например, 240D/240E) охлаждают (например, в холодильнике (холодильниках) B5 метанольного продукта) до 45°C перед направлением на подготовку и хранение метанольного продукта или тому подобного в виде метанольного продукта 245C. Воду 249A, отделённую от метанола, тоже охлаждают (например, при охлаждении B6 отделённой воды) перед выгрузкой в виде охлаждённой воды 249B. Воду 238, которая сконденсировалась из сингаза 231, снова нагревают (например, при нагревании A5 технологической воды) и возвращают на добавление 216 воды. Небольшую долю воды (не показана на фигурах) можно отдувать из системы для предотвращения накопления примесей. В данном варианте осуществления рециркуляционную воду снова превращают в пар среднего давления при помощи питаемого электроэнергией парового котла, поставляющего 71 МВт тепла.

То, как наиболее продуктивно распределять энергию из различных источников энергии по различным потребителям энергии в рамках процесса с наивысшей эффективностью, представляет собой технологическую задачу, которая может быть решена специалистом в данной области техники после прочтения настоящего раскрытия путём тщательного согласования температур, типов энергии и энергосодержания. В примере 4 для согласования подводов и отводов тепла принята логическая стратегия, но тот же самый общий энергетический баланс может достигаться с использованием и других схем, что очевидно специалисту в данной области техники после прочтения настоящего раскрытия. Последовательность и объём тепловой интеграции между оборудованием для охлаждения сингаза и электрической печью рассматривается как гибкая переменная, поскольку ею управляют, главным образом, путём выбора оборудования и подбора вариантов тепловой интеграции. Например, более тесная тепловая интеграция между сырьём 215 и выходящим потоком 225 реактора парового риформинга в 220A (например, при понижении подводящей температуры) может уменьшать количество электрической энергии, используемой в реакции риформинга. Аналогичным образом, 75 МВт низкотемпературного электронагрева можно будет использовать другим способом и по-прежнему достигать того же самого общего баланса полезного тепла. Например, электронагреватели можно устанавливать для подачи тепла, требуемого на стадии 216 добавления воды процесса VIII, сберегая таким образом тепло более высокотемпературного метанольного реактора для кипятильников колонны (например, в 240D/240E), что может явиться альтернативным вариантом сбережения капитальных вложений вследствие наличия более высокотемпературных движущих сил, а, следовательно, меньшей площади теплообменников в кипятильниках колонн.

Основными статьями потребления энергии процесса VIII данного примера 4 являются (смотрите таблицу 2, обсуждаемую далее ниже в настоящем документе): (1) тепло (например, Q4), подаваемое в реактор парового риформинга, (2) генерирование пара, требуемого как сырьё для получения сингаза, (3) дистилляция метанола (например, в 240D/240E), (4) предварительный нагрев сырья реактора риформинга (например, в ходе предварительного нагрева A1/A2/A3 сырья), (5) предварительный нагрев сырья метанольного реактора (например, при нагреве A4 сингаза), (6) энергия (например, для совершения работы W2) с целью приведения в действие компрессора сингаза (например, в C2). Меньшие количества энергии потребляются для разных других целей. Значительное количество используемой энергии можно получать путём теплообмена с потоками продуктов при их охлаждении, наиболее заметно, с потоком горячего сингаза (например, 225), выходящим из реактора риформинга в 220A, и потоком 235, выходящим из метанольного реактора в 230B. Пути подвода внешней энергии представляют собой следующее: 415 МВт тепла, подаваемого при помощи электроэнергии в секцию парового риформинга в 220A; 75 МВт тепла, подаваемого электронагревателями в секцию дистилляции (например, в 240D/240E); 71 МВт тепла, подаваемого для генерирования пара риформинга (например, в 212) и 90 МВт мощности, требуемой для приводов процесса (например, в 270). Внутри процесса VIII выделяется большое количество тепла, составляющее в сумме 1627 МВт тепла. Из них 651 МВт передаётся внутри процесса в ходе охлаждения различных технологических потоков согласно упомянутому примеру 4, соответствующему настоящему раскрытию. Хотя в данном процессе рекуперируется значительное количество тепла, 413 МВт тепла уходят окончательно при отводе в охлаждающую воду.

В таблице 2 показан энергетический баланс для указанного процесса VIII с полной электрификацией в соответствии с данным примером 4. В процесс подаётся 687 МВт возобновляемой электрической энергии; это представляет собой суммарный подвод полезной энергии в процесс, приблизительно на 44% меньший, чем в процесс VII сравнительного примера 2. В отличие от сравнительного примера 2, в примере 4 отсутствует паровая система, кроме пара, используемого в качестве разбавителя в сырье. Другое отличие от сравнительного примера 2 состоит в том, что полностью электрифицированный метанольный процесс не имеет потерь в дымовых трубах или паровой системе. В общей сложности 448 МВт энергии выбрасываются, а не принимаются как полезные для процесса, что на 54% меньше, чем в процессе VII сравнительного примера 2. Продукт в виде отходящего газа (например, 205A) имеет энергосодержание, выраженное в форме высшей теплотворной способности, равное 781 МВт.

В таблице 3 представлена соответствующая статистика использования энергии для процесса VIII примера 4, соответствующего настоящему раскрытию. В примере 4 природный газ потребляется только как источник химического сырья. Эффективность процесса по углероду равна 84,7%, при этом улучшение составляет приблизительно 16,3% в сопоставлении с процессом VII сравнительного примера 2. Образуется относительно небольшое количество CO₂, 13 000 тонн в год, в результате разложения растворённых органических веществ в потоке сточной воды, что составляет 1% от образования CO₂ в процессе VII сравнительного примера 2. Расход природного газа в процессе VIII составляет на 19% меньше, чем в процессе VII сравнительного примера 2. 268 000 тонн в год природного газа, сберегаемого при помощи процесса VIII, можно использовать в другом месте, например, без ограничения, в качестве сырья для процесса синтеза аммиака и/или в качестве сырья для данного или другого процесса синтеза метанола. Полезный удельный расход энергии (вычисленный как энергосодержание источника сырья в виде природного газа для получения метанола плюс внешняя энергия, подаваемая в форме электрической энергии, минус энергосодержание выводимых отдувочных газов, на тонну полученного метанола) составляет 30,8 ГДж на тонну метанола, что на 23% ниже, чем в процессе VII сравнительного примера 2.

Пример 5

Процесс VIII в примере 4 иллюстрирует, что некоторые переменные процесса, которые ранее находились в оптимальных условиях для метанольной установки/процесса VII в сравнительном примере 2, неожиданно могут давать положительный эффект в результате ре-оптимизации электрифицированного варианта данной установки. В процессе IX данного примера 5, характеризующегося той же схемой физического расположения оборудования, что и показанная для примера 4 на фиг. 10, оптимальная скорость отдувочного газа, поступающего из петли синтеза метанола, в случае процесса IX, как обнаружено, снижается от 51 до 47 т/ч. Это обеспечивает увеличение потока 244 рециркуляционного газа в реактор синтеза метанола в 230B. В таблице 2 приведены подробности энергетического баланса процесса IX данного примера 5. Количества подводимой электроэнергии увеличились на 20 МВт, до 707 МВт. В таблице 3 представлена соответствующая статистика использования энергии для процесса IX данного примера 5. Эффективность по углероду увеличивается до 85,9%, что на 1,1 процентных пунктов выше, чем в процессе VIII примера 4. Удельный расход природного газа в данном процессе IX составляет 1,9 т/ч, или 15 000 тонн в год, что меньше, чем в процессе VIII примера 4. Общий удельный расход полезной энергии в указанном процессе IX составляет 31,2 ГДж на тонну полученного метанола, что на 0,4 ГДж/т больше, чем в процессе VIII примера 4, но, тем не менее, на 22% меньше, чем в сравнительном примере 2. Пример 5 показывает, что могут быть желательными различные режимы электрификации, соответствующие настоящему раскрытию, в зависимости от того, какие пути подвода энергии следует оптимизировать. Процесс IX примера 5 немного менее энергоэффективный, чем процесс VIII примера 4, но в нём расходуется меньше природного газа, и он характеризуется более высокой эффективностью по углероду.

Пример 6

Как изображено на фиг. 11, процесс X включает в себя узел 295 разделения газов на основе адсорбции при переменном давлении (PSA) и топливный элемент 296, добавленные в процесс V, описанный в примере 2. PSA 295 выполнен с возможностью очистки потока 205' отдувочного газа; указанный PSA узел 295 извлекает 80% из 3,37 т/ч доступного водорода. Полученные 2,7 т/ч очищенного водорода 293 подают в топливный элемент 296, где водород превращается в воду 291 и электрическую энергию 296 с эффективностью по электроэнергии, равной 45%, что приводит к непрерывной выработке 48 МВт электрической энергии. Указанную электрическую энергию используют для подачи приблизительно 27% из 180 МВт электроэнергии, требуемой для процесса X (смотрите таблицу).

Пример 7

Как отображено на фиг. 11 пунктирными линиями, процесс XI согласно настоящему раскрытию включает в себя компрессор C4 и сосуд 297 для хранения, добавленные в процесс IX примера 6. Как отмечено в примере 6 выше в настоящем документе, узел 295 разделения газов на основе адсорбции при переменном давлении (PSA) выполнен с возможностью очистки потока 205' отдувочного газа; указанный PSA узел 295 извлекает 80% из 3,37 т/ч доступного водорода. Полученные 2,7 т/ч очищенного водорода 293 сжимают в C4 и хранят в сосуде 297 для хранения с целью использования в том случае, когда доступность возобновляемой электрической энергии становится ниже или когда она является более дорогостоящей. При необходимости хранимый водород 293A объединяют с водородом 293, получаемым в это время в рамках процесса XI, и оба их преобразуют в электрическую энергию с использованием топливного элемента 296. То, когда использовать хранимый водород для производства электроэнергии, будет определяться различными факторами, как будет понятно специалистам в данной области техники. Как одна из возможностей, если днём доступно определённое количество возобновляемой электрической энергии, 32,4 тонны водорода можно будет собирать, сжимать в C4 и хранить в 297 в течение двенадцатичасового периода. При высвобождении потока 293A хранимого водорода в течение следующих двенадцати часов и объединении его с 2,7 т/ч водорода 293, по-прежнему получаемого в процессе IX, приблизительно 96 МВт электроэнергии могут быть доступны постоянно в течение двенадцати часов. Указанная электрическая энергия будет обеспечивать приблизительно 53% из 180 МВт электроэнергии, требуемой для функционирования процесса XI.

Таблица 3

Пример (Процесс) Единицы CE 1
(III) 1
(IV) 2
(V) 3
(VI) CE 2
(VII) 4
(VIII) 5
(IX) Эффективность по
углероду % 76,8 82,0 88,2 96,6 68,4 84,7 85,9 Выбросы CO₂ т/год 691000 504000 12000 10000 1056000 13000 13000 Полезный удельный
расход энергии ГДж/т 35,8 33,9 29,9 30,2 40,1 30,8 31,2

Пример 8

Обнаружено, что в случае процесса синтеза метанола, некоторые точки оптимизации процесса могут сдвигаться при использовании возобновляемой энергии. В качестве примера на фиг. 12 показано влияние доли рецикла (доли от общего рециркуляционного потока 242, которую возвращают в реактор 230B синтеза метанола, вместо отдуваемого потока 205') на эффективность по углероду, расход природного газа и общий расход энергии. Как показано на фиг. 12, при использовании природного газа в качестве источника энергии имеется максимум эффективности по углероду и минимум расхода энергии при доле рецикла, составляющей приблизительно 0,9. В отличие от этого, при использовании возобновляемой электрической энергии эффективность по углероду монотонно повышается по мере увеличения доли рецикла. Неожиданно было обнаружено, что при использовании возобновляемой электрической энергии для циркуляционного компрессора оптимальная точка в общем расходе энергии сдвигается в другую позицию. Из фиг. 12 можно видеть, что доля рецикла, равная 0,95 или больше, приводит к низкому общему расходу энергии, высокой эффективности по углероду и низкому расходу природного газа в случае, когда используется возобновляемая энергия. Указанная доля рецикла соответствует отношению рециркуляционный газ/отдувочный газ, равному 19:1. Не желая ограничиваться какой-либо теорией, отметим, что это может иметь место вследствие различия в эффективности подачи мощности в системе компрессоров с электрическим приводом настоящего раскрытия по сравнению с традиционной системой компрессоров с паровым приводом.

Несмотря на то, что показаны и описаны разнообразные варианты осуществления, специалистом в данной области техники могут быть воплощены их модифицированные варианты без отступления от объёма и указаний настоящего раскрытия. Варианты осуществления, изложенные в настоящем документе, приведены лишь в качестве примеров и не подразумеваются как ограничивающие. Возможны многочисленные изменения и модификации объекта изобретения, раскрытого в данном документе, и они находятся в пределах объёма настоящего раскрытия. Следует понимать, что там, где числовые диапазоны или ограничения указаны в явном виде, такие выраженные явным образом диапазоны или ограничения включают в себя повторяющиеся диапазоны или ограничения подобной величины, попадающей в пределы указанных в явном виде диапазонов или ограничений (например, диапазон от значения около 1 примерно до 10 включает в себя 2, 3, 4 и т.д.; диапазон значений больше 0,10 включает в себя 0,11; 0,12; 0,13 и т.д.). Например, в любом случае, когда раскрывается числовой диапазон с нижним пределом R_L и верхним пределом R_U, любое число, попадающее в пределы данного диапазона, является конкретно раскрытым. В частности, в пределах данного диапазона определённо раскрыты следующие числа: R=R_L+k*(R_U-R_L), где k является переменной, находящейся в диапазоне от 1 процента до 100 процентов с шагом в 1 процент, т.е. k равно 1 проценту, 2 процентам, 3 процентам, 4 процентам, 5 процентам,... 50 процентам, 51 проценту, 52 процентам,..., 95 процентам, 96 процентам, 97 процентам, 98 процентам, 99 процентам или 100 процентам. Более того, любой числовой диапазон, определяемый двумя числами R, описанными выше, также является определённо раскрытым. Подразумевается, что употребление термина «необязательно» по отношению к любому элементу пункта формулы изобретения означает, что упомянутый элемент объекта изобретения требуется или, в качестве альтернативы, не требуется. Подразумевается, что обе альтернативы находятся в пределах объёма пункта формулы изобретения. Употребление более широких терминов, таких как «содержит, включает в себя, имеющийся» и т.д. следует понимать, как обеспечение подтверждения более узких терминов, таких как «состоящий из, состоящий по существу из, составленный по существу из» и т.д.

Соответственно, объём защиты не ограничивается описанием, изложенным выше, а ограничивается только формулой изобретения, следующей ниже, при этом упомянутый объём включает в себя все эквиваленты объекта изобретения, указанные в формуле изобретения. Всякий и каждый пункт формулы изобретения включён в описание как вариант осуществления настоящего раскрытия. Таким образом, формула изобретения представляет собой дополнительное описание и является дополнением к вариантам осуществления настоящего раскрытия. Обсуждение ссылки не является признанием того, что она представляет предшествующий уровень техники для настоящего раскрытия, в особенности какая-либо ссылка, которая может иметь дату публикации после даты приоритета настоящей заявки. Раскрытия всех патентов, заявок на патенты и публикаций, цитированных в данном документе, включены настоящим путём ссылки в той степени, в какой они привносят типовые, процедурные или другие подробности, дополняющие те, что изложены в настоящем документе.

Дополнительное раскрытие. Часть I.

Конкретные варианты осуществления, раскрытые выше, являются лишь иллюстративными, поскольку настоящее раскрытие можно модифицировать и воплощать на практике различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, в которых проявляется положительный эффект при использовании сведений, сообщаемых в настоящем документе. Кроме того, не подразумевается никаких ограничений в отношении подробностей конструкции или схемы, показанных в настоящем документе, отличных от описанных ниже в формуле изобретения. С учётом вышесказанного очевидно, что конкретные иллюстративные варианты осуществления, раскрытые выше, можно изменять или модифицировать, и все такие варианты полагаются находящимися в пределах объёма и существа настоящего раскрытия. Альтернативные варианты осуществления, которые появляются в результате комбинаций, объединения и/или исключения признаков варианта (вариантов) осуществления также находятся в пределах объёма данного раскрытия. Хотя составы и способы описаны в более широких терминах: «имеющий», «содержащий», «содержащий» или «включающий в себя» различные компоненты или стадии, составы и способы также могут «состоять по существу из» или «состоять из» различных компонентов или стадий. Употребление термина «необязательно» по отношению к любому элементу пункта формулы изобретения означает, что упомянутый элемент требуется или, в качестве альтернативы, он не требуется, при этом обе альтернативы находятся в пределах объёма пункта формулы изобретения.

Числа и диапазоны, раскрытые выше, могут в некоторой степени изменяться. В любом случае, когда раскрывается числовой диапазон с нижним пределом и верхним пределом, конкретно раскрываются любое число и любой включённый в него диапазон, попадающие в пределы данного диапазона. В частности, следует понимать, что каждый диапазон значений (формата «от значения около a примерно до b», или эквивалентно «приблизительно от a до b», или эквивалентно «приблизительно a-b»), раскрытый в настоящем документе, описывает каждое число и диапазон, охватываемые пределами более широкого диапазона значений. К тому же, термины, употребляемые в формуле изобретения, имеют своё общепринятное, обычное значение, если только патентообладателем явно и отчётливо не определено иного. Кроме того, в настоящем документе предполагается, что неопределённые артикли "a" или "an", употребляемые в формуле изобретения, обозначают один или нескольких элементов, которые они вводят. Если в данном описании и одном или нескольких патентах или других документах, имеется какое-либо противоречие в вариантах употребления слова или термина, следует принимать определения, которые согласуются с данным описанием.

Варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, включают в себя следующие:

A: установка синтеза метанола, включающая в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока, содержащего СНГ, нафту, биогаз, метан, этан, пропан, бутан, компоненты диапазона кипения нафты, уголь, нефтяной кокс или их комбинации; секцию получения синтез-газа (сингаза), содержащую один или несколько реакторов, выбранных из реакторов предварительного риформинга, реакторов парового риформинга, реакторов сухого риформинга, реакторов парциального окисления, реакторов автотермического риформинга, газификаторов или их комбинаций, и выполненную с возможностью получения потока продуктов синтеза сингаза, содержащего синтез-газ, образующийся из сырьевого потока; секцию синтеза метанола, содержащую один или несколько реакторов синтеза метанола, выполненную с возможностью получения продукта синтеза, содержащего метанол; и/или секцию очистки метанола, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из продукта синтеза для получения очищенного метанольного продукта; при этом установка синтеза метанола исполнена таким образом, что, в сопоставлении с традиционной установкой синтеза метанола, большее количество полезной энергии, требуемой для установки синтеза метанола, секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции синтеза метанола, секции очистки метанола или их комбинаций, обеспечивается за счёт источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии и/или электрической энергии.

B: установка синтеза метанола, включающая в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока, содержащего СНГ, нафту, биогаз, метан, этан, пропан, бутан, компоненты диапазона кипения нафты, уголь, нефтяной кокс или их комбинации; секцию получения сингаза, содержащую один или несколько реакторов, выбранных из реакторов предварительного риформинга, реакторов парового риформинга, реакторов сухого риформинга, реакторов парциального окисления, реакторов автотермического риформинга, газификаторов или их комбинаций и выполненную с возможностью получения потока продуктов синтеза сингаза, содержащего синтез-газ, образующийся из сырьевого потока; секцию синтеза метанола, содержащую один или несколько реакторов синтеза метанола, выполненную с возможностью получения продукта синтеза, содержащего метанол; и/или секцию очистки метанола, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из продукта синтеза для получения очищенного метанольного продукта; при этом установка синтеза метанола исполнена таким образом, что большая часть полезной энергии, требуемой для установки синтеза метанола, секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции синтеза метанола, секции очистки метанола или их комбинаций, обеспечивается за счёт электроэнергии.

Каждый из вариантов осуществления, A и B, может иметь один или несколько следующих дополнительных элементов: элемент 1, в котором источник неуглеродной энергии заключает в себе электрическую энергию; элемент 2, в котором электрическую энергию получают из источника возобновляемой энергии; элемент 3, в котором источник возобновляемой энергии заключает в себе ветровую, солнечную, геотермальную, гидроэлектрическую, волновую, приливную, ядерную энергию или их комбинации; элемент 4, в котором желаемая температура образования сингаза, по меньшей мере, в одном из отдельных или нескольких реакторов может достигаться без внешнего (например, в печи) сгорания предназначенного для этого топлива, углеродного топлива или ископаемого топлива; элемент 5, в котором один или несколько реакторов нагревают до желаемой температуры образования сингаза путём нагревания с использованием электрической энергии или возобновляемой электрической энергии и включая связанный с этим конвективный, кондуктивный, радиантный или другой способ теплопередачи; элемент 6, в котором один или несколько реакторов нагревают резистивным или индуктивным способом; элемент 7, в котором, за исключением получения пара для использования в одном или нескольких реакторах, пар не используют в качестве главной энергопередаточной среды, пар не применяют для выполнения механической работы; и/или большую часть, определённую часть или весь пар, используемый в одном или нескольких реакторах, одной или нескольких, большинстве или всех паровых турбинах установки или их сочетании, производят при помощи электричества и/или без сжигания ископаемого топлива; элемент 8, в котором секция предварительной обработки, секция получения сингаза, секция синтеза метанола, секция очистки метанола или их комбинации заключает в себе один или несколько компрессоров и в котором, по меньшей мере, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100%, или большинство из отдельных или нескольких компрессоров выполнены с возможностью работы не с газовом приводом, не с паровым приводом и/или для работы с паром, полученным с использованием электричества; элемент 9, в котором, по меньшей мере, один из отдельных или нескольких компрессоров выполнен с возможностью бифункциональной работы (или «двойного привода») посредством функционирования и с приводом от электродвигателя, и с газовым приводом, либо и с приводом от электродвигателя и с паровым приводом, так что конфигурация установки обеспечивает возможность работы одного или нескольких компрессоров с использованием возобновляемой электрической энергии или пара, производимого на основе возобновляемой электрической энергии при её доступности, и работы с использованием пара, полученного на основе невозобновляемой энергии, или сжигания, когда возобновляемая электрическая энергия недоступна; элемент 10, содержащий двойные компрессоры на одной или нескольких ступенях сжатия секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции синтеза метанола, секции очистки метанола или их комбинаций, так что стадию сжатия можно осуществлять при помощи первого из двойных компрессоров, который включён. тогда, когда второй из двойных компрессоров выключен, и наоборот, при этом первый из двойных компрессоров приводится в действие электродвигателем, а второй из двойных компрессоров приводится в действие паром или за счёт сгорания топлива, так что конфигурация установки обеспечивает возможность работы одного или нескольких компрессоров при помощи возобновляемой электрической энергии или пара, производимого на основе возобновляемой электрической энергии, при её доступности, и работы с использованием пара, производимого на основе невозобновляемой энергии или за счёт сгорания топлива, когда возобновляемая электрическая энергия недоступна; элемент 11, содержащий устройство для охлаждения или нагревания технологического потока, одного или нескольких реакторов риформинга, одного или нескольких реакторов синтеза метанола и/или сепаратора секции очистки метанола, при этом, по меньшей мере, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100% полезной энергии для нагревания, подаваемой нагревательным устройством, энергии для охлаждения, подаваемой охлаждающим устройством, или обе из них обеспечиваются за счёт электроэнергии; элемент 12, содержащий охлаждающее устройство после каждого из отдельных или нескольких реакторов риформинга, охлаждающее устройство после конечного из отдельных или нескольких реакторов риформинга, охлаждающее устройство после реактора сдвига водяного газа, охлаждающее устройство после секции получения сингаза и выполненное с возможностью выделения воды из потока продуктов реактора риформинга путём конденсации; охлаждающее устройство после одного или нескольких из отдельных или нескольких реакторов синтеза метанола; охлаждающее устройство в секции очистки метанола или их комбинации; элемент 13, содержащий одно или несколько устройств для предварительного нагревания сырья в секции предварительной обработки сырья; устройство для нагревания сингаза перед одним или несколькими реакторами синтеза метанола; нагревательное устройство в секции очистки метанола или их комбинации; элемент 14, в котором хранятся сжатое сырьё (например, природный газ), сжатый водород, криогенные жидкости, тепло, электроэнергия или их комбинации, так что хранимые сжатое сырьё, сжатый водород, криогенные жидкости, тепло и/или электроэнергию можно использовать, когда возобновляемая электрическая энергия недоступна; элемент 15, дополнительно включающий в себя устройство для производства электрической энергии, выполненное с возможностью выработки электроэнергии за счёт давления или тепла на установке синтеза метанола; элемент 16, в котором устройство для производства электрической энергии заключает в себе экспандер, термоэлектрическое устройство или их комбинации; элемент 17, в котором секция получения сингаза заключает в себе реактор риформинга, соединённый по текучей среде с потоком углеводородного сырья, содержащим природный газ, метан, этан, пропан, бутан, нафту, газойль или их комбинации, либо реактор парциального окисления, соединённый по текучей среде с потоком сырья парциального окисления, содержащим уголь, нефтяной кокс, природный газ, метан, этан, пропан, бутан, нафту, газойль или их комбинации; секция синтеза метанола необязательно включает в себя реактор сдвига водяного газа с охлаждающим устройством до и после реактора сдвига, устройство для конденсации воды после реактора сдвига водяного газа, один или несколько компрессоров сингаза для сжатия сингаза и/или нагревательное устройство перед одним или несколькими реакторами синтеза метанола; и/или секция очистки метанола включает в себя устройство для охлаждения продукта реактора синтеза метанола, устройство для извлечения сырого метанола, выполненное с возможностью выделения продукта синтеза, содержащего метанол, в виде потока сырого метанола и отделённого потока сингаза, циркуляционный компрессор, выполненный с возможностью возврата в цикл, по меньшей мере, части отделённого потока сингаза в один или несколько реакторов синтеза метанола, систему отдува газа, выполненную с возможностью выделения отдувочного газа из отделённого потока сингаза, и/или устройство для очистки метанола, выполненное с возможностью отделения лёгких фракций, тяжёлых побочных продуктов, воды или их комбинаций от потока сырого метанола для получения очищенного метанольного продукта; при этом большая часть или по существу вся энергия для подвода полезного тепла, требуемого для секции получения сингаза, полезного тепла, подаваемого нагревательным устройством, подвода или отвода полезного тепла, требующегося для системы отдува газа; подвода полезного тепла, требуемого для устройства очистки метанола или их комбинаций, обеспечивается за счёт электроэнергии; и/или при этом большая или существенная часть компрессоров, выбранных из компрессоров, используемых для нагнетания потока сырья, одного или нескольких компрессоров сингаза и циркуляционного компрессора, приводится в действие электричеством и/или паром, производимым не за счёт сгорания топлива, углеродного топлива и/или ископаемого топлива; элемент 18, дополнительно включающий в себя устройство для фракционирования, выполненное с возможностью фракционирования отдувочного газа для получения потока метана; элемент 19, в котором фракционирование заключает в себе криогенное фракционирование; элемент 20, дополнительно включающий в себя реактор метанирования, выполненный с возможностью превращения монооксида углерода и диоксида углерода отдувочного газа в метан либо до, либо после фракционирования; элемент 21, дополнительно содержащий рециркуляционную линию, по которой метан, образующийся в реакторе метанирования, возвращают в секцию получения сингаза; элемент 22, выполненный с возможностью сжигания около 50, 40, 30, 20, 10, 5, 4, 3, 2 или 1 массового процента (масс.%) отдувочного газа или меньше; элемент 23, в котором попутно образуется водород как побочный продукт, а установка синтеза метанола дополнительно включает в себя устройство для отделения водорода, необязательно, после секции синтеза метанола, выполненное с возможностью выделения водорода, образующегося в реакторе риформинга, из отдувочного газа, предоставляющее таким образом отделённый водород, устройство для очистки водорода, выполненное с возможностью очистки отделённого водорода, предоставляющее посредством этого очищенный водород; и один или несколько топливных элементов, выполненных с возможностью производства электроэнергии из очищенного водорода; элемент 24, дополнительно включающий в себя устройство для хранения, выполненное с возможностью хранения отделённого водорода, очищенного водорода или их комбинаций, в результате чего отделённый водород, очищенный водород или их комбинации можно хранить, когда электрическая энергия легко доступна, и за счёт этого хранимый водород можно использовать для производства электроэнергии в одном или нескольких топливных элементах, когда другие источники электрической энергии не находятся в лёгком доступе и/или недоступны по желательной цене; элемент 25, выполненный с возможностью вывода отделённого водорода на установку синтеза аммиака и/или дополнительно включающий в себя устройство для получения аммиака, по меньшей мере, из части отделённого водорода; элемент 26, выполненный с возможностью получения около 2 тонн или меньше топочного газа сгорания, образующегося при сгорании топлива, углеродного топлива, ископаемого топлива или их комбинаций, на тонну полученного метанола; элемент 27, дополнительно содержащий один или несколько узлов разделения воздуха (ASU), при этом, по меньшей мере, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, большую часть или всю энергию, требуемую для одного или нескольких узлов ASU, подают в виде электрической энергии; элемент 28, выполненный с возможностью введения диоксида углерода выше по ходу потока от одного или нескольких реакторов синтеза метанола для расходования избыточного водорода, достижения баланса тепла в одном или нескольких реакторах синтеза метанола (например, превращения его в менее экзотермичный с тем, чтобы в секции синтеза метанола требовался меньший отвод тепла) и обеспечения условий для превращения CO₂ в метанол при помощи электроэнергии, и/или введения CO₂ в реактор сдвига водяного газа (WGS) для обеспечения протекания эндотермичного и низкотемпературного WGS и/или лёгкого и низкотемпературного поглощения электрической энергии и/или избыточного низкопотенциального тепла при охлаждении потоков продуктов; элемент 29, выполненный с возможностью получения диоксида углерода (CO₂) в результате сжигания в секции получения сингаза для добавления тепла в секцию получения сингаза и уменьшения выделения тепла в одном или нескольких реакторах синтеза метанола; элемент 30, выполненный с возможностью получения диоксида углерода в результате сгорания возобновляемого (например, неископаемого) топлива.

дополнительное раскрытие. часть II

Ниже следуют неограничивающие, конкретные варианты осуществления в соответствии с настоящим раскрытием:

Первый вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола, включающую в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока, содержащего СНГ, нафту, биогаз, метан, этан, пропан, бутан, компоненты диапазона кипения нафты, уголь, нефтяной кокс или их комбинации, секцию получения синтез-газа (сингаза), содержащую один или несколько реакторов, выбранных из реакторов предварительного риформинга, реакторов парового риформинга, реакторов сухого риформинга, реакторов парциального окисления, реакторов автотермического риформинга, газификаторов или их комбинаций, и выполненную с возможностью получения потока продуктов синтеза сингаза, содержащего синтез-газ, образующийся из сырьевого потока; секцию синтеза метанола, содержащую один или несколько реакторов синтеза метанола, выполненную с возможностью получения продукта синтеза, содержащего метанол; и/или секцию очистки метанола, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из продукта синтеза для получения очищенного метанольного продукта, при этом установка синтеза метанола исполнена таким образом, что, в сопоставлении с традиционной установкой синтеза метанола, большее количество полезной энергии, требуемой для данной установки синтеза метанола, секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции синтеза метанола, секции очистки метанола или их комбинаций, обеспечивается за счёт источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии и/или электрической энергии.

Второй вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола первого варианта осуществления, в которой неуглеродный источник энергии заключает в себе электрическую энергию.

Третий вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола, включающую в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока, содержащего СНГ, нафту, биогаз, метан, этан, пропан, бутан, компоненты диапазона кипения нафты, уголь, нефтяной кокс или их комбинации; секцию получения сингаза, содержащую один или несколько реакторов, выбранных из реакторов предварительного риформинга, реакторов парового риформинга, реакторов сухого риформинга, реакторов парциального окисления, реакторов автотермического риформинга, газификаторов или их комбинаций и выполненную с возможностью получения потока продуктов синтеза сингаза, содержащего синтез-газ, образующийся из сырьевого потока; секцию синтеза метанола, содержащую один или несколько реакторов синтеза метанола, выполненную с возможностью получения продукта синтеза, содержащего метанол; и/или секцию очистки метанола, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из продукта синтеза для получения очищенного метанольного продукта; при этом установка синтеза метанола исполнена таким образом, что большая часть полезной энергии, требуемой для установки синтеза метанола, секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции синтеза метанола, секции очистки метанола или их комбинаций, обеспечивается за счёт электроэнергии.

Четвёртый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола второго или третьего варианта осуществления, в которой электрическую энергию получают из источника возобновляемой энергии.

Пятый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола четвёртого варианта осуществления, в которой источник возобновляемой энергии заключает в себе ветровую, солнечную, геотермальную, гидроэлектрическую, волновую, приливную, ядерную энергию или их комбинации.

Шестой вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола второго или третьего варианта осуществления, в которой желаемая температура образования сингаза, по меньшей мере, в одном из отдельных или нескольких реакторов может достигаться без внешнего (например, в печи) сгорания предназначенного для этого топлива, углеродного топлива или ископаемого топлива.

Седьмой вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола шестого варианта осуществления, в которой один или несколько реакторов нагревают до желаемой температуры образования сингаза путём нагревания на основе электрической энергии или возобновляемой электрической энергии и включая связанный с этим конвективный, кондуктивный, радиантный или другой способ теплопередачи.

Восьмой вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола шестого варианта осуществления, в которой один или несколько реакторов нагревают резистивным или индуктивным способом.

Девятый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола второго или третьего варианта осуществления, в которой за исключением получения пара для использования в одном или нескольких реакторах, пар не используют в качестве главной энергопередаточной среды, пар не применяют для выполнения механической работы; и/или большую часть, определённую часть или весь пар, используемый в одном или нескольких реакторах, одной или нескольких, большинстве или всех паровых турбинах установки или их сочетании, производят при помощи электричества и/или без сжигания ископаемого топлива.

Десятый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола второго или третьего варианта осуществления, в которой секция предварительной обработки, секция получения сингаза, секция синтеза метанола, секция очистки метанола или их комбинации заключает в себе один или несколько компрессоров и в котором, по меньшей мере, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100%, или большинство из отдельных или нескольких компрессоров выполнены с возможностью работы не с газовым приводом, не с паровым приводом и/или работы с паром, полученным с использованием электричества.

Одиннадцатый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола десятого варианта осуществления, в которой, по меньшей мере, один из отдельных или нескольких компрессоров выполнен с возможностью бифункциональной работы (или «двойного привода») посредством функционирования и с приводом от электродвигателя, и с газовым приводом, либо и с приводом от электродвигателя и с паровым приводом, так что конфигурация установки обеспечивает возможность работы одного или нескольких компрессоров с использованием возобновляемой электрической энергии или пара, производимого на основе возобновляемой электрической энергии при её доступности, и работы с использованием пара, полученного на основе невозобновляемой энергии, или сжигания, когда возобновляемая электрическая энергия недоступна.

Двенадцатый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола десятого варианта осуществления, содержащую двойные компрессоры на одной или нескольких ступенях сжатия секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции синтеза метанола, секции очистки метанола или их комбинаций, так что стадию сжатия можно осуществлять при помощи первого из двойных компрессоров, который включён тогда, когда второй из двойных компрессоров выключен, и наоборот, при этом первый из двойных компрессоров приводится в действие электродвигателем, а второй из двойных компрессоров приводится в действие паром или за счёт сгорания топлива, так что конфигурация установки обеспечивает возможность работы одного или нескольких компрессоров при помощи возобновляемой электрической энергии или пара, производимого на основе возобновляемой электрической энергии, при её доступности, и работы с использованием пара, производимого на основе невозобновляемой энергии или за счёт сгорания топлива, когда возобновляемая электрическая энергия недоступна.

Тринадцатый вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола второго или третьего варианта осуществления, содержащую устройство для охлаждения или нагревания технологического потока, одного или нескольких реакторов риформинга, одного или нескольких реакторов синтеза метанола и/или сепаратора секции очистки метанола, при этом, по меньшей мере, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100% полезной энергии для нагревания, подаваемой нагревательным устройством, энергии для охлаждения, подаваемой охлаждающим устройством, или обе из них обеспечиваются за счёт электроэнергии.

Четырнадцатый вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола тринадцатого варианта осуществления, содержащую охлаждающее устройство после каждого из отдельных или нескольких реакторов риформинга, охлаждающее устройство после конечного из отдельных или нескольких реакторов риформинга; охлаждающее устройство после реактора сдвига водяного газа, охлаждающее устройство после секции получения сингаза и выполненное с возможностью выделения воды из потока продуктов реактора риформинга путём конденсации; охлаждающее устройство после одного или нескольких из отдельных или нескольких реакторов синтеза метанола; охлаждающее устройство в секции очистки метанола или их комбинации.

Пятнадцатый вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола тринадцатого варианта осуществления, содержащую одно или несколько устройств для предварительного нагрева сырья в секции предварительной обработки сырья; устройство для нагревания сингаза перед одним или несколькими реакторами синтеза метанола; нагревательное устройство в секции очистки метанола или их комбинации.

Шестнадцатый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола второго или третьего варианта осуществления, в которой находятся на хранении сжатое сырьё (например, природный газ), сжатый водород, криогенные жидкости, тепло, электроэнергия или их комбинации, так что хранимые сжатое сырьё, сжатый водород, криогенные жидкости, тепло и/или электроэнергию можно использовать, когда возобновляемая электрическая энергия недоступна.

Семнадцатый вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола второго или третьего варианта осуществления, дополнительно включающую в себя устройство для производства электрической энергии, выполненное с возможностью выработки электроэнергии за счёт давления или тепла на установке синтеза метанола.

Восемнадцатый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола семнадцатого варианта осуществления, в которой устройство для производства электрической энергии заключает в себе экспандер, термоэлектрическое устройство или их комбинации.

Девятнадцатый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола второго или третьего варианта осуществления, в которой секция получения сингаза заключает в себе реактор риформинга, соединённый по текучей среде с потоком углеводородного сырья, содержащим природный газ, метан, этан, пропан, бутан, нафту, газойль или их комбинации, либо реактор парциального окисления, соединённый по текучей среде с потоком сырья парциального окисления, содержащим уголь, нефтяной кокс, природный газ, метан, этан, пропан, бутан, нафту, газойль или их комбинации, секция синтеза метанола необязательно включает в себя реактор сдвига водяного газа с охлаждающим устройством до и после реактора сдвига, устройство для конденсации воды после реактора сдвига водяного газа, один или несколько компрессоров сингаза для сжатия сингаза и/или нагревательное устройство перед одним или несколькими реакторами синтеза метанола; и/или секция очистки метанола включает в себя устройство для охлаждения продукта реактора синтеза метанола, устройство для извлечения сырого метанола, выполненное с возможностью выделения продукта синтеза, содержащего метанол, в виде потока сырого метанола и отделённого потока сингаза, циркуляционный компрессор, выполненный с возможностью возврата в цикл, по меньшей мере, части отделённого потока сингаза в один или несколько реакторов синтеза метанола, систему отдува газа, выполненную с возможностью выделения отдувочного газа из отделённого потока сингаза, и/или устройство для очистки метанола, выполненное с возможностью отделения лёгких фракций, тяжёлых побочных продуктов, воды или их комбинаций от потока сырого метанола для получения очищенного метанольного продукта, при этом большая часть или по существу вся энергия для подвода полезного тепла, требуемого для секции получения сингаза, полезного тепла, подаваемого нагревательным устройством, подвода или отвода полезного тепла, требующегося для системы отдува газа, подвода полезного тепла, требуемого для устройства очистки метанола или их комбинаций, обеспечивается за счёт электроэнергии; и/или при этом большая или существенная часть компрессоров, выбранных из компрессоров, используемых для нагнетания потока сырья, одного или нескольких компрессоров сингаза и циркуляционного компрессора, приводится в действие электричеством и/или паром, производимым не за счёт сгорания топлива, углеродного топлива и/или ископаемого топлива.

Двадцатый вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола девятнадцатого варианта осуществления, дополнительно включающую в себя устройство для фракционирования, выполненное с возможностью фракционирования отдувочного газа для получения потока метана.

Двадцать первый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола двадцатого варианта осуществления, в которой фракционирование заключает в себе криогенное фракционирование.

Двадцать второй вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола двадцатого варианта осуществления, включающую в себя реактор метанирования, выполненный с возможностью превращения монооксида углерода и диоксида углерода отдувочного газа в метан либо до, либо после фракционирования.

Двадцать третий вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола двадцатого варианта осуществления, дополнительно содержащую рециркуляционную линию, по которой метан, образующийся в реакторе метанирования, возвращают в секцию получения сингаза.

Двадцать четвёртый вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола девятнадцатого варианта осуществления, выполненную с возможностью сжигания около 50, 40, 30, 20, 10, 5, 4, 3, 2 или 1 массового процента (масс.%) отдувочного газа или меньше.

Двадцать пятый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола второго или третьего варианта осуществления, в которой попутно образуется водород как побочный продукт, а установка синтеза метанола дополнительно включает в себя устройство для отделения водорода, необязательно, после секции синтеза метанола, выполненное с возможностью выделения водорода, образующегося в реакторе риформинга, из отдувочного газа, предоставляющее таким образом отделённый водород, устройство для очистки водорода, выполненное с возможностью очистки отделённого водорода, предоставляющее посредством этого очищенный водород; и один или несколько топливных элементов, выполненных с возможностью производства электроэнергии из очищенного водорода.

Двадцать шестой вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола двадцать пятого варианта осуществления, дополнительно включающую в себя устройство для хранения, выполненное с возможностью хранения отделённого водорода, очищенного водорода или их комбинаций, в результате чего отделённый водород, очищенный водород или их комбинации можно хранить, когда электрическая энергия легко доступна, и за счёт этого хранимый водород можно использовать для производства электроэнергии в одном или нескольких топливных элементах, когда другие источники электрической энергии не находятся в лёгком доступе и/или недоступны по желательной цене.

Двадцать седьмой вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола двадцать пятого варианта осуществления, выполненную с возможностью вывода отделённого водорода на установку синтеза аммиака и/или дополнительно включающий в себя устройство для получения аммиака, по меньшей мере, из части отделённого водорода.

Двадцать восьмой вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола первого, второго или третьего варианта осуществления, выполненную с возможностью получения около 2 тонн или меньше топочного газа сгорания, образующегося при сгорании топлива, углеродного топлива, ископаемого топлива или их комбинаций, на тонну полученного метанола.

Двадцать девятый вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола второго или третьего варианта осуществления, дополнительно содержащую один или несколько узлов разделения воздуха (ASU), при этом, по меньшей мере, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, большую часть или всю энергию, требуемую для одного или нескольких узлов ASU, подают в виде электрической энергии.

Тридцатый вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола второго или третьего варианта осуществления, выполненную с возможностью введения диоксида углерода выше по ходу потока от одного или нескольких реакторов синтеза метанола для расходования избыточного водорода, достижения баланса тепла в одном или нескольких реакторах синтеза метанола (например, превращения его в менее экзотермичный с тем, чтобы в секции синтеза метанола требовался меньший отвод тепла) и обеспечения условий для превращения CO₂ в метанол при помощи электроэнергии, и/или введения CO₂ в реактор сдвига водяного газа (WGS) для обеспечения протекания эндотермичного и низкотемпературного WGS и/или лёгкого и низкотемпературного поглощения электрической энергии и/или избыточного низкопотенциального тепла при охлаждении потоков продуктов.

Тридцать первый вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола второго или третьего варианта осуществления, выполненную с возможностью получения диоксида углерода (CO₂) в результате сжигания в секции получения сингаза для добавления тепла в секцию получения сингаза и уменьшения выделения тепла в одном или нескольких реакторах синтеза метанола.

Тридцать второй вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола тридцать первого варианта осуществления, выполненную с возможностью получения диоксида углерода в результате сгорания возобновляемого (например, неископаемого) топлива.

дополнительное раскрытие. часть III

Ниже следуют неограничивающие, конкретные варианты осуществления в соответствии с настоящим раскрытием:

Варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, включают в себя:

A: Способ получения метанола на установке синтеза метанола, включающий в себя: (a) осуществление риформинга сырья, содержащего метан, этан, пропан, бутан, СНГ, нафту, биогаз или их комбинации, для получения продукта реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород, при этом температуру риформинга поддерживают путём полезного подвода Q1 тепла; (b) охлаждение продукта реактора риформинга для получения охлаждённого продукта реактора риформинга путём осуществления полезного отвода Q2 тепла; (c) осуществление реакции сдвига продукта реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига продукта реактора риформинга; (d) охлаждение подвергнутого реакции сдвига продукта путём выполнения полезного отвода Q3 тепла; (e) охлаждение и конденсирование воды, выделяющейся из продукта реактора риформинга, путём выполнения полезного отвода Q4 тепла для получения очищенного продукта реактора риформинга; (f) сжатие очищенного продукта реактора риформинга; (g) нагревание сжатого, очищенного продукта реактора риформинга путём полезного подвода Q5 тепла для получения сырья синтеза метанола; (h) получение продукта, содержащего метанол, из сырья синтеза метанола; (i) охлаждение продукта, содержащего метанол, путём полезного отвода Q6 тепла для выделения потока сырого метанола и получения потока рециркуляционного газа, содержащего монооксид углерода и водород; (j) сжатие потока рециркуляционного газа циркуляционным компрессором; (k) отдув через систему отдува газа, который можно выполнять при полезном подводе или отводе Q7 тепла; (l) очистку метанола, содержащегося в сыром метанольном продукте, путём удаления лёгких фракций, тяжёлых побочных продуктов, воды или их комбинаций из потока сырого метанола, при этом удаление лёгких фракций, тяжёлых побочных продуктов, воды или их комбинаций требует полезного подвода или отвода Q8 тепла; или (m) их комбинации; при этом, в сопоставлении с традиционным способом получения метанола, на всей данной установке синтеза метанола большее количество энергии, требуемой для полезного подвода или отвода энергии на указанной стадии (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g), (h), (i), (j), (k), (l) или их сочетании (m), сжатия или их комбинаций, обеспечивается за счёт источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии и/или электрической энергии.

B: Способ получения метанола на установке синтеза метанола, включающий в себя: (a) осуществление риформинга сырья, содержащего метан, этан, пропан, бутан, СНГ, нафту, биогаз или их комбинации, для получения продукта реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород, при этом температуру риформинга поддерживают путём полезного подвода Q1 тепла; (b) охлаждение продукта реактора риформинга для получения охлаждённого продукта реактора риформинга путём осуществления полезного отвода Q2 тепла; (c) осуществление реакции сдвига продукта реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига продукта реактора риформинга; (d) охлаждение подвергнутого реакции сдвига продукта путём выполнения полезного отвода Q3 тепла; (e) охлаждение и конденсирование воды, выделяющейся из продукта реактора риформинга, путём выполнения полезного отвода Q4 тепла для получения очищенного продукта реактора риформинга; (f) сжатие очищенного продукта реактора риформинга; (g) нагревание сжатого, очищенного продукта реактора риформинга путём полезного подвода Q5 тепла для получения сырья синтеза метанола; (h) получение продукта, содержащего метанол, из сырья синтеза метанола; (i) охлаждение продукта, содержащего метанол, путём полезного отвода Q6 тепла для выделения потока сырого метанола и получения потока рециркуляционного газа, содержащего монооксид углерода и водород; (j) сжатие потока рециркуляционного газа циркуляционным компрессором; (k) отдув через систему отдува газа, который можно выполнять при полезном подводе или отводе Q7 тепла; (l) очистка метанола, содержащегося в сыром метанольном продукте, путём удаления лёгких фракций, тяжёлых побочных продуктов, воды или их комбинаций из потока сырого метанола, при этом удаление лёгких фракций, тяжёлых побочных продуктов, воды или их комбинаций требует полезного подвода или отвода Q8 тепла; или (m) их комбинации, при этом большая часть энергии, требуемой для полезного подвода или отвода энергии на упомянутой стадии (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g), (h), (i), (j), (k), (l) или их сочетании (m) на всей данной установке синтеза метанола, сжатия или их комбинаций, обеспечивается за счёт источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии и/или электрической энергии.

C: Способ получения метанола, включающий в себя: (a) осуществление риформинга сырья реактора риформинга, содержащего метан, природный газ, этан, пропан, бутан, нафту, уголь или их комбинации, для получения продукта реактора риформинга, содержащего синтез-газ; (b) необязательно, осуществление реакции сдвига продукта реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига продукта, содержащего монооксид углерода, диоксид углерода и водород; (c) удаление воды из продукта реактора риформинга или подвергнутого реакции сдвига продукта для получения сухого сингаза; (d) необязательно, сжатие сухого сингаза для получения сжатого, сухого сингаза; (e) нагревание, необязательно, сжатого, сухого сингаза для получения сырья синтеза метанола; (f) осуществление синтеза метанола из сырья синтеза метанола для получения продукта синтеза метанола; и/или (g) очистка продукта синтеза метанола для получения очищенного метанольного продукта, при этом большая часть или около 40, 50, 60, 70, 80 или 90% или больше полезной энергии, требуемой на стадии (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g) или их сочетании, обеспечивается за счёт источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, электрической энергии или их комбинаций.

Каждый из вариантов осуществления, A, B и C, может иметь один или несколько из следующих дополнительных элементов: элемент 1, в котором источник неуглеродной энергии заключает в себе электрическую энергию; элемент 2, в котором электрическую энергию получают из источника возобновляемой энергии; элемент 3, в котором источник возобновляемой энергии заключает в себе ветровую, солнечную, геотермальную, гидроэлектрическую, ядерную, приливную, волновую энергию или их комбинации; элемент 4, в котором поддержание температуры риформинга осуществляют без сжигания топлива, ископаемого топлива, углеродного топлива или их комбинаций во внешнем по отношению к сырью пространстве; элемент 5, в котором источник неуглеродной энергии заключает в себе прерывистый источник энергии (IES) или при его помощи производится электрическая энергия, дополнительно включающий в себя поддержание температуры риформинга без сжигания топлива, ископаемого топлива, углеродного топлива или их комбинаций во внешнем по отношению к сырью пространстве, когда источник IES доступен, и поддержание температуры риформинга путём подачи сохранённой энергии, полученной из IES, либо за счёт сгорания топлива или углеродного топлива, когда IES недоступен; элемент 6, в котором риформинг проводят в одном или нескольких реакторах риформинга, которые поддерживают при температуре риформинга путём нагревания на основе электрической энергии или возобновляемой электрической энергии и включая связанный с этим конвективный, радиантный или другой способ теплопередачи; элемент 7, в котором нагревание на основе электрической энергии или возобновляемой электрической энергии представляет собой резистивный или индуктивный нагрев; элемент 8, в котором, за исключением получения пара для использования в реакторе парового риформинга метана и/или реакторе предварительного риформинга, пар не используют в качестве главной энергопередаточной среды; элемент 9, в котором большая часть, определённая часть или весь подвод внешней энергии для генерирования пара, используемого в реакторе парового риформинга метана, реакторе предварительного риформинга, одной или нескольких, большинстве или всех паровых турбинах установки или их сочетании, представляет собой электрическую энергию; элемент 10, в котором отвод тепла на одной или нескольких, или на всех стадиях (a)-(l) не включает в себя производства пара для использования в паровой турбине; элемент 11, в котором сжатие сухого сингаза или очищенного продукта реактора риформинга, сжатие потока рециркуляционного газа, сжатие сырьевого потока для ввода в один или несколько реакторов риформинга или их комбинации заключает в себе сжатие компрессором, приводимым в действие электродвигателем, турбиной с электрическим приводом или турбиной, приводимой в действие паром, полученным с использованием электричества, по меньшей мере, в одном, большинстве или всех используемых компрессорах; элемент 12, в котором большая часть или около 40, 50, 60, 70, 80 или 90% или больше полезной энергии, требующейся для отвода тепла, подвода тепла, сжатия или их комбинаций на стадиях (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g) или их сочетании, обеспечивается за счёт источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, электрической энергии или их комбинаций; элемент 13, в котором (a) риформинг осуществляют без внешнего сжигания топлива, ископаемого топлива и/или углеродного топлива; элемент 14, в котором использование источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, электрической энергии или их комбинаций для подачи большей части, либо около 40, 50, 60, 70, 80 или 90% или больше полезной энергии, требующейся на стадии (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g) или их сочетании, приводит к снижению выбросов парниковых газов, по меньшей мере, на 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 95 или 98%, по отношению к традиционному способу получения метанола; элемент 15, в котором тепло, получаемое в результате охлаждения продукта реактора риформинга (например, путём отвода Q2, Q3 и/или Q4 тепла) используется для предварительного нагрева сырья (например, используется для подачи первой части подвода Q1 тепла); элемент 16, в котором вторая часть тепла, необходимого для подвода Q1 тепла, подаётся при помощи электронагрева, перегретого пара, внутреннего окисления, достигаемого путём добавления небольшого количества кислорода или воздуха, или их комбинаций; элемент 17, в котором пар используют как реагент или для разбавления на стадии (a), и пар, используемый как реагент или разбавитель, генерируют с использованием электрической энергии; элемент 18, в котором электронагрев используют для установления температурного профиля в реакторе риформинга стадии (a), реакторе сдвига водяного газа стадии (c), реакторе синтеза метанола стадии (h) или их сочетании; элемент 19, в котором механический нагрев используют для нагревания сырья, подаваемого в реактор риформинга стадии (a), реактор сдвига водяного газа стадии (c), реактор синтеза метанола стадии (h) или их комбинации; элемент 20, в котором массовое отношение потока рециркуляционного газа в (i) к потоку отдувочного газа в (k) составляет, по меньшей мере, 19:1; элемент 21, в котором попутно образуется водород как побочный продукт; элемент 22, дополнительно включающий в себя сжигание, по меньшей мере, части совместно образовавшегося водорода с целью получения тепла, высокотемпературного пара для использования в качестве реагента в паровом риформинге или для обеих целей, без образования CO₂; элемент 23, в котором количество потребляемой электрической энергии больше или равно 20 МВт; элемент 24, в котором количество CO₂, полученного на тонну метанола, составляет меньше 0,3 тонн CO₂ на тонну метанола; элемент 25, в котором полезный удельный расход энергии составляет меньше 34 ГДж/т метанола; элемент 26, в котором эффективность по углероду равна 82% или больше.

дополнительное раскрытие. часть IV

Ниже следуют неограничивающие, конкретные варианты осуществления в соответствии с настоящим раскрытием:

Первый вариант осуществления, который представляет собой способ получения метанола на установке синтеза метанола, включающий в себя: (a) осуществление риформинга сырья, содержащего метан, этан, пропан, бутан, СНГ, нафту, биогаз или их комбинации, для получения продукта реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород, при этом температуру риформинга поддерживают путём полезного подвода Q1 тепла, (b) охлаждение продукта реактора риформинга для получения охлаждённого продукта реактора риформинга путём осуществления полезного отвода Q2 тепла, (c) осуществление реакции сдвига продукта реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига продукта реактора риформинга, (d) охлаждение подвергнутого реакции сдвига продукта путём выполнения полезного отвода Q3 тепла, (e) охлаждение и конденсирование воды, выделяющейся из продукта реактора риформинга, путём выполнения полезного отвода Q4 тепла для получения очищенного продукта реактора риформинга, (f) сжатие очищенного продукта реактора риформинга, (g) нагревание сжатого, очищенного продукта реактора риформинга путём полезного подвода Q5 тепла для получения сырья синтеза метанола, (h) получение продукта, содержащего метанол, из сырья синтеза метанола, (i) охлаждение продукта, содержащего метанол, путём полезного отвода Q6 тепла для выделения потока сырого метанола и получения потока рециркуляционного газа, содержащего монооксид углерода и водород, (j) сжатие потока рециркуляционного газа циркуляционным компрессором, (k) отдув через систему отдува газа, который можно выполнять при полезном подводе или отводе Q7 тепла, (l) очистку метанола, содержащегося в сыром метанольном продукте, путём удаления лёгких фракций, тяжёлых побочных продуктов, воды или их комбинаций из потока сырого метанола, при этом удаление лёгких фракций, тяжёлых побочных продуктов, воды или их комбинаций требует полезного подвода или отвода Q8 тепла, или (m) их комбинации; при этом, в сопоставлении с традиционным способом получения метанола, большее количество энергии, требуемой для полезного подвода или отвода энергии на указанной стадии (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g), (h), (i), (j), (k), (l) или их сочетании (m) во всей данной установке синтеза метанола, сжатия или их комбинаций, обеспечивается за счёт источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии и/или электрической энергии.

Второй вариант осуществления, представляющий способ первого варианта осуществления, в котором источник неуглеродной энергии заключает в себе электрическую энергию.

Третий вариант осуществления, который представляет способ получения метанола на установке синтеза метанола, включающий в себя: (a) осуществление риформинга сырья, содержащего метан, этан, пропан, бутан, СНГ, нафту, биогаз или их комбинации, для получения продукта реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород, при этом температуру риформинга поддерживают путём полезного подвода Q1 тепла, (b) охлаждение продукта реактора риформинга для получения охлаждённого продукта реактора риформинга путём осуществления полезного отвода Q2 тепла; (c) осуществление реакции сдвига продукта реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига продукта реактора риформинга, (d) охлаждение подвергнутого реакции сдвига продукта путём выполнения полезного отвода Q3 тепла, (e) охлаждение и конденсирование воды, выделяющейся из продукта реактора риформинга, путём выполнения полезного отвода Q4 тепла для получения очищенного продукта реактора риформинга, (f) сжатие очищенного продукта реактора риформинга, (g) нагревание сжатого, очищенного продукта реактора риформинга путём полезного подвода Q5 тепла для получения сырья синтеза метанола, (h) получение продукта, содержащего метанол, из сырья синтеза метанола, (i) охлаждение продукта, содержащего метанол, путём полезного отвода Q6 тепла для выделения потока сырого метанола и получения потока рециркуляционного газа, содержащего монооксид углерода и водород, (j) сжатие потока рециркуляционного газа циркуляционным компрессором, (k) отдув через систему отдува газа, который выполняют при полезном подводе или отводе Q7 тепла, (l) очистка метанола, содержащегося в сыром метанольном продукте, путём удаления лёгких фракций, тяжёлых побочных продуктов, воды или их комбинаций из потока сырого метанола, при этом удаление лёгких фракций, тяжёлых побочных продуктов, воды или их комбинаций требует полезного подвода или отвода Q8 тепла, или (m) их комбинации, при этом большая часть энергии, требуемой для полезного подвода или отвода энергии на упомянутой стадии (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g), (h), (i), (j), (k), (l) или их сочетании (m) на всей данной установке синтеза метанола, сжатия или их комбинаций, обеспечивается за счёт источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии и/или электрической энергии.

Четвёртый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором электрическую энергию получают из возобновляемого источника энергии.

Пятый вариант осуществления, представляющий способ четвёртого варианта осуществления, в котором возобновляемый источник энергии заключает в себе ветровую, солнечную, геотермальную, гидроэлектрическую, ядерную, приливную, волновую энергию или их комбинации.

Шестой вариант осуществления, представляющий способ первого, второго или третьего варианта осуществления, в котором поддержание температуры риформинга осуществляют без сжигания топлива, ископаемого топлива, углеродного топлива или их комбинаций во внешнем по отношению к сырью пространстве.

Седьмой вариант осуществления, представляющий способ шестого варианта осуществления, в котором источник неуглеродной энергии заключает в себе прерывистый источник энергии (IES) или при его помощи производится электрическая энергия, дополнительно включающий в себя поддержание температуры риформинга без сжигания топлива, ископаемого топлива, углеродного топлива или их комбинаций во внешнем по отношению к сырью пространстве, когда источник IES доступен, и поддержание температуры риформинга путём подачи сохранённой энергии, полученной из IES, либо за счёт сгорания топлива или углеродного топлива, когда IES недоступен.

Восьмой вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором риформинг проводят в одном или нескольких реакторах риформинга, которые поддерживают при температуре риформинга путём нагревания на основе электрической энергии или возобновляемой электрической энергии и включая связанный с этим конвективный, радиантный или другой способ теплопередачи.

Девятый вариант осуществления, представляющий способ восьмого варианта осуществления, в котором нагревание на основе электрической энергии или возобновляемой электрической энергии является резистивным или индуктивным нагревом.

Десятый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором, за исключением получения пара для использования в реакторе парового риформинга метана и/или реакторе предварительного риформинга, пар не используют в качестве главной энергопередаточной среды.

Одиннадцатый вариант осуществления, представляющий способ десятого варианта осуществления, в котором большая часть, определённая часть или весь подвод внешней энергии для генерирования пара, используемого в реакторе парового риформинга метана, реакторе предварительного риформинга, одной или нескольких, большинстве или всех паровых турбинах установки или их сочетании, представляет собой электрическую энергию.

Двенадцатый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором отвод тепла на одной или нескольких, или на всех стадиях (a)-(l) не включает в себя производства пара для использования в паровой турбине.

Тринадцатый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором сжатие сухого сингаза или очищенного продукта реактора риформинга, сжатие потока рециркуляционного газа, сжатие сырьевого потока для ввода в один или несколько реакторов риформинга или их комбинации заключает в себе сжатие компрессором, приводимым в действие электродвигателем, турбиной с электрическим приводом или турбиной, приводимой в действие паром, полученным с использованием электричества, по меньшей мере, в одном, большинстве или всех используемых компрессорах.

Четырнадцатый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором тепло, получаемое в результате охлаждения продукта реактора риформинга (например, путём отвода Q2, Q3 и/или Q4 тепла), используется для предварительного нагрева сырья (например, используется для подачи первой части подвода Q1 тепла).

Пятнадцатый вариант осуществления, представляющий способ четырнадцатого варианта осуществления, в котором вторую часть тепла, необходимого для подвода Q1 тепла, подают при помощи электронагрева, перегретого пара, внутреннего окисления, достигаемого путём добавления небольшого количества кислорода или воздуха, или их комбинаций.

Шестнадцатый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором пар используют как реагент или для разбавления на стадии (a), и пар, используемый как реагент или разбавитель, генерируют с использованием электрической энергии.

Семнадцатый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором электронагрев используют для установления температурного профиля в реакторе риформинга стадии (a), реакторе сдвига водяного газа стадии (c), реакторе синтез метанола стадии (h) или их сочетании.

Восемнадцатый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором механический нагрев используют для нагревания сырья, подаваемого в реактор риформинга стадии (a), реактор сдвига водяного газа стадии (c), реактор синтеза метанола стадии (h) или их комбинации.

Девятнадцатый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором массовое отношение потока рециркуляционного газа в (i) к потоку отдувочного газа в (k) составляет, по меньшей мере, 19:1.

Двадцатый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором попутно образуется водород как побочный продукт.

Двадцать первый вариант осуществления, представляющий способ двадцатого варианта осуществления, дополнительно включающий в себя сжигание, по меньшей мере, части совместно образовавшегося водорода с целью получения тепла, высокотемпературного пара для использования в качестве реагента в паровом риформинге или для обеих целей, без образования CO₂.

Двадцать второй вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором количество потребляемой электрической энергии больше или равно 20 МВт.

Двадцать третий вариант осуществления, представляющий способ первого, второго или третьего варианта осуществления, в котором количество CO₂, полученного на тонну метанола, составляет меньше 0,3 тонны CO₂ на тонну метанола.

Двадцать четвёртый вариант осуществления, представляющий способ первого, второго или третьего варианта осуществления, в котором полезный удельный расход энергии составляет меньше 34 ГДж/т метанола.

Двадцать пятый вариант осуществления, представляющий способ первого, второго или третьего варианта осуществления, в котором эффективность по углероду равна 82% или больше.

Двадцать шестой вариант осуществления, который представляет собой способ получения метанола, включающий в себя: (a) осуществление риформинга сырья реактора риформинга, содержащего метан, природный газ, этан, пропан, бутан, нафту, уголь или их комбинации, для получения продукта реактора риформинга, содержащего синтез-газ; (b) осуществление реакции сдвига продукта реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига продукта, содержащего монооксид углерода, диоксид углерода и водород, (c) удаление воды из продукта реактора риформинга или подвергнутого реакции сдвига продукта для получения сухого сингаза, (d) сжатие сухого сингаза для получения сжатого, сухого сингаза, (e) нагревание сжатого, сухого сингаза для получения сырья синтеза метанола, (f) осуществление синтеза метанола из сырья синтеза метанола для получения продукта синтеза метанола, и/или (g) очистка продукта синтеза метанола для получения очищенного метанольного продукта, при этом большая часть или около 40, 50, 60, 70, 80 или 90% или больше полезной энергии, требуемой на стадии (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g) или их сочетании, обеспечивается за счёт источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, электрической энергии или их комбинаций.

Двадцать седьмой вариант осуществления, представляющий способ двадцать шестого варианта осуществления, в котором большая часть, либо около 40, 50, 60, 70, 80 или 90% или больше полезной энергии, требуемой для отвода тепла, подвода тепла, сжатия или их комбинаций на стадиях (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g) или их сочетании, обеспечивается за счёт источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, электрической энергии или их комбинаций.

Двадцать восьмой вариант осуществления, представляющий способ двадцать шестого варианта осуществления, в котором риформинг (a) воплощают без внешнего сжигания топлива, ископаемого топлива и/или углеродного топлива.

Двадцать девятый вариант осуществления, представляющий способ двадцать шестого варианта осуществления, в котором использование источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, электрической энергии или их комбинаций для подачи большей части, либо около 40, 50, 60, 70, 80 или 90% или больше полезной энергии, требующейся на стадии (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g) или их сочетании, приводит к снижению выбросов парниковых газов, составляющему, по меньшей мере, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 95 или 98%, по отношению к традиционному способу получения метанола.

Тридцатый вариант осуществления, который представляет собой способ синтеза метанола или устройство, описанное в настоящем документе.

дополнительное раскрытие. часть V

Ниже следуют неограничивающие, конкретные варианты осуществления в соответствии с настоящим раскрытием:

Первый вариант осуществления, который представляет установку синтеза метанола, включающую в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока, содержащего СНГ, нафту, биогаз, метан, этан, пропан, бутан, компоненты диапазона кипения нафты, уголь, нефтяной кокс или их комбинации; секцию получения синтез-газа (сингаза), содержащую один или несколько реакторов, выбранных из реакторов предварительного риформинга, реакторов парового риформинга, реакторов сухого риформинга, реакторов парциального окисления, реакторов автотермического риформинга, газификаторов или их комбинаций, и выполненную с возможностью получения потока продуктов синтеза сингаза, содержащего синтез-газ, образующийся из сырьевого потока; секцию синтеза метанола, содержащую один или несколько реакторов синтеза метанола, выполненную с возможностью получения продукта синтеза, содержащего метанол; и/или секцию очистки метанола, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из продукта синтеза для получения очищенного метанольного продукта, причём установка синтеза метанола потребляет 20 МВт электрической энергии или больше, при этом количество CO₂, полученного на тонну метанола, составляет меньше 0,3 тонн CO₂ на тонну метанола, а полезный удельный расход энергии составляет меньше 34 ГДж/т метанола.

Второй вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола по первому варианту осуществления, в котором эффективность по углероду равна 82% или больше.

Третий вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола по первому или второму варианту осуществления, в котором заданная температура образования сингаза, по меньшей мере, в одном из отдельных или нескольких реакторов может достигаться без внешнего сжигания предназначенного для этого топлива, невозобновляемого углеродного топлива или ископаемого топлива.

Четвёртый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола по любому из вариантов осуществления, от первого до третьего, в котором установка синтеза метанола не включает в себя секцию рекуперации тепла топочного газа.

Пятый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола по любому из вариантов осуществления, от первого до четвёртого, в котором один или несколько реакторов нагревают до заданной температуры образования сингаза путём нагревания на основе электрической энергии и связанного с этим конвективного, кондуктивного, радиантного или индуктивного способа теплопередачи.

Шестой вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола по любому из вариантов осуществления, от первого до пятого, в которой, за исключением получения пара для использования в одном или нескольких реакторах, пар не используют в качестве главной энергопередаточной среды или пар не применяют для выполнения механической работы.

Седьмой вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола по любому из вариантов осуществления, от первого до шестого, дополнительно содержащую охлаждающее устройство после каждого из отдельных или нескольких реакторов риформинга, охлаждающее устройство после конечного из отдельных или нескольких реакторов риформинга; охлаждающее устройство после реактора сдвига водяного газа, охлаждающее устройство после секции получения сингаза и выполненное с возможностью выделения воды из потока продуктов реактора риформинга путём конденсации; охлаждающее устройство после одного или нескольких из отдельных или нескольких реакторов синтеза метанола; охлаждающее устройство в секции очистки метанола или их комбинации, при этом, по меньшей мере, 50% полезной энергии для охлаждающего устройства обеспечивают за счёт электричества.

Восьмой вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола по любому из вариантов осуществления, от первого до седьмого, в которой находятся на хранении сжатое сырьё, сжатый водород, криогенные жидкости, тепло, электроэнергия или их комбинации, так что хранимые сжатое сырьё, сжатый водород, криогенные жидкости, тепло и/или электроэнергию можно использовать, когда возобновляемая электрическая энергия недоступна.

Девятый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола по любому из вариантов осуществления, от первого до восьмого, дополнительно включающую в себя устройство для фракционирования, выполненное с возможностью фракционирования отдувочного газа для получения потока метана, и реактор метанирования, выполненный с возможностью превращения монооксида углерода и диоксида углерода отдувочного газа в метан либо до, либо после фракционирования.

Десятый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола по девятому варианту осуществления, выполненную с возможностью сжигания около 50 массовых процентов (масс.%) отдувочного газа или меньше.

Одиннадцатый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола по любому из вариантов осуществления, от первого до десятого, в которой попутно образуется водород как побочный продукт, а установка синтеза метанола дополнительно включает в себя устройство для отделения водорода, необязательно, после секции синтеза метанола, выполненное с возможностью выделения водорода, образующегося в реакторе риформинга, из отдувочного газа, предоставляющее таким образом отделённый водород, устройство для очистки водорода, выполненное с возможностью очистки отделённого водорода, предоставляющее посредством этого очищенный водород, и один или несколько топливных элементов, выполненных с возможностью производства электроэнергии из очищенного водорода.

Двенадцатый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола по любому из вариантов осуществления, от первого до одиннадцатого, в котором установка синтеза метанола выполнена с возможностью получения около двух тонн или меньше топочного газа сгорания, образующегося при сгорании топлива, на тонну полученного метанола.

Тринадцатый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола по любому из вариантов осуществления, от первого до двенадцатого, выполненную с возможностью введения диоксида углерода выше по ходу потока от одного или нескольких реакторов синтеза метанола для расходования избыточного водорода, достижения баланса тепла в одном или нескольких реакторах синтеза метанола и обеспечения условий для превращения CO₂ в метанол при помощи электроэнергии или введения CO₂ в реактор сдвига водяного газа (WGS).

Четырнадцатый вариант осуществления, представляющий установку синтеза метанола по любому из вариантов осуществления, от первого до тринадцатого, выполненную с возможностью получения диоксида углерода (CO₂) в результате сжигания в секции получения сингаза для добавления тепла в секцию получения сингаза и уменьшения выделения тепла в одном или нескольких реакторах синтеза метанола.

Пятнадцатый вариант осуществления, который представляет собой способ получения метанола на установке синтеза метанола, включающий в себя: (a) осуществление риформинга сырья, содержащего метан, этан, пропан, бутан, СНГ, нафту, биогаз или их комбинации, для получения продукта реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород, при этом температуру риформинга поддерживают путём полезного подвода Q1 тепла, (b) охлаждение продукта реактора риформинга для получения охлаждённого продукта реактора риформинга путём осуществления полезного отвода Q2 тепла, (c) осуществление реакции сдвига продукта реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига продукта реактора риформинга, (d) охлаждение подвергнутого реакции сдвига продукта путём выполнения полезного отвода Q3 тепла, (e) охлаждение и конденсирование воды, выделяющейся из продукта реактора риформинга, путём выполнения полезного отвода Q4 тепла для получения очищенного продукта реактора риформинга, (f) сжатие очищенного продукта реактора риформинга, (g) нагревание сжатого, очищенного продукта реактора риформинга путём полезного подвода Q5 тепла для получения сырья синтеза метанола, (h) получение продукта, содержащего метанол, из сырья синтеза метанола, (i) охлаждение продукта, содержащего метанол, путём полезного отвода Q6 тепла для выделения потока сырого метанола и получения потока рециркуляционного газа, содержащего монооксид углерода и водород, (j) сжатие потока рециркуляционного газа циркуляционным компрессором, (k) отдув через систему отдува газа, который можно выполнять при полезном подводе или отводе Q7 тепла, и (l) очистку метанола, содержащегося в сыром метанольном продукте, путём удаления лёгких фракций, тяжёлых побочных продуктов, воды или их комбинаций из потока сырого метанола, причём удаление лёгких фракций, тяжёлых побочных продуктов, воды или их комбинаций требует полезного подвода или отвода Q8 тепла, при этом в данном способе потребляется 20 МВт или больше электрической энергии в день, притом количество CO₂, полученного на тонну метанола, составляет меньше 0,3 тонны CO₂ на тонну метанола, а полезный удельный расход энергии составляет меньше 34 ГДж/т метанола.

Шестнадцатый вариант осуществления, представляющий способ по пятнадцатому варианту осуществления, в котором эффективность по углероду равна 82% или больше.

Семнадцатый вариант осуществления, представляющий способ по пятнадцатому или шестнадцатому варианту осуществления, в котором тепло, получаемое в результате охлаждения продукта реактора риформинга путём отвода Q2, Q3 и Q4 тепла, используют для предварительного нагрева сырья при подаче первой части подвода Q1 тепла.

Восемнадцатый вариант осуществления, представляющий способ по любому из вариантов осуществления, от пятнадцатого до семнадцатого, в котором вторую часть тепла, необходимого для подвода Q1 тепла, подают при помощи электронагрева, перегретого пара, внутреннего окисления, достигаемого путём добавления небольшого количества кислорода или воздуха, или их комбинаций.

Девятнадцатый вариант осуществления, представляющий способ по любому из вариантов осуществления, от пятнадцатого до восемнадцатого, в котором пар используют только как реагент или для разбавления на стадии (a), и пар, используемый как реагент или разбавитель, генерируют с использованием электронагрева.

Двадцатый вариант осуществления, представляющий способ по любому из вариантов осуществления, от пятнадцатого до девятнадцатого, в котором механический нагрев используют для нагревания сырья, подаваемого в реактор риформинга стадии (a), реактор сдвига водяного газа стадии (c), реактор синтеза метанола стадии (h) или их комбинации.

Двадцать первый вариант осуществления, представляющий способ по любому из вариантов осуществления, от пятнадцатого до двадцатого, в котором массовое отношение потока рециркуляционного газа в (i) к потоку отдувочного газа в (k) составляет, по меньшей мере, 19:1.

Двадцать второй вариант осуществления, представляющий способ по любому из вариантов осуществления, от пятнадцатого до двадцать первого, в котором попутно образуется водород как побочный продукт и который дополнительно включает в себя сжигание, по меньшей мере, части совместно образовавшегося водорода с целью получения тепла, высокотемпературного пара для использования в качестве реагента в паровом риформинге или для обеих целей, без образования CO₂.

Несмотря на то, что показаны и описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, специалистом в данной области техники могут быть выполнены его модифицированные варианты без отступления от указаний данного раскрытия. Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, приведены лишь в качестве примеров и не предназначены для ограничения. Многие варианты и модификации настоящего изобретения, раскрытого в данном документе, являются возможными и находятся в пределах объёма настоящего изобретения.

Другие многочисленные модификации, эквиваленты и альтернативы станут очевидны специалистам в данной области техники сразу после полного восприятия вышеизложенного раскрытия. Предполагается, что следующая ниже формула изобретения истолковывается как охватывающая все такие модификации, эквиваленты и альтернативы там, где они применимы. Соответственно, объём защиты не ограничивается описанием, изложенным выше, а ограничивается только формулой изобретения, которая следует ниже, при этом указанный объём включает в себя все эквиваленты объекта формулы изобретения. Всякий и каждый пункт формулы изобретения включён в описание как вариант осуществления настоящего изобретения. Таким образом, формула изобретения является добавочным описанием и дополнением к подробному описанию настоящего изобретения. Раскрытия всех патентов, заявок на патенты и публикаций, цитированных в настоящем документе, настоящим включены в виде ссылки.

Настоящее изобретение относится к установке синтеза метанола, а также к способу получения метанола с использованием данной установки. Установка включает: секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока, содержащего сжиженный нефтяной газ (СНГ), нафту, биогаз, метан, этан, пропан, бутан, компоненты диапазона кипения нафты, уголь, нефтяной кокс или их комбинации; секцию получения синтез-газа (сингаза), содержащую один или несколько реакторов, выбранных из реакторов предварительного риформинга, реакторов парового риформинга, реакторов сухого риформинга, реакторов парциального окисления, реакторов автотермического риформинга, газификаторов или их комбинаций, и выполненную с возможностью получения потока продуктов синтеза сингаза, содержащего синтез-газ, образующийся из сырьевого потока; секцию синтеза метанола, содержащую один или несколько реакторов синтеза метанола, выполненную с возможностью получения продукта синтеза, содержащего метанол; и секцию очистки метанола, выполненную с возможностью удаления по меньшей мере одного компонента из продукта синтеза для получения очищенного метанольного продукта. При этом установка потребляет количество электрической энергии, равное 20 МВт или больше, количество CO₂, производимого на тонну метанола, меньше 0,3 тонн CO₂ на тонну метанола, и полезный удельный расход энергии составляет меньше 34 ГДж/т метанола. Кроме того, установка сконфигурирована таким образом, что более 50% полезной энергии, потребляемой установкой для синтеза метанола, секцией предварительной обработки сырья, секцией выработки синтез-газа, секцией синтеза метанола, секцией очистки метанола или их комбинацией, обеспечивается электричеством. Технический результат - разработка усовершенствованных систем и способов химического синтеза, в результате использования которых уменьшается или исключается определённое количество топлив, особенно ископаемых топлив, сжигаемых для получения энергии, а также повышается энергоэффективность и/или уменьшается количество выбросов, таких как выбросы парниковых газов (GHG), производимых установкой химического синтеза. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 12 ил., 3 табл., 10 пр.

1. Установка синтеза метанола, включающая в себя:

секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока, содержащего сжиженный нефтяной газ (СНГ), нафту, биогаз, метан, этан, пропан, бутан, компоненты диапазона кипения нафты, уголь, нефтяной кокс или их комбинации;

секцию получения синтез-газа (сингаза), содержащую один или несколько реакторов, выбранных из реакторов предварительного риформинга, реакторов парового риформинга, реакторов сухого риформинга, реакторов парциального окисления, реакторов автотермического риформинга, газификаторов или их комбинаций, и выполненную с возможностью получения потока продуктов синтеза сингаза, содержащего синтез-газ, образующийся из сырьевого потока;

секцию синтеза метанола, содержащую один или несколько реакторов синтеза метанола, выполненную с возможностью получения продукта синтеза, содержащего метанол; и

секцию очистки метанола, выполненную с возможностью удаления по меньшей мере одного компонента из продукта синтеза для получения очищенного метанольного продукта;

причём установка синтеза метанола потребляет количество электрической энергии, равное 20 МВт или больше,

при этом количество CO₂, производимого на тонну метанола, меньше 0,3 тонн CO₂ на тонну метанола, и

при этом полезный удельный расход энергии составляет меньше 34 ГДж/т метанола, и

при этом установка синтеза метанола сконфигурирована таким образом, что более 50% полезной энергии, потребляемой установкой для синтеза метанола, секцией предварительной обработки сырья, секцией выработки синтез-газа, секцией синтеза метанола, секцией очистки метанола или их комбинацией, обеспечивается электричеством.

2. Установка синтеза метанола по п. 1, на которой секция предварительной обработки сырья, секция выработки синтез-газа, секция синтеза метанола, секция очистки метанола или их комбинации электрифицированы.

3. Установка синтеза метанола по п. 3, на которой секция синтеза метанола электифицирована.

4. Установка синтеза метанола по п. 1, которая не включает в себя секцию извлечения тепла топочного газа.

5. Установка синтеза метанола по п. 1, на которой один или несколько реакторов нагревают до заданной температуры образования сингаза путём нагревания на основе электрической энергии и связанного с этим конвективного, кондуктивного, радиантного или индуктивного способа теплопередачи.

6. Установка синтеза метанола по п. 1, на которой секция выработки синтез-газа сконфигурирована таким образом, что заданная температура выработки синтез-газа может быть достигнута по меньшей мере в одном или нескольких реакторах без внешнего сжигания специального топлива, невозобновляемого топлива на основе углерода или ископаемого топлива

7. Установка синтеза метанола по п. 1, дополнительно включающая охлаждающее устройство, расположенное после каждого из отдельных или нескольких реакторов риформинга; охлаждающее устройство, расположенное после конечного из отдельных или нескольких реакторов риформинга; охлаждающее устройство, расположенное после реактора сдвига водяного газа; охлаждающее устройство, расположенное после секции получения сингаза и выполненное с возможностью выделения воды из потока продуктов реактора риформинга путём конденсации; охлаждающее устройство, расположенное после одного или нескольких из отдельных или нескольких реакторов синтеза метанола; охлаждающее устройство, расположенное в секции очистки метанола или их комбинации, при этом по меньшей мере 50% полезной энергии для охлаждающего устройства обеспечивают за счёт электричества.

8. Установка синтеза метанола по п. 1, в которой находятся на хранении сжатое сырьё, сжатый водород, криогенные жидкости, тепло, электроэнергия или их комбинации, так что находящиеся на хранении сжатое сырьё, сжатый водород, криогенные жидкости, тепло и/или электроэнергию можно использовать, когда возобновляемая электрическая энергия недоступна.

9. Установка синтеза метанола по п. 1, дополнительно включающая в себя устройство для фракционирования, выполненное с возможностью фракционирования отдувочного газа для получения потока метана, и реактор метанирования, выполненный с возможностью превращения монооксида углерода и диоксида углерода отдувочного газа в метан либо до, либо после фракционирования.

10. Установка синтеза метанола по п. 9, выполненная с возможностью сжигания около 50 массовых процентов (масс.%) отдувочного газа или меньше.

11. Установка синтеза метанола по п. 1, на которой секция очистки метанола электифицирована.

12. Установка синтеза метанола по п. 1, которая выполнена с возможностью получения около двух тонн или меньше топочного газа сгорания, образующегося при сгорании топлива, на тонну полученного метанола.

13. Установка синтеза метанола по п. 1, в которой секция выработки синтез-газа электрифицирована.

14. Установка синтеза метанола по п. 1, выполненная с возможностью получения диоксида углерода (CO₂) в результате сжигания в секции получения сингаза для добавления тепла в секцию получения сингаза и уменьшения выделения тепла в одном или нескольких реакторах синтеза метанола.

15. Способ получения метанола на установке синтеза метанола по п. 1, включающий в себя следующее:

(a) осуществляют риформинг сырья, содержащего метан, этан, пропан, бутан, СНГ, нафту, биогаз или их комбинации, для получения продукта реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород, при этом температуру риформинга поддерживают путём подвода Q1 полезного тепла;

(b) охлаждают продукт реактора риформинга для получения охлаждённого продукта реактора риформинга путём осуществления отвода Q2 полезного тепла;

(c) осуществляют реакцию сдвига охлажденного продукта реактора риформинга в реакторе обратного сдвига для получения подвергнутого реакции сдвига продукта реактора риформинга;

(d) охлаждают подвергнутый реакции сдвига продукт путём выполнения отвода Q3 полезного тепла;

(e) охлаждают и конденсируют воду, выделяющуюся из продукта реактора риформинга, путём выполнения отвода Q4 полезного тепла для получения очищенного продукта реактора риформинга;

(f) сжимают очищенный продукт реактора риформинга с получением сжатого очищенного продукта реактора риформинга;

(g) нагревают сжатый, очищенный продукт реактора риформинга путём подвода Q5 полезного тепла для получения сырья синтеза метанола;

(h) получают продукт, содержащий метанол, из сырья синтеза метанола;

(i) охлаждают продукт, содержащий метанол, путём отвода Q6 полезного тепла для выделения потока сырого метанола и получения потока рециркуляционного газа, содержащего монооксид углерода и водород;

(j) сжимают поток рециркуляционного газа циркуляционным компрессором;

(k) осуществляют отдув через систему отдува газа, при этом отдув можно выполнять при подводе или отводе Q7 полезного тепла; и

(l) очищают метанол, содержащийся в сыром метанольном продукте, путём удаления лёгких фракций, тяжёлых побочных продуктов, воды или их комбинаций из потока сырого метанола, причём удаление лёгких фракций, тяжёлых побочных продуктов, воды или их комбинаций требует подвода или отвода Q8 полезного тепла;

при этом в данном способе потребляется 20 МВт или больше электрической энергии в день,

причём количество CO₂, полученного на тонну метанола, составляет меньше 0,3 тонны CO₂ на тонну метанола, а полезный удельный расход энергии составляет меньше 34 ГДж/т метанола.

16. Способ по п. 15, в котором эффективность по углероду равна 82% или больше.

17. Способ по п. 15, в котором тепло, получаемое в результате охлаждения продукта реактора риформинга путём отвода Q2, Q3 и Q4 тепла, используют для предварительного нагрева сырья при подаче первой части подвода Q1 тепла.

18. Способ по п. 15, в котором вторую часть тепла, необходимого для подвода Q1 тепла, подают при помощи электронагрева, перегретого пара, внутреннего окисления, достигаемого путём добавления небольшого количества кислорода или воздуха, или их комбинаций.

19. Способ по п. 15, в котором пар используют только в качестве реагента или для разбавления на стадии (a), и пар, используемый как реагент или разбавитель, генерируют с использованием электронагрева.

20. Способ по п. 15, в котором механический нагрев используют для нагревания сырья, подаваемого в реактор риформинга (a), реактор сдвига водяного газа стадии (c), реактор синтеза метанола стадии (h) или их комбинации.

21. Способ по п. 15, в котором массовое отношение потока рециркуляционного газа в (i) к потоку отдувочного газа в (k) составляет по меньшей мере 19:1.

22. Способ по п. 15, в котором образуется водород как побочный продукт и который дополнительно включает в себя сжигание по меньшей мере части совместно образовавшегося водорода с целью получения тепла, высокотемпературного пара для использования в качестве реагента в паровом риформинге или для обеих целей, без образования CO₂.