СПОСОБ И УСТАНОВКА СИНТЕЗА МЕТАНОЛА
METHOD AND INSTALLATION FOR METHANOL SYNTHESIS

Изобретение относится к способу синтеза метанола согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к установке синтеза метанола согласно ограничительной части пункта 16 формулы изобретения.
Производство метанола обычно осуществляют в реакторе установки синтеза метанола, в который подают поток синтез-газа, содержащий водород и оксиды углерода, и в котором проводят экзотермическую реакцию получения метанола.
В зависимости от того, каким способом был получен поток синтез-газа, и в зависимости от того, какой энергоноситель образует основу синтез-газа, доля водорода в свежем синтез-газе может быть меньше, чем требуется. В частности, для улучшения стехиометрического соотношения при синтезе метанола часто целесообразно извлекать непрореагировавший водород из остаточного газа реактора и рециркулировать этот водород в реактор синтеза метанола.
Для осуществления такой рециркуляции требуется увеличить давление извлеченного водорода перед подачей.
В документе ЕР 3205622 В1 известного уровня техники, усовершенствованием которого является настоящее изобретение, раскрывается установка синтеза метанола. В этой установке поток водорода, который получают посредством PSA (pressure swing adsorption, адсорбция со сдвигом давления) из остаточного газа синтеза метанола, подают в поток синтез-газа. Эту подачу осуществляют по технологическому потоку до компрессора синтез-газа, так что в компрессоре синтез-газа вместе с синтез-газом увеличивают и давление водорода потока водорода перед подачей в реактор синтеза метанола.
Недостатком этого решения известного уровня техники является то, что компрессор синтез-газа, вследствие необходимости сжимать также и извлекаемый водород, должен быть больше, чем прежде, а также увеличивается энергопотребление на повышение давления.
На основании известного уровня техники, задача изобретения заключается в усовершенствовании способа синтеза метанола, известного из уровня техники, в том отношении, чтобы обеспечить экономически выгодное повышение давления извлекаемого водорода.
Относительно способа синтеза метанола согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, эта задача решена посредством отличительных признаков отличительной части пункта 1. Относительно установки синтеза метанола согласно ограничительной части пункта 16 формулы изобретения, эта задача решена посредством отличительных признаков отличительной части пункта 16.
В основе изобретения лежит понимании того, что повышение давления водорода, извлекаемого из отводимого водорода, также может быть выполнено в рециркуляционном компрессоре. Рециркуляционный компрессор предназначен для того, чтобы организовать циркуляцию значительной части непрореагировавших остаточных газов через реактор синтеза метанола. Обычно только частичный поток остаточных газов подают в отводимый водород, поскольку затем, как правило, весь частичный поток - за вычетом извлеченного водорода - может быть выведен как продувочный газ. Если извлеченный водород затем должен быть вместе с остальным непрореагировавшим остаточным газом пропущен через рециркуляционный компрессор для повышения давления, то, при известных условиях, требуется некоторая потеря давления остальных непрореагировавших остаточных газов, поскольку отведение водорода также происходит с определенной потерей давления. Однако, было установлено, что перенос повышения давления извлеченного водорода из компрессора синтез-газа в рециркуляционный компрессор в итоге ведет к снижению затрат.
Предлагаемый способ предназначен для синтеза метанола. В предлагаемом способе поток углеродсодержащего энергоносителя подают в реакторную установку получения синтез-газа для получения потока синтез-газа, содержащего водород и оксиды углерода. Так, поток синтез-газа содержит водород, монооксид углерода и диоксид углерода и может, в частности, содержать другие компоненты, такие как азот и благородные газы. Поток синтез-газа также может быть назван потоком свежего газа.
В предлагаемом способе поток синтез-газа также подают в устройство рекуперации тепла для отведения тепла потока синтез-газа, а затем в компрессор синтез-газа для повышения давления. Компрессор синтез-газа может быть выполнен многоступенчатым. Возможно, чтобы между устройством рекуперации тепла и компрессором синтез-газа поток синтез-газа проходил через другое устройство или несколько других устройств. Также нужно подчеркнуть, что устройство рекуперации тепла обычно представляет собой только одну ступень системы рекуперации тепла, включающей множество устройств рекуперации тепла. Другими словами, может иметь место случай, когда поток синтез-газа подают только в одно устройство рекуперации тепла из множества взаимосвязанных устройств рекуперации тепла.
Согласно предлагаемому способу, поток синтез-газа с повышенным давлением, по меньшей мере частично, подают на первую ступень реакторной установки синтеза метанола для частичного превращения в метанол. Является предпочтительным, чтобы поток синтез-газа с повышенным давлением был подан на первую реакторную ступень, по существу, полностью. Однако, возможно, чтобы предварительно был ответвлена часть потока синтез-газа. Отличительный признак частичного превращения в метанол основан на том факте, что непреобразованный остаток исходного материала выходит из реакторной установки синтеза метанола, следовательно, преобразование происходит не полностью. Реакторная установка синтеза метанола может включать несколько ступеней или только одну ступень. Если реакторная установка синтеза метанола включает только одну ступень, первая ступень является этой единственной ступенью реакторной установки синтеза метанола. Первая ступень реакторной установки синтеза метанола является той ступенью реакторной установки синтеза метанола, на которую, по меньшей мере частично, поступает поток синтез-газа до того, как он или поток статочного газа поступает на следующую ступень. В этом отношении, первая реакторная ступень является той ступенью реакторной установки синтеза метанола, которая находится в начале технологической цепочки процесса. Этот факт согласуется с возможным наименованием потока синтез-газа потоком свежего газа. Каждая индивидуальная ступень реакторной установки синтеза метанола может включать множество индивидуальных реакторов синтеза метанола, соединенных друг с другом параллельно относительно технологической цепочки процесса.
В предлагаемом способе предусматривается, что из реакторной установки синтеза метанола отводят поток остаточного газа с непрореагировавшими оксидами углерода, и подают поток остаточного газа в рециркуляционный компрессор с целью повышения давления потока остаточного газа. Поток остаточного газа может также содержать непрореагировавший водород. Если реакторная установка синтеза метанола представляет собой только одну реакторную ступень, то поток остаточного газа может быть отведен с любой реакторной ступени. Под непрореагировавшим веществом здесь и далее понимается вещество, которое в качестве исходного материала для синтеза метанола поступает на одну из ступеней реакторной установки синтеза метанола, в частности на первую реакторную ступень, и затем выходит из реакторной установки, не приняв участия в реакции синтеза метанола.
В предлагаемом способе также предусматривается, что поток остаточного газа с повышенным давлением подают в реакторную установку синтеза метанола для частичного превращения в метанол. Также речь идет о рециркуляции потока остаточного газа с повышенным давлением в реакторную установку синтеза метанола, из которой этот поток остаточного газа был отведен.
В предлагаемом способе также дополнительно предусматривается, что отводимый поток из непрореагировавшего остаточного газа первой реакторной ступени подают в установку извлечения водорода для получения потока рециркулируемого Н. Под непрореагировавшим остаточным газом может подразумеваться только часть всех непрореагировавших газов первой реакторной ступени. Отводимый поток, возможно, может быть получен из непрореагировавшего остаточного газа путем ответвления.
В предлагаемом способе также предусматривается, что поток рециркулируемого Н содержит непрореагировавший водород из непрореагировавшего остаточного газа, каковой непрореагировавший водород потока рециркулируемого Н вновь подают на первую реакторную ступень с целью, по меньшей мере, частичного превращения в метанол. Возможно, что непрореагировавший водород представляет собой только часть всего непрореагировавшего водорода первой реакторной ступени и/или только часть всего непрореагировавшего водорода непрореагировавших остаточных газов. При этом, повторная подача непрореагировавшего водорода потока рециркулируемого Н на первую реакторную ступень может быть осуществлена как непосредственно, так и косвенно. В случае косвенной подачи непрореагировавший водород сначала подают в другие устройства.
Предлагаемый способ отличается тем, что непрореагировавший водород потока рециркулируемого Н, по меньшей мере частично, после первой реакторной ступени до повторной подачи на первую реакторную ступень проходит через рециркуляционный компрессор вместе с непрореагировавшими оксидами углерода с целью повышения давления. Другими словами, по меньшей мере, для части непрореагировавшего водорода в потоке рециркулируемого Н между выходом непрореагировавшего водорода с первой реакторной ступени и повторной подачей непрореагировавшего водорода на первую реакторную ступень имеет место повышение давления посредством рециркуляционного компрессора. Поскольку в рециркуляционном компрессоре - как уже было определено - происходит повышение давления потока остаточного газа с непрореагировавшими оксидами углерода, в рециркуляционном компрессоре также имеет место повышение давление непрореагировавшего водорода вместе с непрореагировавшими оксидами углерода. Является предпочтительным, чтобы между выходом с первой реакторной ступени и повторной подачей на первую реакторную ступень непрореагировавший водород потока рециркулируемого Н, по существу, полностью подвергался повышению давления в рециркуляционном компрессоре вместе с непрореагировавшими оксидами углерода.
В сущности, непрореагировавший водород рециркулируемого потока Н или часть водорода перед повторной подачей на первую реакторную ступень может неоднократно подвергаться повышению давления. Так, с одной стороны, помимо повышения давления в рециркуляционном компрессоре, дополнительно может происходить повышение давления в компрессоре синтез-газа. Возможно, что такое дополнительное повышение давления относится только к части непрореагировавшего водорода. С другой стороны, также возможно, чтобы давление непрореагировавшего водорода или его части перед повторной подачей на первую реакторную ступень многократно повышалось в рециркуляционном компрессоре. В частности, это может иметь место, когда со стороны выхода рециркуляционного компрессора осуществляется возврат на сторону входа рециркуляционного компрессора.
Один из предпочтительных вариантов осуществления способа отличается тем, что непрореагировавший водород потока рециркулируемого Н, по меньшей мере, частично, предпочтительно, по существу, полностью после первой реакторной ступени до повторной подачи на первую реакторную ступень именно один раз претерпевает повышение давления в рециркуляционном компрессоре вместе с непрореагировавшими оксидами углерода. Следовательно, давление, по меньшей мере, части непрореагировавшего водорода потока рециркулируемого Н после первой реакторной ступени до повторной подачи на первую реакторную ступень повышают только при помощи рециркуляционного компрессора вместе с непрореагировавшими оксидами углерода. При этом, не происходит повышения давления при помощи другого компрессора и т.п. Собственно, излишнее повторное повышение давления, таким образом, исключается. Нужно отметить, что требование именно однократного повышения давления при помощи рециркуляционного компрессора затрагивает только непрореагировавший водород первой реакторной ступени, который также содержится в потоке рециркулируемого Н, а также, предпочтительно, из этого непрореагировавшего водорода - только часть. Если же - как это обычно имеет место - существует непрореагировавший водород первой ступени реактора, который не содержится в потоке рециркулируемого Н, нет необходимости в том, чтобы этот непрореагировавший водород также претерпевал именно однократное увеличение давления в рециркуляционном компрессоре вне отводимого потока. Напротив, тогда, в частности, возможно и многократное увеличение давления.
Как будет описано ниже, повторную подачу непрореагировавшего водорода на первую реакторную ступень осуществляют косвенно таким образом, что водовод поступает на первую реакторную ступень как часть ряда других потоков.
В сущности, при описанном выше повышении давления непрореагировавшего водорода может идти речь о повышении давления на любую величину. Является предпочтительным, чтобы давление непрореагировавшего водорода перед, по меньшей мере, частичным превращением в метанол было повышено до более высокого давления, чем давление потока рециркулируемого Н из установки извлечения водорода. Также возможно, чтобы давление непрореагировавшего водорода перед повторной подачей на первую реакторную ступень было повышено до более высокого давления, чем давление отводимого потока при подаче в установку извлечения водорода.
Повышение давления непрореагировавшего водорода, с одной стороны, может происходить перед подачей в установку извлечения водорода. Так, возможно повышение давления отводимого потока в целом. Однако, повышение давления непрореагировавшего водорода также может происходить после подачи в установку извлечения водорода. При этом, например, повышение давления непрореагировавшего водорода потока рециркулируемого Н может осуществляться как повышение давления потока рециркулируемого Н в целом.
Реакторная установка получения синтез-газа, компрессор синтез-газа, реакторная установка синтеза метанола, устройство рекуперации тепла, рециркуляционный компрессор и установка извлечения водорода могут входить в установку синтеза метанола.
Предпочтительно, давление потока синтез-газа при его образовании в реакторной установке получения синтез-газа составляет более 40 бар, предпочтительно, более 50 бар, в частности, более 60 бар, в частности, более 70 бар, еще более предпочтительно, более 90 бар.
В принципе, поток остаточного газа, подаваемый в рециркуляционный компрессор, может иметь любой состав при условии, что поток остаточного газа содержит непрореагировавшие оксиды углерода в любом соотношении и непрореагировавший водород отводимого потока. Однако, является предпочтительным, чтобы поток остаточного газа, подаваемый в рециркуляционный компрессор, характеризовался молярным содержанием водорода менее 90%, в частности, менее 85%, в частности, менее 80%. В качестве альтернативы или дополнительно, возможно, чтобы поток остаточного газа, подаваемый в рециркуляционный компрессор, характеризовался молярным содержанием водорода более 50%, в частности, более 60%, в частности, более 70%. Молярное содержание водорода соответствует общему молярному содержанию водорода в потоке остаточного газа. Следовательно, оно включает не только непрореагировавший водород потока рециркулируемого Н, но и другой водород, присутствующий в потоке остаточного газа.
Реакторная установка синтеза метанола, предпочтительно, включает устройство отделения метанола, предназначенное для получения непрореагировавшего остаточного газа первой реакторной ступени и потока неочищенного метанола первой реакторной ступени. В сущности, принцип функционирования устройства отделения метанола может быть любым. В частности, возможно, чтобы устройство отделения метанола включало устройство конденсации для получения непрореагировавшего остаточного газа первой реакторной ступени и потока неочищенного метанола первой реакторной ступени путем конденсации.
Возможно, чтобы только часть потока остаточного газа повышенного давления была подана в реакторную установку синтеза метанола. В частности, является предпочтительным, чтобы часть потока остаточного газа повышенного давления была ответвлена и подана в реакторную установку получения синтез-газа. В частности, может предусматриваться, чтобы ответвленная часть потока остаточного газа повышенного давления была подана в поток энергоносителя.
Как уже было указано, в принципе возможно, чтобы реакторная установка синтеза метанола включала только одну ступень синтеза метанола. Другой предпочтительный вариант осуществления способа отличается тем, что реакторная установка синтеза метанола включает множество ступеней синтеза метанола, которые соединены последовательно с точки зрения технологической цепочки процесса. При этом, каждая индивидуальная реакторная ступень может включать один или несколько реакторов. Реакторы реакторной ступени, в частности, могут быть расположены параллельно друг другу с точки зрения технологической цепочки процесса. Кроме этого, возможно, чтобы соответствующий поток непрореагировавшего остаточного газа был получен на каждой из множества реакторных ступеней при помощи устройства отделения метанола.
То, что реакторные ступени соединены последовательно с точки зрения технологической цепочки процесса, означает, что остаточный газ с одной реакторной ступени, при условии, что это не последняя реакторная ступень в последовательности реакторных ступеней, подают непосредственно или косвенно на каждую последующую реакторную ступень. В принципе, упомянутый выше рециркуляционный компрессор может быть как угодно расположен относительно множества реакторных ступеней. Одним из вариантов является расположение рециркуляционного компрессора между двумя реакторными ступенями с точки зрения технологической цепочки процесса. Это означает, что, по меньшей мере, часть непрореагировавшего остаточного газа с одной реакторной ступени подают в рециркуляционный компрессор как поток остаточного газа, а затем поток остаточного газа повышенного давления подают на следующую по потоку реакторную ступень.
В принципе, поток рециркулируемого Н может быть направлен любым образом при условии, что, по меньшей мере, часть этого водорода превращают в метанол. В этом отношении, в соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления способа является предпочтительным, чтобы поток рециркулируемого Н был добавлен в непрореагировавший остаточный газ реакторной ступени, находящейся по потоку ниже первой реакторной ступени с точки зрения технологической цепочки процесса. Другими словами, непрореагировавший водород потока рециркулируемого Н после добавления подвергают обработке вместе, по меньшей мере, с частью непрореагировавшего остаточного газа реакторной ступени, отличной от первой ступени реактора. Таким образом, поток рециркулируемого Н «перепрыгивает» через одну или несколько реакторных ступеней после первой реакторной ступени. Преимущество такого подхода заключается в том, что таким образом потеря давления потока рециркулируемого Н при извлечении водорода, в сущности, происходит параллельно потере давления непрореагировавшего остаточного газа последующей реакторной ступени в этой реакторной ступени. Другими словами, величины соответствующего давления непрореагировавшего остаточного газа и потока рециркулируемого Н лежат ближе друг к другу, что, в свою очередь, уменьшает потерю давления, возникающую при совместной подаче, благодаря выравниванию на более низком уровне давления.
Является предпочтительным, чтобы поток рециркулируемого Н был подан в рециркуляционный компрессор для увеличения давления вместе с потоком остаточного газа.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления способа предусматривается, что поток остаточного газа получен на реакторной ступени, находящейся по потоку ниже технологически первой реакторной ступени. Другими словами, поток остаточного газа, подаваемый в рециркуляционный компрессор, поступает не с первой реакторной ступени, то есть, реакторной ступени, на которую непосредственно, по меньшей мере частично, подают поток синтез-газа, а со ступени, находящейся ниже по потоку. Также возможно, чтобы рециркуляционный компрессор подавал поток остаточного газа повышенного давления на первую реакторную ступень. В принципе, поток остаточного газа повышенного давления также может быть подан на другую реакторную ступень из множества реакторных ступеней. Также возможно, чтобы поток остаточного газа повышенного давления был разделен и подан на множество реакторных ступеней из множества реакторных ступеней.
Другой предпочтительный вариант осуществления предлагаемого способа отличается тем, что поток остаточного газа получают с той из множества реакторных ступеней, которая расположена последней с точки зрения технологической цепочки процесса. Этот и предшествующие варианты позволяют также уменьшить потерю давления, возникающую при совместной подаче потоков.
В принципе, отводимый поток может быть получен в любой точке и из любого источника в пределах реакторной установки синтеза метанола. Отводимый поток содержит непрореагировавший водород непрореагировавшего остаточного газа первой реакторной ступени. В первом предпочтительном варианте предусматривается, что отводимый поток, по меньшей мере частично, ответвляют от потока непрореагировавшего остаточного газа первой реакторной ступени. Возможно, чтобы отводимый поток был, по меньшей мере частично, ответвлен по потоку выше рециркуляционного компрессора с точки зрения технологической цепочки процесса.
Однако, также возможно, что отводимый поток уже прошел через рециркуляционный компрессор и имеет повышенное давление. Таким образом, другой предпочтительный вариант осуществления способа отличается тем, что отводимый поток подают в установку извлечения водорода при давлении подачи, которое выше, чем давление остаточного газа, с которым поток остаточного газа поступает из реакторной установки синтеза метанола. Предпочтительная возможность увеличения давления отводимого потока состоит в том, что давление сначала повышают при помощи рециркуляционного компрессора. Соответственно, является предпочтительным, чтобы поток отводимого газа, по меньшей мере частично, был ответвлен от потока остаточного газа по потоку ниже рециркуляционного компрессора с точки зрения технологической цепочки процесса.
Однако, также возможно, чтобы в установку извлечения водорода поступало более одного потока, из которого получают водород. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления способа предусматривается, что, по меньшей мере, часть потока синтез-газа, в частности, с повышенным давлением ответвляют для подачи в реактор конверсии водяного газа. Также возможно, чтобы весь поток синтез-газа, предпочтительно, с повышенным давлением был подан в реактор конверсии водяного газа. Также является предпочтительным, чтобы дополнительный отводимый поток был, по меньшей мере частично, получен из реактора конверсии водяного газа и подан в установку извлечения водорода для получения потока рециркулируемого Н. Другими словами, по меньшей мере, часть водорода потока рециркулируемого Н получают из этого дополнительного отводимого потока. Реактор конверсии водяного газа может входить в установку синтеза метанола.
В частности, по меньшей мере, часть оксида углерода в потоке синтез-газа, в частности, с повышенным давлением может вступать в реакцию с образованием диоксида углерода и водорода в реакторе конверсии водяного газа посредством реакции конверсии водяного газа. Стехиометрическое соотношение может быть скорректировано для синтеза метанола путем повышения содержания водорода.
Также, в принципе, возможно, чтобы поток рециркулируемого Н сначала не был подан на первую реакторную ступень. Согласно другому предпочтительному варианту осуществления способа, напротив, предусматривается, что поток рециркулируемого Н добавляют в поток синтез-газа, в частности, с повышенным давлением. А именно, это означает, что поток рециркулируемого Н подают в поток синтез-газа по потоку ниже реакторной установки синтез-газа с точки зрения технологической цепочки процесса. Предпочтительно, поток рециркулируемого Н подают в поток синтез-газа по потоку ниже компрессора синтез-газа с точки зрения технологической цепочки процесса. Другими словами, поток рециркулируемого Н подают в поток синтез-газа по потоку выше первой ступени реактора с точки зрения технологической цепочки процесса. Благодаря подаче потока синтез-газа на первую ступень реакторной установки синтеза метанола водород потока рециркулируемого Н в итоге возвращается на первую реакторную ступень.
Реакторная установка получения синтез-газа, помимо реактора для получения синтез-газа, может включать другие устройства. Так, реакторная установка получения синтез-газа может включать расположенные по потоку выше реактора с точки зрения технологической цепочки процесса устройство обессеривания потока углеродсодержащего энергоносителя, ступень насыщения для насыщения потока углеродсодержащего энергоносителя водой, печь предварительного реформинга для проведения предварительного реформинга углеродсодержащего энергоносителя и/или устройство нагревания потока углеродсодержащего энергоносителя.
В принципе, получение потока синтез-газа из потока энергоносителя может быть осуществлено любым образом. Является предпочтительным, чтобы для получения потока синтез-газа в реакторную установку получения синтез-газа был подан кислородсодержащий поток. В принципе, кислородсодержащий поток также может включать и другие компоненты помимо кислорода. Кислородсодержащий поток также может представлять собой окружающий воздух.
В принципе, поток синтез-газа может быть получен, например, путем парового реформинга потока углеродсодержащего энергоносителя. Другой предпочтительный вариант осуществления способа отличается тем, что поток синтез-газа получают в реакторной установке получения синтез-газа из потока углеродсодержащего энергоносителя путем автотермического реформинга. При автотермическом реформинге происходит частичное каталитическое окисление, которое является источником тепла для эндотермических реакций реформинга. По сравнению с простым паровым реформингом, автотермическому реформингу свойственно преимущество, заключающееся в том, что может быть получен поток синтез-газа с большим давлением. В качестве альтернативы или дополнительно, возможно, чтобы поток синтез-газа был получен из потока углеродсодержащего энергоносителя путем частичного окисления в реакторной установке получения синтез-газа.
В принципе, автотермический реформинг также можно проводить с окружающим воздухом. Однако, является предпочтительным, чтобы кислородсодержащий поток был получен из устройства разделения воздуха, предназначенного для получения из окружающего воздуха потока кислорода. Устройство разделения воздуха также может предусматривать получение потока азота. В частности, возможно, чтобы кислородсодержащий поток состоял, по существу, из кислорода. Таким образом, снижается доля инертных газов, присутствующих при синтезе метанола, следовательно, различные устройства установки могут иметь меньший размер. Предпочтительно, установка синтеза метанола включает устройство разделения воздуха.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления способа предусматривается, что поток рециркулируемого Н подают в поток энергоносителя. В частности, возможно, чтобы поток рециркулируемого Н был добавлен в поток энергоносителя по потоку выше реакторной установки получения синтез-газа с точки зрения технологической цепочки процесса.
Помимо потока рециркулируемого Н, на установке извлечения водорода могут быть получены также другие потоки. Предпочтительно, на установке извлечения водорода получают продувочный поток. В частности, указанный продувочный поток может быть отведен на сжигание.
В принципе, поток рециркулируемого Н может иметь любой состав при условии, что он содержит непрореагировавший водород из непрореагировавшего остаточного газа первой реакторной ступени. В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления способа предусматривается, что поток рециркулируемого Н характеризуется большим молярным содержанием водорода, чем отводимый поток. Это относится не только к непрореагировавшему водороду из непрореагировавшего остаточного газа первой реакторной ступени, но и к водороду в потоке рециркулируемого Н в целом. Другими словами, поток рециркулируемого Н обогащен водородом по сравнению с отводимым потоком. Также является предпочтительным, чтобы поток рециркулируемого Н характеризовался большим молярным содержанием водорода, чем продувочный поток.
В принципе, функционирование установки извлечения водорода может быть основано на любом принципе, например, на использовании мембраны или холодильной установки. Один из предпочтительных вариантов осуществления способа отличается тем, что установка извлечения водорода включает устройство адсорбции со сдвигом давления (PSA) с целью получения потока рециркулируемого Н из отводимого потока. Таким образом, может быть достигнут высокий уровень извлечения водорода. При этом, и потери давления в устройстве адсорбции со сдвигом давления также являются приемлемыми. В данном случае, по большому счету, высокая степень чистоты водорода не требуется, но может быть достигнута. Следовательно, возможно, чтобы поток рециркулируемого Н состоял, по существу, из водорода.
Предлагаемая установка предназначена для синтеза метанола. Она включает реакторную установку получения синтез-газа для получения потока синтез-газа, содержащего водород и оксиды углерода, из потока углеродсодержащего энергоносителя, компрессор синтез-газа для повышения давления потока синтез-газа, реакторную установку синтеза метанола с первой реакторной ступенью, устройство рекуперации тепла для отведения тепла от потока синтез-газа, установку извлечения водорода и рециркуляционный компрессор.
В предлагаемой установке поток синтез-газа с повышенным давлением, по меньшей мере частично, подают на первую реакторную ступень с целью частичного превращения в метанол.
Кроме этого, в предлагаемой установке, на реакторной установке синтеза метанола получают поток остаточного газа, содержащий непрореагировавшие оксиды углерода, при этом, указанный поток остаточного газа подают в рециркуляционный компрессор с целью повышения давления потока остаточного газа, при этом, поток остаточного газа повышенного давления подают в реакторную установку синтеза метанола с целью частичного превращения в метанол, поток синтез-газа подают в устройство рекуперации тепла, а затем в компрессор синтез-газа, при этом, в установку извлечения водорода подают отводимый поток из непрореагировавшего остаточного газа первой реакторной ступени с целью получения потока рециркулируемого Н, содержащего непрореагировавший водород непрореагировавшего остаточного газа, при этом, указанный непрореагировавший водород потока рециркулируемого Н снова подают на первую реакторную ступень с целью, по меньшей мере частичного, преобразования в метанол.
Предлагаемая установка отличается тем, что давление непрореагировавшего водорода потока рециркулируемого Н, по меньшей мере частично, между первой реакторной ступенью и повторной подачей на первую реакторную ступень повышают при помощи рециркуляционного компрессора вместе с непрореагировавшими оксидами углерода.
Отличительные признаки, преимущества и свойства предлагаемой установки соответствуют отличительным признакам, преимуществам и свойствам предлагаемого способа, и наоборот.
Дополнительные детали, отличительные признаки, цели и преимущества настоящего изобретения пояснены ниже со ссылкой на чертежи, где представлены только варианты осуществления изобретения. На чертежах показано:
Фиг. 1: технологическая схема установки для осуществления предлагаемого способа в соответствии с первым вариантом осуществления,
Фиг. 2: технологическая схема установки для осуществления предлагаемого способа в соответствии со вторым вариантом осуществления,
Фиг. 3: технологическая схема установки для осуществления предлагаемого способа в соответствии с третьим вариантом осуществления,
Фиг. 4: технологическая схема установки для осуществления предлагаемого способа в соответствии с четвертым вариантом осуществления и
Фиг. 5: технологическая схема установки для осуществления предлагаемого способа в соответствии с пятым вариантом осуществления.
Фиг. 6: технологическая схема установки для осуществления предлагаемого способа в соответствии с шестым вариантом осуществления.
Фиг. 7: технологическая схема установки для осуществления предлагаемого способа в соответствии с седьмым вариантом осуществления.
Фиг. 8: технологическая схема установки для осуществления предлагаемого способа в соответствии с восьмым вариантом осуществления.
Установка, представленная на фиг. 1 и соответствующая первому варианту осуществления предлагаемой установки, предназначена для синтеза метанола 1 и может быть приведена в действие в соответствии с предлагаемым способом.
Поток 2 синтез-газа, состоящий, по существу, из водорода, монооксида углерода и диоксида углерода, получают из потока 11 энергоносителя, образуемого природным газом и, следовательно, содержащего углерод, при этом, указанный поток энергоносителя подают в реакторную установку 13 получения синтез-газа. В реакторной установке 13 получения синтез-газа проводят автотермический реформинг с целью получения потока 2 синтез-газа. Для проведения автотермического реформинга подают кислородсодержащий поток 22, полученный, в данном случае, в устройстве 23 разделения воздуха и состоящий, по существу, из кислорода. Устройство 23 разделения воздуха предназначено для получения потока кислорода, в данном случае, кислородсодержащего потока 22, из окружающего воздуха. Получаемый поток 2 синтез-газа при образовании имеет давление, со существу, 60 бар. Сначала поток 2 синтез-газа подают в устройство 10 рекуперации тепла, в котором охлаждают поток 2 синтез-газа и, таким образом, отводят часть тепла автотермического реформинга. Поток 2 синтез-газа затем подают в компрессор 3 синтез-газа для дополнительного повышения давления.
После этого поток 2 синтез-газа подают на первую ступень 21а реакторной установки 4 синтеза метанола, в которой имеется первая ступень 21а синтеза метанола, и, по меньшей мере, часть потока 2 синтез-газа преобразуется в метанол 1. Синтез метанола проводят при давлении синтеза более 60 бар, в частности, при давлении синтеза, по существу, 80 бар.
Установка синтеза метанола включает установку 5 извлечения водорода, выполненную как устройство 24 адсорбции со сдвигом давления, которое также может быть названо PSA, где из отводимого потока 6 получают поток 7 рециркулируемого Н, при этом, поток 7 рециркулируемого Н состоит, по существу, из водорода. Из установки 5 извлечения водорода также отводят остаточный газ в форме продувочного потока 8, который затем сжигают в огневом нагревательном устройстве данной установки (на чертеже не показано). Поток 7 рециркулируемого Н подают в поток 2 синтез-газа.
Как показано на фиг. 1, установка первого варианта осуществления изобретения также включает рециркуляционный компрессор 14, который сжимает поток 15 остаточного газа. Поток 15 остаточного газа содержит непрореагировавший остаточный газ 16b, который, в свою очередь, содержит, по существу, те компоненты синтез-газа, которые не были преобразованы в метанол 1 в реакторной установке 4 синтеза метанола. Соответственно, поток 15 остаточного газа содержит, в частности, непрореагировавшие оксиды углерода. Поток 15 остаточного газа, давление которого увеличено, снова подают в реакторную установку 4 синтеза метанола в первую часть.
Непрореагировавший остаточный газ 16а, b получают из устройства 17 отделения метанола реакторной установки 4 синтеза метанола, которое, в данном случае, включает два устройства 18а, b конденсации. В каждом из них путем конденсации получают непрореагировавший остаточный газ 16а, b, с одной стороны, и соответствующий поток 19а, b неочищенного метанола, с другой стороны. Потоки 19а, b неочищенного метанола затем подают на дистилляцию 20, таким образом, из потоков 19а, b неочищенного метанола может быть получен метанол 1.
В установке показанного на фиг. 1 варианта осуществления реакторная установка 4 синтеза метанола включает две реакторных ступени 21а, b, соединенных последовательно с точки зрения технологической цепочки процесса синтеза метанола. В данном варианте осуществления первая реакторная ступень 21а включает два изотермических реактора, расположенных параллельно друг другу, а вторая реакторная ступень 21b включает один изотермический реактор. Поток продукта с соответствующей реакторной ступени 21а, b подают в каждое из двух устройств 18а, b конденсации. При этом, та реакторная ступень 21а, на которую поток 2 синтез-газа подают непосредственно, называется первой реакторной ступенью 21а. Реакторная ступень 21b находится по потоку ниже первой реакторной ступени 21а с точки зрения технологической цепочки процесса, и непрореагировавший остаточный газ 16а с первой реакторной ступени 21а подают на нее с целью превращения в метанол 1.
В показанном на фиг. 1 варианте осуществления изобретения отводимый поток 6 ответвляют от потока 15 остаточного газа, давление которого было увеличено в рециркуляционном компрессоре. Поток 15 остаточного газа, подаваемый в рециркуляционный компрессор 14, получен не из непрореагировавшего остаточного газа 16а первой реакторной ступени 21а, а из непрореагировавшего остаточного газа 16b реакторной ступени, находящейся ниже по потоку, чем первая реакторная ступень 21а с точки зрения технологической цепочки процесса, то есть, второй реакторной ступени 21b.
Тем не менее, поток 15 остаточного газа, помимо уже упомянутых непрореагировавших оксидов углерода, также содержит непрореагировавший водород первой реакторной ступени 21а. Любой непрореагировавший водород из остаточного газа 16а первой реакторной ступени 21а подают на вторую реакторную ступень 21b. Поскольку на второй реакторной ступени 21b водород также не полностью вступает в реакцию, непрореагировавший остаточный газ 16b со второй реакторной ступени 21b также содержит непрореагировавший водород первой реакторной ступени 21а.
Поскольку отводимый поток 6 был ответвлен от потока 15 остаточного газа повышенного давления, поток 7 рециркулируемого Н также содержит непрореагировавший водород из непрореагировавшего остаточного газа 16а первой реакторной ступени 21а. В частности, вторую часть потока 15 остаточного газа повышенного давления ответвляют как отводимый поток 6. Поскольку поток 7 рециркулируемого Н добавляют в поток 2 синтез-газа повышенного давления, непрореагировавший водород из остаточного газа 16а первой реакторной ступени 21а в отводимом потоке 6 - и, следовательно, из потока 7 рециркулируемого Н - снова поступает на первую реакторную ступень 21 для преобразования в метанол. Однако, между выходом с первой реакторной ступени 21а и возвращением на первую реакторную ступень 21а непрореагировавший водород потока 7 рециркулируемого Н как компонент потока 15 остаточного газа подвергается повышению давления в рециркуляционном компрессоре 14, и именно один раз вместе с непрореагировавшими оксидами углерода в потоке 15 остаточного газа. Поскольку поток 7 рециркулируемого Н подают в поток 2 синтез-газа по потоку после компрессора синтез-газа, повышения давления водорода в потоке 7 рециркулируемого Н при этом не происходит. Поток 15 остаточного газа, сжатый в рециркуляционном компрессоре 14, затем, в свою очередь, подают непосредственно на первую реакторную ступень 21а в уже упоминавшуюся первую часть.
Второй вариант осуществления предлагаемой установки, показанный на фиг. 2, отличается от варианта осуществления, показанного на фиг. 1, тем, что рециркуляционный компрессор 14 расположен с точки зрения технологической цепочки процесса между первой реакторной ступенью 21а и реакторной ступенью 21b, находящейся ниже по потоку. Следовательно, поток 15 остаточного газа, подаваемый в рециркуляционный компрессор 14, получен из непрореагировавшего остаточного газа 16а первой ступени 21а реактора. Поток 15 остаточного газа, содержащий непрореагировавшие оксиды углерода, сжатый в рециркуляционном компрессоре 14, подают на реакторную ступень 21b, расположенную по потоку ниже первой реакторной ступени 21а. Непрореагировавший остаточный газ 16b с этой реакторной ступени 21b возвращают на первую реакторную ступень 21а без дополнительного сжатия. В отличие от первого варианта осуществления, отводимый поток 6 получают из непрореагировавшего остаточного газа 16а первой реакторной ступени 21а, при этом, отводимый поток 6 ответвляют по потоку ниже рециркуляционного компрессора 14 с точки зрения технологической цепочки процесса в соответствии с первым вариантом осуществления. Следовательно, и во втором варианте осуществления изобретения увеличение при помощи рециркуляционного компрессора 14 давления непрореагировавшего водорода из остаточного газа 16а первой реакторной ступени 21а в потоке 7 рециркулируемого Н вместе с непрореагировавшими оксидами углерода также происходит только один раз, перед возвращением непрореагировавшего водорода на первую реакторную ступень 21а.
В третьем варианте осуществления, показанном на фиг. 3, отводимый поток 6 получают из остаточного газа 16а первой ступени 21а реактора так же, как и во втором варианте осуществления. Однако, в отличие от второго варианта осуществления, между первой реакторной ступенью 21а и второй реакторной ступенью 21b нет рециркуляционного компрессора 14. Напротив, как и в первом варианте осуществления, рециркуляционный компрессор 14 расположен по потоку ниже второй реакторной ступени 21b с точки зрения технологической цепочки процесса.
В отличие от первого и второго вариантов осуществления, в третьем варианте осуществления поток 7 рециркулируемого Н подают в остаточный газ 16b второй реакторной ступени 21b, расположенной по потоку ниже первой реакторной ступени 21а. В частности, подачу осуществляют до увеличения давления в рециркуляционном компрессоре 14. Водород в потоке 7 рециркулируемого Н, соответствующий непрореагировавшему водороду остаточного газа 16а первой реакторной ступени 21а в отводимом потоке 6, претерпевает увеличение давления в рециркуляционном компрессоре 14 вместе с другим непрореагировавшим остаточным газом 16b второй реакторной ступени 21b, в частности, с непрореагировавшими оксидами углерода. Увеличение давления происходит перед возвращением непрореагировавшего водорода на первую реакторную ступень 21а, что компенсирует отсутствие увеличения давления из-за отсутствия компрессора синтез-газа.
Кроме этого, в третьем варианте осуществления предусматривается, что часть потока 15 остаточного газа повышенного давления ответвляют и подают в поток 11 энергоносителя. Ответвленная часть потока 15 остаточного газа повышенного давления претерпевает дополнительное повышение давления в компрессоре 2 синтез-газа. В отношении неответвленной части потока 15 остаточного газа повышение давления происходит именно один раз в рециркуляционном компрессоре 14. Однако, также можно обойтись без ответвления части потока 15 остаточного газа повышенного давления.
Установка четвертого варианта осуществления, показанного на фиг. 4, соответствует третьему варианту осуществления, показанному на фиг. 3. Однако, в ней имеется реактор 9 конверсии водяного газа, в который подают часть потока 2 синтез-газа повышенного давления. Реакция конверсии водяного газа, которую проводят в реакторе 9 конверсии водяного газа, приводит к увеличению содержания водорода в ответвляемой части потока 2 синтез-газа. Часть потока 2 синтез-газа из реактора 9 конверсии водяного газа, которую отвели для проведения реакции конверсии водяного газа, образует в данном случае дополнительный отводимый поток, который подают в установку 5 извлечения водорода вместе с отводимым потоком 6. Так же, как и в варианте осуществления, показанном на фиг. 3, поток 7 рециркулируемого Н добавляют к остаточному газу 16b второй реакторной ступени 21b, расположенной по потоку ниже первой реакторной ступени 21а, так что и в этом варианте осуществления происходит увеличение давления в рециркуляционном компрессоре 14 вместе с непрореагировавшими оксидами углерода.
В пятом варианте осуществления, представленном на фиг. 5, предусматривается размещение рециркуляционного компрессора 14 между ступенями 21а, b реакторной установки 4 синтеза метанола, как и во втором варианте осуществления, на котором основан пятый вариант. В отличие от второго варианта осуществления, отводимый поток 6 получают из остаточного газа 16b второй реакторной ступени 21b. Водород в этом отводимом потоке 6 и, следовательно, в потоке 7 рециркулированного Н подвергают увеличению давления в рециркуляционном компрессоре 14, а именно, до его подачи на вторую реакторную ступень 21b.
Шестой вариант осуществления, показанный на фиг. 6, в сущности, основан на первом варианте осуществления, показанном на фиг. 1. В отличие от него и, в этом отношении, в соответствии c пятым вариантом осуществления, показанным на фиг. 5, отводимый поток 6 получают из непрореагировавшего остаточного газа 16b второй реакторной ступени 21b. Также в отличие от первого варианта осуществления, показанного на фиг. 1, и, в этом отношении, в соответствии c третьим и четвертым вариантами, показанными на фиг. 3 и 4, поток 7 рециркулируемого Н снова подают в остаточный газ 16b второй реакторной ступени 21b, находящейся ниже первой реакторной ступени 21а. Эту подачу осуществляют ниже ответвления отводимого потока 6 с точки зрения технологической цепочки процесса.
Седьмой вариант осуществления, показанный на фиг. 7, основан, прежде всего, на третьем варианте осуществления, показанном на фиг. 3, однако, без ответвления части потока 15 остаточного газа повышенного давления в поток 11 энергоносителя. В седьмом варианте осуществления показано три, в каждом случае, альтернативных варианта подключения для третьего варианта осуществления. В этом отношении, седьмой вариант осуществления включает три подварианта осуществления.
В первом варианте предусматривается наличие первого обводного потока 25а, который ответвляется от потока 2 синтез-газа повышенного давления и поступает в непрореагировавший остаточный газ 16а первой реакторной ступени 21а. Подачу в непрореагировавший остаточный газ 16а первой реакторной ступени 21а осуществляют после ответвления отводимого потока 6 с точки зрения технологической цепочки процесса. Таким образом, и часть потока 2 синтез-газа ответвляют для образования дополнительного потока 26 синтез-газа, который соответствует первому обводному потоку 25а и который проходит в обход первой реакторной ступени 21а. Согласно схеме, представленной на фиг. 7, ответвление происходит с точки зрения технологической цепочки процесса до подачи потока 15 остаточного газа повышенного давления. Однако, также возможно, чтобы это ответвление имело место после подачи потока 15 остаточного газа повышенного давления с точки зрения технологической цепочки процесса.
Во втором, альтернативном первому, варианте предусматривается наличие второго обводного потока 25b, который ответвляют от потока 15 остаточного газа повышенного давления и подают в непрореагировавший остаточный газ 16а первой реакторной ступени 21а, опять же после ответвления отводимого потока 6 с точки зрения технологической цепочки процесса. Таким образом, поток 15 остаточного газа повышенного давления также частично направляется в обход первой реакторной ступени 21а.
В третьем, альтернативном первым двум, варианте предусматривается наличие третьего обводного потока 25с, который ответвляют от непрореагировавшего остаточного газа 16а первой реакторной ступени 21а после ответвления отводимого потока 6 с точки зрения технологической цепочки процесса и подают в поток 15 остаточного газа перед повышением давления. Таким образом, часть непрореагировавшего остаточного газа 16а первой реакторной ступени 21а сначала направляется в обход второй реакторной ступени 21b.
Восьмой вариант осуществления, показанный на фиг. 8, основан на пятом варианте осуществления, показанном на фиг. 5, и также включает три, в каждом случае, альтернативных варианта подключения, в данном случае, для пятого варианта осуществления. Эти три варианта подключения соответствуют вариантам подключения седьмого варианта осуществления, показанного на фиг. 7, с обводными потоками 25а, 25b и 25с.