СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАНОЛА
METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING METHANOL

Область техники, к которой относится изобретение
2
2
2
2
4
2
2
4
2
2
4
Настоящее изобретение относится к способу получения метанола из содержащего диоксид углерода (СО), моноксид углерода (СО) и водород (Н) синтез-газа, получаемого конверсией природного газа. Настоящее изобретение относится, в частности, к способу синтеза метанола, при осуществлении которого природный газ и водяной пар подают в секцию первичной конверсии, в секции первичной конверсии в результате взаимодействия природного газа и водяного пара получают газообразную смесь, содержащую СО, СО, Н в стехиометрическом избытке и СН, содержащую СО, СО, Н в стехиометрическом избытке и СН газообразную смесь подают в секцию синтеза метанола, в которой в результате протекающей в ней реакции получают метанол, и из секции синтеза метанола путем продувки отбирают содержащий СО, СО, H и СН газовый поток.
Настоящее изобретение относится также к установке для получения метанола описанным выше способом, а также к способу модернизации существующей установки для получения метанола.
Известно, что в настоящее время постоянно возрастает потребность в более легком в осуществлении способе получения метанола, обладающем высокой производительностью при низких эксплуатационных расходах, низких капиталовложениях и низком потреблении энергии.
Уровень техники
2
2
Хорошо известно, что в настоящее время метанол получают в секции его синтеза из содержащей СО, СО, Н газовой смеси (или синтез-газа), в свою очередь полученной, как указано выше, конверсией природного газа.
Природный газ можно подвергать конверсии различными путями, однако обычно упомянутую выше газовую смесь получают сравнительно простым и дешевым методом путем обработки природного газа водяным паром без использования чистого кислорода. Такие методы конверсии природного газа обычно называют первичной конверсией.
2
Несмотря на определенные преимущества, такие методы получения метанола обладают и определенными, серьезными недостатками, связанными с высоким содержанием водорода в полученной первичной конверсией природного газа газовой смеси, содержание Н в которой превышает стехиометрическое количество, необходимое для конверсии в метанол.
2
2
Избыточное содержание Н в полученной в результате первичной конверсии газовой смеси отрицательно влияет на работу секции синтеза метанола, поскольку оно требует увеличения размеров аппаратов и оборудования и соответственно увеличивает производственные затраты. Кроме того, упомянутый выше избыток Н в качестве инертного газа снижает интенсивность конверсии в метанол проходящей через реактор газовой смеси и, как следствие этого, снижает его производительность и увеличивает расходы на его обслуживание, а при сохранении производительности реактора требует увеличения его размеров. Последним, но не менее важным недостатком известных методов получения метанола является высокое потребление энергии.
2
Необходимо также отметить, что при получении метанола описанными выше методами отбираемый путем продувки из секции синтеза газовый поток со сверхстехиометрическим содержанием Н используют в качестве топлива в секции первичной конверсии, предварительно удаляя из него путем промывки содержащийся в нем метанол.
2
2
4
Такой метод, с одной стороны, позволяет по меньшей мере частично использовать энергию отбираемых из секции синтеза газов, однако, с другой стороны, приводит к необратимым потерям содержащегося в исходной газовой смеси конвертируемого в метанол углерода, который вместе с Н, СО, СО и некоторым количеством СН выдувают из секции синтеза.
Очевидно, что производительность установки при получении метанола таким способом заметно снижается.
С учетом всех перечисленных выше недостатков получение метанола известными в настоящее время методами требует существенных капиталовложений и высокого потребления энергии и в конечном итоге отрицательно сказывается на стоимости полученного метанола.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать простой в осуществлении способ получения метанола, обладающий высокой производительностью при низких эксплуатационных расходах и капиталовложениях и небольшом потреблении энергии.
Краткое изложение сущности изобретения
2
2
2
4
2
2
4
2
Указанная выше задача решается с помощью предлагаемого в изобретении способа получения метанола указанного в начале описания типа, отличающегося тем, что из отбираемого продувкой из секции синтеза метанола газового потока выделяют Н с получением первой газообразной фазы, по существу состоящей из Н, и второй газообразной фазы, содержащей СО, СО и СН и по существу не содержащей Н, и рекуперируют вторую газообразную фазу, содержащую СО, СО и СН и по существу не содержащую Н, для ее использования в процессе конверсии в секции первичной конверсии.
2
При создании изобретения неожиданно было установлено, что выделение водорода из газового потока, отбираемого продувкой из секции синтеза, и получение газообразной фазы, обогащенной газообразными компонентами, содержащими углерод, в частности СО и СО, и ее рекуперация для повторного использования в секции первичной конверсии, позволяет простым, недорогим в реализации и не требующим высоких капиталовложений путем при потреблении малого количества энергии существенно по сравнению с описанными выше известными методами увеличить количество получаемого метанола.
2
4
Необходимо отметить, что при получении метанола предлагаемым в изобретении способом углеродсодержащие газообразные компоненты отбираемого продувкой из секции синтеза газового потока, в частности СО, СО и СН, являются по существу не конвертированными в секции первичной конверсии компонентами исходного природного газа, однако в отличие от известных методов получения метанола они не используются в качестве топлива, а рекуперируются для конверсии в метанол.
Преимущество, связанное с возвратом углеродсодержащих компонентов отбираемого продувкой из секции синтеза газового потока в секцию первичной конверсии, состоит в увеличении содержания углерода в потоке подаваемого в нее природного газа.
4
2
2
В секции первичной конверсии содержащийся в отбираемом продувкой из секции синтеза газовом потоке СН снова превращается в СО и CO, из которых затем в результате конверсии синтезируют метанол. Содержащиеся в отбираемом продувкой из секции синтеза газовом потоке СО и СО также вступают в протекающие в секции первичной конверсии реакции конверсии и сдвига и увеличивают их выход.
2
2
2
Таким образом, при получении метанола предлагаемым в изобретении способом в полученной в результате первичной конверсии смеси синтез-газа содержится больше СО и СО, чем при получении метанола известными способами, которые можно использовать для конверсии в метанол. Более высокое содержание СО и СО в подаваемом в секцию синтеза газе позволяет уменьшить стехиометрический избыток Н и соответственно увеличить производительность секции синтеза метанола.
При такой же увеличенной производительности предлагаемый в изобретении способ позволяет уменьшить размеры реактора, оборудования и других аппаратов в секции синтеза метанола и, как следствие этого, снизить капиталовложения, уменьшить эксплуатационные расходы и сократить потребление энергии.
2
Необходимо также отметить, что предлагаемый в изобретении способ не исключает возможности рекуперации энергии избыточного водорода, отбираемого продувкой из секции синтеза, поскольку отделенную от отбираемого продувкой из секции синтеза газового потока газообразную фазу с высоким содержанием Н вполне можно возвращать в секцию первичной конверсии и использовать в ней в качестве топлива точно так же, как и при осуществлении описанных выше известных способов.
2
При получении метанола предлагаемым в изобретении способом выделение Н из отбираемого продувкой из секции синтеза газового потока осуществляется путем его пропускания через полупроницаемый для газа материал.
В качестве такого полупроницаемого материала предпочтительно использовать мембраны или молекулярные сита.
К "мембранам" относятся обычные материалы, которые преимущественно проницаемы для водорода.
2
4
К "молекулярным ситам" относятся все обычные микропористые материалы, которые могут преимущественно абсорбировать из газовой смеси содержащиеся в ней СО, СО и СН.
2
4
2
2
4
2
В предпочтительном варианте осуществления изобретения для рекуперации второй газообразной фазы, содержащей СО, СО и СН и по существу не содержащей Н, в целях ее использования для конверсии в секции первичной конверсии вторую газообразную фазу, содержащую СО, СО и СН и по существу не содержащую Н, смешивают с природным газом и полученную смесь подают в секцию первичной конверсии.
Согласно настоящему изобретению до подачи природного газа в секцию первичной конверсии из него предварительно удаляют азот.
Необходимость в такой предварительной обработке газа, подаваемого в секцию первичной конверсии, связана с высоким содержанием азота в природном газе. При такой предварительной обработке азот не попадает в секцию первичной конверсии, не разбавляет газообразные реагенты и не снижает степень их конверсии в метанол.
Для удаления азота из природного газа его пропускают через полупроницаемый для газа материал или через криогенный сепаратор.
В качестве полупроницаемого материала предпочтительно использовать мембраны или молекулярные сита.
2
2
4
2
2
4
2
2
4
2
2
2
4
2
2
2
4
2
2
4
2
В настоящем изобретении предлагается также установка для получения метанола, содержащая секцию первичной конверсии для получения газовой смеси, содержащей СО, СО, Н в стехиометрическом избытке и СН, соединительные средства для подачи природного газа и водяного пара в секцию первичной конверсии, секцию синтеза метанола, соединительные средства для подачи содержащей СО, СО, Н в стехиометрическом избытке и СН газовой смеси в секцию синтеза метанола и систему для удаления путем продувки из секции синтеза метанола содержащего СО, СО, Н и СН газового потока и отличающаяся наличием сепаратора для выделения Н из отбираемого путем продувки из секции синтеза метанола газового потока, соединительных средств для подачи отбираемого путем продувки из секции синтеза метанола содержащего СО, СО, Н и СН газового потока в сепаратор для выделения Н с получением первой газообразной фазы, по существу состоящей из Н, и второй газообразной фазы, содержащей СО, СО и СН и по существу не содержащей Н, и устройства для рекуперации второй газообразной фазы, содержащей СО, СО и СН и по существу не содержащей Н, для ее использования в процессе конверсии в секции первичной конверсии, причем установка, кроме того, включает сепаратор для выделения азота из природного газа до его подачи в секцию первичной конверсии.
2
2
4
2
2
4
2
2
4
2
2
2
2
4
2
2
4
2
2
4
2
В настоящем изобретении предлагается также способ модернизации существующей установки для получения метанола, содержащей секцию первичной конверсии для получения газовой смеси, содержащей СО, СО, Н в стехиометрическом избытке и СН, соединительные средства для подачи природного газа и водяного пара в секцию первичной конверсии, секцию синтеза метанола, соединительные средства для подачи содержащей СО, СО, Н в стехиометрическом избытке и СН газовой смеси в секцию синтеза метанола и систему для удаления путем продувки из секции синтеза метанола содержащего СО, СО, Н и СН газового потока, заключающийся в том, что на установке предусматривают сепаратор для выделения Н из отбираемого путем продувки из секции синтеза метанола газового потока, секцию синтеза метанола соединяют соединительными средствами с сепаратором для выделения H из отбираемого путем продувки из секции синтеза метанола содержащего СО, СО, Н и СН газового потока и получения в результате первой газообразной фазы, по существу состоящей из Н, и второй газообразной фазы, содержащей СО, СО и СН и по существу не содержащей Н, и предусматривают устройство для рекуперации второй газообразной фазы, содержащей СО, СО и CH и по существу не содержащей Н, для ее использования в процессе конверсии в секции первичной конверсии.
Другие отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере одного из вариантов его осуществления, который лишь иллюстрирует изобретение и не ограничивает его объем, со ссылкой на прилагаемый к описанию чертеж.
Краткое описание чертежа
На прилагаемом к описанию чертеже показана блок-схема, иллюстрирующая предлагаемый в изобретении способ получения метанола.
Подробное описание изобретения
2
2
На показанной на прилагаемом к описанию чертеже блок-схеме представлены отдельные стадии предлагаемого в изобретении способа получения метанола из содержащей Н, СО и/или СО газовой смеси (синтез-газа), полученной в свою очередь из природного газа в результате его первичной конверсии. В подробно описанном ниже процессе исходным материалом, являющимся источником природного газа, является собственно природный газ.
Обозначенный на прилагаемом к описанию чертеже позицией 1 сепаратор предназначен для выделения азота из природного газа, позицией 2 обозначена секция первичной конверсии природного газа, позицией 3 обозначена секция синтеза метанола, а позицией 4 обозначен сепаратор, предназначенный для выделения водорода из газового потока, отбираемого продувкой из секции синтеза метанола.
Позицией 5 на чертеже обозначен трубопровод, по которому содержащий определенное количество азота природный газ подают в сепаратор 1. Сепаратор 1 содержит по меньшей мере одну мембрану или молекулярное сито либо хорошо известное соответствующее устройство для криогенной сепарации, предназначенное для выделения азота из природного газа. На выходе из сепаратора 1 получают два газовых потока, один из которых (отбираемый из сепаратора по трубопроводу 6) по существу состоит из азота, а второй (отбираемый из сепаратора по трубопроводу 7) представляет собой "очищенный" природный газ или, иными словами, природный газ, по существу не содержащий азота.
2
4
2
2
2
4
В предпочтительном варианте очищенный природный газ, отбираемый из сепаратора 1 по трубопроводу 7, смешивают с отбираемым из сепаратора 4 (по трубопроводу 11) потоком газа, содержащим СО, СО и СН и по существу не содержащим Н, о чем более подробно сказано ниже. Полученную газовую смесь по трубопроводу 12 подают в секцию 2 первичной конверсии. В секции 2 первичной конверсии подаваемую в нее по трубопроводу 12 газовую смесь обычным способом подвергают конверсии с водяным паром, подаваемым в секцию 2 первичной конверсии по трубопроводу 13. Таким путем получают газовую смесь или синтез-газ, содержащий СО, СО, Н (в стехиометрическом избытке) и СН.
Позицией 8 на чертеже обозначен трубопровод, по которому полученный в секции 2 первичной конверсии синтез-газ подают в секцию 3 синтеза метанола. В секции 3 синтеза метанола расположен реактор, в котором в результате соответствующей реакции обычным путем из синтез-газа получают метанол.
2
2
2
4
Выше уже отмечалось, что в полученном в секции первичной конверсии синтез-газе содержание Н намного превышает стехиометрическое и что в газе, отбираемом продувкой из секции 3 синтеза метанола, помимо Н содержатся также СО, СО и СН. Такой газ отбирают из секции синтеза метанола по трубопроводу, обозначенному на чертеже позицией 9.
2
При получении метанола предлагаемым в изобретении способом отбираемый из секции синтеза метанола газ по трубопроводу 9 подают в сепаратор 4 водорода, в котором из всего газового потока выделяют содержащийся в нем Н. Для сепарации водорода можно использовать обычный, хорошо известный полупроницаемый для газа материал, в частности мембрану или молекулярное сито.
2
2
4
2
Отбираемый из сепаратора 4 водорода по трубопроводу 10 газ по существу состоит из Н, а отбираемый по трубопроводу 11 газ по существу состоит из СО, СО и СН и практически вообще не содержит Н.
2
Отбираемый из сепаратора водорода по трубопроводу 10 Н можно выпускать в атмосферу или использовать в качестве источника энергии, например топлива, в секции 2 первичной конверсии.
2
4
При получении метанола предлагаемым в изобретении способом отбираемый из сепаратора по трубопроводу 11 газ возвращают обратно в секцию 2 первичной конверсии, рекуперируя тем самым СО, СО и СН, содержащиеся в газе, отбираемом продувкой по трубопроводу 9 из секции 3 синтеза метанола.
В показанном на чертеже варианте отбираемый из сепаратора 4 водорода по трубопроводу 11 газ смешивают с протекающим по трубопроводу 7 природным газом и полученную смесь подают в секцию 2 первичной конверсии.
Предлагаемый в изобретении способ обладает следующими основными преимуществами:
2
2
2
- возможность рекуперации СО и СО, содержащихся в отбираемом продувкой по трубопроводу 9 из секции синтеза метанола газе, и их конверсии в метанол в секции синтеза 3 метанола после их отбора из сепаратора водорода по трубопроводу 11. Подобная возможность позволяет увеличить содержание СО и СО в реакторе синтеза с сопутствующими снижением стехиометрического избытка H и увеличением количества получаемого метанола,
4
2
- возможность рекуперации CH, который содержится в газе, отбираемом продувкой из секции синтеза метанола по трубопроводу 9, и его конверсии в СО и СО в секции 2 первичной конверсии,
2
- возможность снижения потребления энергии за счет использования отбираемого из сепаратора водорода по трубопроводу 10 газа, по существу состоящего из H, в качестве топлива в секции 2 первичной конверсии.
Получать метанол предлагаемым в изобретении способом можно и на новых предлагаемых в изобретении установках и на уже существующих установках после их соответствующей модернизации.
2
2
4
2
2
4
2
2
4
2
2
2
4
2
2
2
4
2
2
4
2
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированным, в частности, на прилагаемом к описанию чертеже, установка для получения метанола содержит секцию 2 первичной конверсии для получения газовой смеси, содержащей СО, СО, Н в стехиометрическом избытке и СН, соединительные средства, например, обычные трубопроводы (позиции 7, 13), для подачи природного газа и водяного пара в секцию 2 первичной конверсии, секцию 3 синтеза метанола, соединительные средства, например обычный трубопровод (позиция 8), для подачи газовой смеси, содержащей СО, СО, Н в стехиометрическом избытке и СН, в секцию 3 синтеза метанола, систему (например, обычный, не показанный на схеме регулирующий клапан) для удаления путем продувки из секции синтеза метанола содержащего СО, СО, Н и СH газового потока, сепаратор 4 для выделения Н из отбираемого путем продувки из секции синтеза метанола газового потока, соединительные средства, например обычный трубопровод (позиция 9), для подачи отбираемого путем продувки из секции синтеза метанола содержащего СО, СО, Н и СН газового потока в сепаратор 4 для выделения Н и получения первой газообразной фазы, по существу состоящей из Н, и второй газообразной фазы, содержащей СО, СО и СН и по существу не содержащей Н, устройство для рекуперации (позиции 11, 12) второй газообразной фазы, содержащей СО, СО и СН и по существу не содержащей Н, и ее возврата в секцию 2 первичной конверсии.
2
4
2
2
4
2
Устройство (11, 12) для рекуперации второй газообразной фазы, содержащей СО, СО и СН и по существу не содержащей Н, и ее возврата обратно в секцию 2 первичной конверсии, предпочтительно состоит из соединительных средств, например обычного трубопровода (позиция 11), для смешения второй газообразной фазы, содержащей СО, СО и СН и по существу не содержащей Н, с природным газом (подаваемым по трубопроводу 7) и соединительных средств, например обычного трубопровода (позиция 12), для подачи полученной смеси газов в секцию 2 первичной конверсии.
2
Предлагаемая в изобретении установка для получения метанола способом, проиллюстрированным на прилагаемом к описанию чертеже, имеет сепаратор 1, предназначенный для выделения азота (N) из природного газа до его подачи в секцию 2 первичной конверсии.
2
2
2
4
2
2
4
2
2
4
2
Вышеописанную установку для получения метанола можно создать на базе существующей установки для получения метанола с секцией 2 первичной конверсии и секцией 3 синтеза метанола путем соответствующей модернизации, в процессе которой на установке предусматривают сепаратор 4 для выделения Н из отбираемого продувкой из секции синтеза 3 метанола газового потока, содержащего СО, СО, Н и СH, секцию синтеза метанола соединительными средствами, например обычным трубопроводом (позиция 9), соединяют с сепаратором 4 для выделения Н из отбираемого продувкой из секции синтеза метанола газового потока с получением первой газообразной фазы, по существу состоящей из водорода, и второй газообразной фазы, содержащей СО, СО и CH и по существу не содержащей Н, и предусматривают устройство для рекуперации (трубопроводы 11, 12) второй газообразной фазы, содержащей СО, СО и СН и по существу не содержащей Н, и ее возврата обратно в секцию 2 первичной конверсии.
2
4
2
2
4
2
В предпочтительном варианте стадия, на которой предусматривают устройство для рекуперации (позиции 11, 12) второй газообразной фазы, содержащей СО, СО и СН и по существу не содержащей Н, и ее возврата обратно в секцию (2) первичной конверсии, заключается в том, что предусматривают соединительные средства, например обычный трубопровод (позиция 11), для смешения второй газообразной фазы, содержащей СО, СО и СН и по существу не содержащей Н, с природным газом (подаваемым по трубопроводу 7), а также предусматривают соединительные средства, например обычный трубопровод (позиция 12), для подачи полученной газовой смеси в секцию (2) первичной конверсии.
Пример
В приведенном ниже примере производительность предлагаемой в изобретении установки для получения метанола сравнивали с производительностью обычной установки, на которой в отличие от предлагаемой в изобретении установки газы, отбираемые продувкой из секции синтеза метанола, использовали в качестве топлива в секции первичной конверсии без их предварительной обработки в сепараторе водорода.
Условия, при которых на той и на другой установке проводили конверсию природного газа и синтез метанола, указаны в приведенной ниже таблице, в которой приведены также полученные результаты.
Обычная установка
Установка, предлагаемая в настоящем изобретении
Количество природного газа, подаваемого в секцию первичной конверсии
4600 кмолей/ч
4600 кмолей/ч, включая СН<sub>4</sub>, подаваемый из секции синтеза метанола
Степень первичной конверсии
100%
100%
Количество газовой смеси, подаваемого в секцию синтеза метанола
17592 кмоля/ч
18129 кмолей/ч
Стехиометрическое отношение (Н<sub>2</sub>-СO<sub>2</sub>/СО+СO<sub>2</sub>)
11,36
10,9
Производительность
2757 миллионов тонн в день
2836 миллионов тонн в день
Из приведенных в таблице данных следует, что предлагаемая в изобретении установка для получения метанола отличается от известной установки меньшим стехиометрическим отношением водорода в реакторе синтеза и более высокой производительностью. Так, в частности, производительность предлагаемой в изобретении установки на 3% выше производительности известной установки.
Очевидно, что в описанные выше варианты осуществления изобретения, в котором предлагаются способ и установка для получения метанола, можно вносить различные изменения и усовершенствования, не выходя при этом за объем изобретения, определяемый его формулой.