Способ и система для получения бензина или простого диметилового эфира - RU2573563C1

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе и способу, предназначенным для получения бензина или простого диметилового эфира, и более конкретно к системе и к способу, предназначенным для получения бензина или простого диметилового эфира из природного газа с промежуточным синтезом метанола.

Уровень техники

При синтезе метанола из природного газа в большинстве случаев проводят паровой риформинг природного газа, затем формируется газ риформинга, содержащий водород и монооксид углерода, и затем из газа риформинга синтезируется метанол. В установке синтеза метанола в соответствии с вышеописанным способом необходимые пар и тепло обеспечиваются за счет рекуперации тепла, образующегося при паровом риформинге, и рекуперации тепла газа риформинга, а также за счет использования тепла реакции синтеза метанола, так что так называемый самобаланс обеспечивается уже на стадии проектирования системы.

С другой стороны, в японской патентной публикации (В2) № Н04-51596 раскрыт способ синтеза бензина из метанола через простой диметиловый эфир (ДМЭ). Реакция синтеза ДМЭ из метанола является экзотермической реакцией и теплота реакции составляет 231 ккал на 1 кг метанола. Кроме того, реакция синтеза бензина из метанола через ДМЭ также является экзотермической реакцией и теплота реакции составляет 416 ккал на 1 кг метанола.

Патентная литература

Патентный документ 1: японская патентная публикация (В2) № Н04-51596

Раскрытие изобретения

Задача, решаемая с помощью изобретения

При получении ДМЭ или бензина из природного газа в установке синтеза метанола, в которой установлена колонна для синтеза ДМЭ или бензина из метанола, как описано в японской патентной публикации (В2) № Н04-51596, количество энергии становится чрезмерным по сравнению с самобалансом энергии, заложенным в традиционных установках синтеза метанола, поскольку реакция синтеза ДМЭ или бензина является экзотермической реакцией, как описано выше. Однако может возникнуть проблема, связанная с тем, что экзотермическая энергия, возникающая в реакции синтеза ДМЭ или бензина, не может быть использована в установке и, следовательно, будет потеряна.

Кроме того, в установке синтеза метанола для удаления влаги из метанола в процессе производства осуществляется операция дистилляции, но тепло, используемое для дистилляции, может оказаться избыточным, в связи с тем, что подобная операция дистилляции не является необходимой для синтеза ДМЭ и бензина из метанола.

Для решения вышеописанной проблемы целью настоящего изобретения является создание системы или способа для получения бензина или ДМЭ из природного газа с промежуточным синтезом метанола, которые при получении бензина или ДМЭ из природного газа с промежуточным синтезом метанола эффективно использовали бы экзотермическую энергию, выделяющуюся при синтезе бензина или ДМЭ, а также эффективно использовали бы тепло, получаемое и остающееся из-за отсутствия необходимости в дистилляции метанола.

Средства решения поставленной задачи

В одном аспекте настоящее изобретение описывает систему для получения бензина или ДМЭ из природного газа с промежуточным синтезом метанола, включающую: устройство парового риформинга, предназначенное для получения газа риформинга; устройство синтеза метанола из газа риформинга, получаемого в устройстве парового риформинга; устройство синтеза бензина или ДМЭ из метанола, синтезированного в устройстве синтеза метанола; и по меньшей мере одно устройство, выбранное из группы, состоящей из: устройства предварительного риформинга природного газа до парового риформинга природного газа; устройство выделения диоксида углерода для извлечения диоксида углерода из дымового газа устройства парового риформинга; и устройство предварительного нагрева топочного воздуха, подаваемого в устройство парового риформинга, с использованием устройства синтеза бензина или ДМЭ, где общий баланс энергии системы рассчитан на использование рекуперации тепла дымового газа, образующегося в устройстве парового риформинга, рекуперации тепла газа риформинга, тепла, образующегося при синтезе в устройстве синтеза метанола, тепла, образующегося при синтезе в устройстве синтеза бензина или диметилового эфира, тепла, рекуперируемого в устройстве предварительного риформинга, если оно используется, тепла, рекуперируемого в устройстве выделения диоксида углерода при извлечении диоксида углерода, если оно используется, и тепла, рекуперируемого в устройстве предварительного нагрева воздуха, если оно используется.

В другом аспекте настоящее изобретение описывает способ получения бензина или ДМЭ из природного газа с промежуточным синтезом метанола, включающий: стадию парового риформинга природного газа для получения газа риформинга; стадию синтеза метанола из газа риформинга, получаемого на стадии парового риформинга; стадию синтеза бензина или ДМЭ из метанола, синтезированного на стадии синтеза метанола; и по меньшей мере одну стадию, выбранную из группы, состоящей из стадии предварительного риформинга природного газа до парового риформинга природного газа; стадию выделения диоксида углерода из дымового газа стадии парового риформинга; и стадии предварительного нагрева топочного воздуха, подаваемого на стадию парового риформинга, с использованием тепла синтеза, получающегося при синтезе бензина или ДМЭ, где общий энергетический баланс системы для осуществления способа рассчитан на использование рекуперации тепла дымового газа, получаемого на стадии парового риформинга, рекуперации тепла газа риформинга, тепла синтеза, получаемого на стадии синтеза метанола, тепла синтеза, получаемого на стадии синтеза бензина или диметилового эфира, тепла, рекуперируемого на стадии предварительно риформинга, если она используется, тепла, рекуперируемого на стадии выделения диоксида углерода, если она используется, и тепла, рекуперируемого на стадии предварительного нагрева воздуха, если она используется.

Положительные эффекты, достигаемые с использованием изобретения

Как описано выше, согласно настоящему изобретению по меньшей мере один процесс выбран из группы, состоящей из: предварительного риформинга природного газа до парового риформинга природного газа; выделения диоксида углерода для извлечения диоксида углерода из дымового газа, образующегося при паровом риформинга; и предварительного нагрева топочного воздуха, подаваемого на паровой риформинг, при использовании тепла синтеза в синтезе бензина или ДМЭ, и, кроме того, общий баланс энергии системы рассчитан на использование рекуперации тепла дымового газа, образующегося при паровом риформинге, рекуперации тепла газа риформинга, тепла синтеза метанола, тепла синтеза бензина или ДМЭ, и тепла, рекуперируемого при предварительном риформинге, выделении диоксида углерода или предварительного нагрева воздуха, соответственно, если они используются. Таким образом, экзотермическая энергия, получаемая при синтезе бензина или ДМЭ, может быть эффективно использована без лишних потерь.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет схематический вид, иллюстрирующий вариант осуществления системы для получения бензина из природного газа с промежуточным синтезом, метанола в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 2 представляет схематический вид, иллюстрирующий другой вариант осуществления системы для получения бензина из природного газа с промежуточным синтезом метанола в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 3 представляет схематический вид, иллюстрирующий еще один вариант осуществления системы для получения бензина из природного газа с промежуточным синтезом метанола в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 4 представляет схематический вид, иллюстрирующий вариант осуществления системы для получения бензина из природного газа с промежуточным синтезом метанола в соответствии с настоящим изобретением, который является комбинацией вариантов, показанных на фиг. 1-3.

Описание вариантов осуществления изобретения

Далее описываются варианты осуществления систем и способов получения бензина из природного газа с промежуточным синтезом метанола в соответствии с настоящим изобретением со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Как показано на фиг. 1, система по данному варианту осуществления включает, главным образом, установку 10 парового риформинга, выполненную с возможностью получения газа риформинга в результате парового риформинга природного газа, колонну 20 синтеза метанола, выполненную с возможностью синтеза метанола из газа риформинга, генерируемого паровым риформингом, колонну 30 синтеза бензина, выполненную с возможностью синтеза бензина из метанола, синтезированного в колонне синтеза метанола, и установку 40 предварительного риформинга, выполненную с возможностью предварительного риформинга природного газа до парового риформинга природного газа.

Реактор 10 парового риформинга, в основном, включает трубчатый реактор 11 для парового риформинга, зону 12 горения, расположенную вокруг трубчатого реактора 11, зону 15 рекуперации отходящего тепла, выполненную с возможностью рекуперации тепла дымового газа, образующегося в зоне 12 горения, и выводную трубу 16, выполненную с возможностью выброса дымового газа в атмосферу после рекуперации тепла из дымового газа. Трубчатый реактор, который включает катализатор парового риформинга, загруженный внутрь трубчатого реактора, представляет собой устройство для получения водорода, монооксида углерода и диоксида углерода из природного газа, содержащего метан в качестве основного компонента, путем проведения следующих реакций. В качестве катализатора парового риформинга могут быть использованы, например, известные катализаторы, такие как катализаторы на основе никеля.

Линия 13 подачи материала для подачи материала 1, включающего природный газ и пар, соединена с входом трубчатого реактора 11. Зона 12 горения включает горелку (не показана) для нагрева трубчатого реактора 11, и с горелкой соединена линия 14 подачи топлива для подачи топлива 2, такого как природный газ. Линия 18 подачи газа риформинга соединена с выводом трубчатого реактора 11 и представляет собой линию подачи газа риформинга, содержащего водород, монооксид углерода и диоксид углерода, образующиеся в качестве основных компонентов в реакции парового риформинга, в колонну 20 синтеза метанола.

Установка 40 предварительного риформинга представляет собой устройство, предназначенное для предварительного риформинга С2 или более тяжелых углеводородов, содержащихся в природном газе, таких как этан, главным образом, в C1 углеводороды, такие как метан, монооксид углерода, или водород. Установка 40 предварительного риформинга включает предварительно загруженный в трубчатый реактор катализатор риформинга. В качестве катализатора предварительного риформинга могут быть использованы известные катализаторы, такие как катализатор на основе никеля.

Установка 40 предварительного риформинга расположена выше по технологическому потоку от установки 10 парового риформинга в направлении подачи материала, а более конкретно - в линии 13 подачи материала. В линии 13 подачи материала первый теплообменник 41 типа дымовой газ-материал, выполненный с возможностью предварительного нагрева материала 1 дымовым газом из зоны 15 рекуперации тепла, расположен еще выше по технологическую потоку, чем установка 40 предварительного риформинга, в направлении подачи материала, а второй теплообменник 42 типа дымовой газ-материал, выполненный с возможностью предварительного нагрева материала, который был подвергнут предварительному риформингу в установке 40 предварительного риформинга дымовым газом из зоны 15 рекуперации тепла, расположен ниже по технологическому потоку от установки 40 предварительного риформинга в направлении подачи материала.

Другими словами, зона 15 рекуперации тепла установки 10 парового риформинга включает второй теплообменник 42 типа дымовой газ-материал и первый теплообменник 41 типа дымовой газ-материал, описанные выше, а также теплообменник 17 типа дымовой газ-пар, расположенный по ходу потока дымового газа из зоны горения 12 в выводную трубу 16. Теплообменник 17 типа дымовой газ-пар представляет собой устройство для получения пара или тепла, предназначенных для использования в системе, и выполнен с возможностью рекуперации тепла дымового газа и получения пара высокого давления при нагреве воды и т.п. дымовым газом, проходящим в зоне 15 рекуперации тепла.

Аналогичным образом, на линии 18 подачи газа риформинга расположен теплообменник 19 типа газ риформинга-пар, предназначенный для получения пара или тепла, используемых в системе. Теплообменник 19 типа газ риформинга-пар представляет собой устройство, выполненное с возможностью получения пара высокого давления и рекуперации тепла газа риформинга при нагреве воды и т.п. газом риформинга.

Колонна 20 синтеза метанола представляет собой устройство, предназначенное для синтеза метанола из газа риформинга по следующим реакциям.

Колонна 20 синтеза метанола включает катализатор синтеза метанола, загруженный в трубчатый реактор. В качестве катализатора синтеза метанола могут быть использованы известные катализаторы, такие как катализатор на основе меди. Линия 22 подачи метанола соединена с колонной 20 синтеза метанола, представляющей собой линию подачи метанола, синтезированного в колонне 20 синтеза метанола, в колонну 30 синтеза бензина. Следует отметить, что в дополнение к синтезированному метанолу по линии подачи метанола 22 проходит жидкий сырой метанол, содержащий воду, являющуюся побочным продуктом реакции формулы 4.

Колонна 30 синтеза бензина представляет собой устройство, выполненное с возможностью синтеза бензина из метанола по реакции в соответствии со следующей формулой.

Как описано выше, метанол по реакции синтеза бензина, выраженной формулой 3, превращается в бензин с промежуточным получением простого диметилового эфира (т.е., ДМЭ) по реакции синтеза, выраженной формулой 5. В колонне 30 синтеза бензина находятся два типа катализаторов, включающих катализатор синтеза ДМЭ и катализатор синтеза бензина в двух зонах, так что две реакции могут проводиться постадийно. В качестве катализатора синтеза ДМЭ могут быть использованы, например, известные катализаторы, такие как катализатор алюмосиликатного типа на основе цеолита. Кроме того, в качестве катализатора синтеза бензина могут быть использованы известные катализаторы, такие как катализатор алюмосиликатного типа на основе цеолита.

Линия 32 подачи бензина соединена с колонной 30 синтеза бензина, которая является линией подачи бензина, синтезированного в колонне 30 синтеза бензина, в хранилище (не показано). Отметим, что хотя пример, проиллюстрированный на фиг. 1, включает колонну 30 синтеза бензина, вместо колонны 30 синтеза бензина может быть установлена колонна синтеза ДМЭ, предназначенная для получения ДМЭ путем реакции синтеза ДМЭ по формуле 5.

В соответствии с вышеописанной конфигурацией топливо 2, такое как природный газ, сначала подают в зону 12 горения установки 10 парового риформинга по линии 14 подачи топлива. В зоне 12 горения топливо 2 сгорает вместе с воздухом и нагревает трубчатый реактор 11 до температуры в интервале около 800-900°С. Дымовой газ, содержащий диоксид углерода, образующийся в зоне 12 горения, поступает в зону 15 рекуперации тепла.

С другой стороны, материал 1, содержащий природный газ и пар, нагревается первым теплообменником 41 типа дымовой газ-материал зоны 15 рекуперации тепла установки 10 парового риформинга до температуры в интервале около 450-550°С, и затем нагретый материал 1 подают в установку 40 предварительного риформинга. В установке 40 предварительного риформинга С2 или более тяжелые углеводороды, содержащиеся в материале 1, такие как этан, предварительно конвертируются в метан и т.п. Газ предварительного риформинга нагревают вторым теплообменником 42 типа дымовой газ-материал снова до температуры в интервале около 600-700°С и затем подают в трубчатый реактор 11 установки 10 парового риформинга по линии 13 подачи материала.

После нагрева материала 1 последовательно во втором теплообменнике 42 типа дымовой газ-материал и первом теплообменнике 41 типа дымовой газ-материал в зоне 15 рекуперации тепла, как описано выше, и рекуперации тепла теплообменником 17 типа дымовой газ-пар путем нагрева воды или т.п. дымовой газ, содержащий диоксид углерода, образующийся в зоне 12 горения, имеющей температуру около 1000°С, выбрасывается из выводной трубы 16 в атмосферу.

В трубчатом реакторе 11 установки 10 парового риформинга проходит паровой риформинг материала 1 по реакциям формулы 1 и 2 и превращение его в газ риформинга, содержащий водород, монооксид углерода и диоксид углерода в качестве основных ингредиентов. Перед подачей газа риформинга в колонну 20 синтеза метанола по линии 18 подачи газа риформинга проводят рекуперацию тепла теплообменником 19 типа газ риформинга-пар путем нагрева водонагревателя или т.п.

В колонне 20 синтеза метанола метанол синтезируется из газа риформинга по реакциям формулы 3 и 4. Реакции синтеза метанола являются экзотермическими реакциями. Температура газа риформинга контролируется теплообменником 19 типа газ риформинга-пар в интервале около 160-200°С, который подходит для синтеза метанола. Метанол, синтезированный в колонне 20 синтеза метанола, подают в колонну 30 синтеза бензина по линии 22 подачи метанола в виде сырого метанола, содержащего воду.

В колонне 30 синтеза бензина бензин синтезируется из метанола по реакции формулы 5 и 6. Реакции синтеза бензина являются экзотермическими реакциями. Кроме того, поскольку в реакции формулы 6 в качестве побочного продукта образуется вода, сырой метанол может содержать воду и нет необходимости на линии 22 подачи метанола в колонну 30 синтеза бензина устанавливать устройство очистки для удаления воды путем дистилляции сырого метанола, как это необходимо делать в традиционной установке синтеза метанола.

В данном варианте осуществления, как описано выше, и в отличие от обычных установок синтеза метанола имеется колонна 30 синтеза бензина, в которой проходят экзотермические реакции и генерируется тепловая энергия, и, кроме того, становится ненужной колонна дистилляции метанола, которая потребляет энергию. Вследствие этого количество топлива 2, подаваемого в зону 12 горения установки 10 парового риформинга, может быть уменьшено, хотя и генерируется избыточное количество энергии, с использованием установки 40 предварительного риформинга, обеспечивающей локальный нагрев материала в установке 40 предварительного риформинга с использованием первого и второго теплообменников 41 и 42 типа дымовой газ-материал в зоне 15 рекуперации тепла установки 10 парового риформинга. Кроме того, в зоне 15 рекуперации тепла установки 10 парового риформинга количество рекуперированного тепла уменьшается в результате использования первого и второго теплообменников 41 и 42 типа дымовой газ-материал. Тем не менее, система может быть сконструирована таким образом, что энергия всей системы может быть самосбалансирована экзотермической энергией, генерируемой в колонне 30 синтеза бензина для компенсации этого снижения количества тепла.

Далее будет описан вариант осуществления изобретения, представленный на фиг. 2. Система согласно данному варианту осуществления включает в себя, главным образом, установку 10 парового риформинга, колонну 20 синтеза метанола, колонну 30 синтеза бензина и устройство 50 выделения СО₂, которое выполнено с возможностью удаления СО₂ из дымового газа парового риформинга. Следует отметить, что элементы, совпадающие с системой, показанной на фиг. 1, приведены с теми же обозначениями и их подробное описание здесь повторяться не будет.

Устройство 50 выделения СО₂ является устройством, выполненным с возможностью абсорбировать и удалять диоксид углерода из дымового газа в результате контакта абсорбирующей СО₂ жидкости с дымовым газом, который проходит в зоне 15 рекуперации тепла установки 10 парового риформинга. Устройство выделения СО₂ расположено в потоке дымового газа после теплообменника 17 типа дымовой газ-пар. Следует отметить, что устройство регенерации абсорбирующей жидкости (не показано) добавлено к устройству 50 выделения СО₂. Устройство регенерации абсорбирующей жидкости является устройством, выполненным с возможностью получения газообразного диоксида углерода, а также регенерации абсорбирующей CO₂ жидкости в результате отделения диоксида углерода от абсорбировавшей СО₂ жидкости.

Устройство 50 выделения СО₂ снабжено линией 51 подачи СО₂ для подачи выделенного газообразного диоксида углерода в колонну 20 синтеза метанола для его использования в качестве материала для вышеуказанной реакции формулы 4, которая протекает в колонне 20 синтеза метанола.

В вышеописанной конфигурации сначала топливо 2, такое как природный газ, подают в зону 12 горения установки 10 парового риформинга по линии 14 подачи топлива. В зоне 12 горения топливо 2 сжигают вместе с воздухом и трубчатый реактор 11 нагревают до температуры в интервале около 800-900°С. После нагрева водонагревателя или т.п. теплообменником 17 типа дымовой газ-пар в зоне 15 рекуперации тепла для рекуперации тепла и выделения СО₂ устройством 50 выделения СО₂ дымовой газ, содержащий диоксид углерода, образующийся в зоне 12 горения, и имеющий температуру около 1000°С, выбрасывается по выводной трубе 16 в атмосферу.

С другой стороны, материал 1, содержащий природный газ и пар, подается в трубчатый реактор 11 установки 10 парового риформинга по линии 13 подачи материала. В трубчатом реакторе 11 установки 10 парового риформинга материал 1 превращается по реакции парового риформинга в газ риформинга. После рекуперации тепла нагревом воды или т.п. теплообменником 19 типа газ риформинга-пар газ риформинга подают в колонну 20 синтеза метанола по линии 18 подачи газа риформинга. Кроме того, диоксид углерода, извлекаемый устройством 50 выделения СО₂, также подают в колонну 20 синтеза метанола по линии 51 подачи CO₂.

В колонне 20 синтеза метанола метанол синтезируют из газа риформинга и диоксида углерода путем проведения реакции формулы 3 и 4. При добавлении газообразного диоксида углерода избыток водорода, присутствующего в газе риформинга, может быть превращен в метанол и в результате может быть увеличено производство метанола. Кроме того, поскольку реакции синтеза метанола являются экзотермическими реакциями, экзотермическая энергия, генерируемая в колонне 20 синтеза метанола, увеличивается при повышении производства метанола. Метанол, синтезированный в колонне 20 синтеза метанола, подают в колонну 30 синтеза бензина по линии 22 подачи метанола в виде сырого метанола, содержащего воду.

В колонне 30 синтеза бензина бензин синтезируется из метанола по реакции формулы 5 и 6. Поскольку подача метанола увеличивается, производство автомобильного бензина также возрастает и экзотермическая энергия, генерируемая в колонне 30 синтеза бензина, также повышается в соответствии с увеличением производства, так как реакции синтеза бензина являются экзотермическими реакциями.

В данном варианте осуществления, как описано выше, и в отличие от обычных установок синтеза метанола предусмотрена колонна 30 синтеза бензина, в которой протекают экзотермические реакции и генерируется тепловая энергия, и, кроме того, становится ненужной потребляющая энергию колонна дистилляции метанола. Тем не менее, система может быть сконструирована таким образом, что, хотя образуется избыток энергии, энергия всей системы самобалансируется устройством 50 выделения СО₂ и устройством регенерации абсорбирующей жидкости (не показано), которые энергию потребляют. Кроме того, получение бензина в колонне 30 синтеза бензина может быть увеличено в результате подачи диоксида углерода, извлеченного устройством 50 выделения СО₂, в колонну 20 синтеза метанола вместе с газом риформинга.

Далее будет описан вариант осуществления изобретения, показанный на фиг. 3. Система согласно данному варианту осуществления включает, главным образом, установку 10 парового риформинга, колонну 20 синтеза метанола, колонну 30 синтеза бензина и устройство 60 предварительного нагрева воздуха, которое выполнено с возможностью предварительного нагрева топочного воздуха, подаваемого в зону горения установки парового риформинга. Следует отметить, что элементы, совпадающие с системой, показанной на фиг. 1 и 2, приведены с теми же обозначениями и их подробное описание здесь повторяться не будет.

Устройство 60 предварительного нагрева воздуха включает вентилятор 63 для подачи топочного воздуха, теплообменник 62 типа дымовой газ-топочный воздух, выполненный с возможностью предварительного нагрева топочного воздуха топочным газом, проходящим в зоне 15 рекуперации тепла установки 10 парового риформинга, линию 61 введения топочного воздуха, предназначенную для введения предварительно нагретого топочного воздуха в колонну 30 синтеза бензина, чтобы тепло синтеза, получаемое в колонне 30 синтеза бензина, еще нагревало предварительно нагретый топочный воздуха, и линию 64 подачи топочного воздуха, предназначенную для подачи топочного воздуха, нагретого теплом синтеза, в зону 12 горения установки 10 парового риформинга. Теплообменник 62 типа дымовой газ-топочный воздух расположен ниже по технологическому потоку дымового газа от теплообменника 17 типа дымовой газ-пар.

Средства предварительного нагрева топочного воздуха теплом реакции, образующимся в колонне 30 синтеза бензина, никак особенно не ограничиваются, но, например, топочный воздух может нагреваться паром, полученным при нагреве водонагревателя теплом реакции, образующимся в колонне 30 синтеза бензина. В альтернативном варианте может осуществляться теплообмен между катализатором синтеза ДМЭ в колонне 30 синтеза бензина или в трубчатом реакторе (не показан) с загруженным катализатором синтеза бензина и топочным воздухом.

В соответствии с вышеописанной конфигурацией топливо 2, такое как природный газ, сначала подают в зону 12 горения установки 10 парового риформинга по линии 14 подачи топлива. В зоне 12 горения топливо 2 сжигается вместе с воздухом и трубчатый реактор 11 нагревают до температуры в интервале около 800-900°С. После нагрева водонагревателя или т.п. теплообменником 17 типа дымовой газ-пар в зоне 15 рекуперации тепла для рекуперации тепла и после удаления СО₂ устройством 50 выделения СО₂ дымовой газ, содержащий диоксид углерода, образовавшийся в зоне 12 горения и имеющий температуру около 1000°С, охлаждают до температуры в интервале около 300-400°С. Затем, после нагрева топочного воздуха из вентилятора 63 теплообменником 62 типа дымовой газ-топочный воздух дымовой газ выбрасывается по выводной трубе 16.

С другой стороны, материал 1, содержащий природный газ и пар, подают в трубчатый реактор 11 из установки 10 парового риформинга по линии 13 подачи материала. В трубчатом реакторе 11 установки 10 парового риформинга материал 1 превращается в газ риформинга по реакции парового риформинга. После сброса тепла в результате нагрева водонагревателя или т.п. теплообменником 19 типа газ риформинга-пар газ риформинга подают в колонну 20 синтеза метанола по линии 18 подачи газа риформинга.

В колонне 20 синтеза метанола метанол синтезируется из газа риформинга и диоксида углерода. Метанол, синтезированный в колонне 20 синтеза метанола, подают в колонну 30 синтеза бензина по линии 22 подачи метанола в виде сырого метанола, содержащего воду.

В колонне 30 синтеза бензина бензин синтезируется из метанола по реакции формулы 5 и 6. Реакция синтеза ДМЭ из метанола, проходящая в колонне 30 синтеза бензина, является экзотермической реакцией и ее теплота составляет 185 ккал на 1 кг метанола. Кроме того, реакция синтеза бензина также является экзотермической реакцией и ее теплота составляет 231 ккал на 1 кг метанола. Таким образом, в синтезе бензина из метанола теплота реакции составляет 416 ккал на 1 кг метанола. Топочный воздух, вводимый по линии 61 впуска топочного воздуха, нагревают теплом этой реакции.

Что касается условий реакции синтеза ДМЭ, проводимой в колонне 30 синтеза бензина, температура предпочтительно находится в интервале 250-300°С. Кроме того, температура в условиях реакции синтеза бензина предпочтительно составляет 380-450°С. Таким образом, топочный воздух может быть нагрет до около 300-380°С.

Топочный воздух, нагретый колонной 30 синтеза бензина, подают в зону 12 горения установки 10 парового риформинга по линии 64 подачи топочного воздуха вместе с топливом 2. Поскольку топочный воздух нагревают, как описано выше, подача топлива 2 в зону 12 горения может быть снижена.

В данном варианте осуществления, как описано выше, и в отличие от обычных установок синтеза метанола предусмотрена колонна 30 синтеза бензина, в которой протекают экзотермические реакции и генерируется тепловая энергия и, кроме того, становится ненужной потребляющая энергию колонна дистилляции метанола. Тем не менее, система может быть сконструирована таким образом, что, хотя генерируется избыток энергии, энергия всей системы самобалансируется, поскольку подача топлива 2 в установку 10 парового риформинга 10 может быть уменьшена предварительным нагревом топочного воздуха в установке 10 парового риформинга и предварительным нагревом топочного воздуха экзотермической энергией, генерирующейся в колонне 30 синтеза бензина.

Далее будет описан вариант осуществления изобретения, проиллюстрированный на фиг. 4. Система по данному варианту осуществления является комбинацией всех вариантов осуществления, иллюстрируемых фиг. 1-3. Более конкретно, эта система включает, главным образом, установку 10 парового риформинга, колонну 20 синтеза метанола, колонну 30 синтеза бензина, установку 40 предварительного риформинга, устройство 50 выделения СО₂ и устройство 60 предварительного нагрева воздуха, выполненное с возможностью предварительного нагрева воздуха, подаваемого в зону горения установки парового риформинга. Следует отметить, что элементы, совпадающие с системами, показанными на фиг. 1-3, приведены с теми же обозначениями и их подробное описание здесь повторяться не будет.

Компоненты зоны 15 рекуперации тепла установки 10 парового риформинга расположены в следующем порядке со стороны впуска дымового газа: второй теплообменник 42 типа топочный газ-материал, первый теплообменник 41 типа дымовой газ-материал, теплообменник 17 типа дымовой газ-пар, теплообменник 62 типа дымовой газ-топочный воздух и устройство 50 выделения СО₂.

В соответствии с описанной выше конфигурацией топливо 2, такое как природный газ, сначала поступает в зону 12 горения установки 10 парового риформинга по линии 14 подачи топлива. В зоне 12 горения топливо 2 сжигается вместе с воздухом, и трубчатый реактор 11 нагревают до температуры в интервале около 800-900°С. После того, как материал нагревают вторым теплообменником 42 типа дымовой газ-материал и охлаждают до температуры в интервале около 450-550°С и материал нагревают первым теплообменником 41 типа дымовой газ-материал, дымовой газ, содержащий диоксид углерода, образующийся в зоне 12 горения, и имеющий температуру около 1000°С, охлаждают до температуры в диапазоне около 600-700°С. Затем водонагреватель и т.п. нагревается теплообменником 17 типа дымовой газ-пар зоны 15 рекуперации тепла, охлаждается до температуры в интервале около 300-400°С и затем тепло рекуперируют нагревом топочного воздуха теплообменником 62 типа дымовой газ-топочный воздух. Затем, после удаления СО₂ устройством 50 выделения СО₂ дымовой газ по выводной трубе 16 выбрасывают в атмосферу.

С другой стороны, материал 1, содержащий природный газ и пар, подают в трубчатый реактор 11 установки 10 парового риформинга по линии 13 подачи материала. В трубчатом реакторе 11 установки 10 парового риформинга материал 1 превращается по реакции парового риформинга в газ риформинга. После рекуперации тепла водонагревателем или т.п. с использованием теплообменника 19 типа газ риформинга-пар, газ риформинга подают в колонну 20 синтеза метанола по линии 18 подачи газа риформинга. Кроме того, диоксид углерода, извлекаемый устройством 50 выделения СО₂, также подают в колонну 20 синтеза метанола по линии 51 подачи СО₂.

В колонне 20 синтеза метанола метанол синтезируется из газа риформинга и диоксида углерода по реакциям формулы 3 и 4. При добавлении газообразного диоксида углерода может быть увеличен выход метанола и выделение экзотермической энергии в колонне 20 синтеза метанола. Метанол, синтезированный в колонне 20 синтеза метанола, подают в колонну 30 синтеза бензина по линии 22 подачи метанола в виде сырого метанола, содержащего воду.

В колонне 30 синтеза бензина бензин синтезируется из метанола по реакциям формулы 5 и 6. Поскольку подача метанола увеличивается, выход бензина и выделение экзотермической энергии в колонне 30 синтеза бензина могут быть увеличены. В колонне 30 синтеза бензина топочный воздух, вводимый по линии 61 ввода топочного воздуха, нагревается за счет теплоты реакции.

В данном варианте осуществления, как описано выше, и в отличие от обычных установок синтеза метанола предусмотрена колонна 30 синтеза бензина, в которой протекают экзотермические реакции и генерируется тепловая энергия, и, кроме того, становится ненужной потребляющая энергию колонна дистилляции метанола. По этой причине количество топлива 2, подаваемого в установку 10 парового риформинга, может быть уменьшено, хотя генерируется избыток энергии, благодаря использованию установки 40 предварительного риформинга, устройства 50 выделения СО₂ и устройства регенерации абсорбирующей жидкости (не показано) и устройства 60 предварительного нагрева воздуха, которое предварительно нагревает топочный воздух с помощью тепла реакции колонны 30 синтеза бензина, а также нагреву материала в различных точках устройства 40 предварительного риформинга с помощью первого и второго теплообменников 41 и 42 типа дымовой газ-материал зоны 15 рекуперации тепла установки 10 парового риформинга. Также подача топлива 2 в установку 10 парового риформинга может быть уменьшена путем предварительного нагрева топочного воздуха. Кроме того, в зоне 15 рекуперации тепла установки 10 парового риформинга снижается количество извлекаемого тепла, поскольку предусмотрены теплообменники 41 и 42 типа дымовой газ-материал. Тем не менее, система может быть выполнена так, что энергия всей системы будет самосбалансирована, так как экзотермическая энергия, генерируемая в колонне 30 синтеза бензина, может быть использована для компенсации пониженного количества тепла. Выход бензина в колонне 30 синтеза бензина может быть увеличен подачей диоксида углерода, выделенного устройством 50 выделения СО₂, в колонну 20 синтеза метанола вместе с газом риформинга. Кроме того, подача топлива 2 может быть снижена путем превращения всего или части газообразного диоксида углерода, выделенного устройством 50 выделения СО₂, в газообразный монооксид углерода и его подачи в зону 12 горения установки 10 парового риформинга вместе с топливом 2, что также обеспечивает самобалансировку системы.

Примеры

Моделирование энергетического баланса проводят для соответствующих вариантов осуществления, проиллюстрированных на фиг. 1-3, для соответствующих вариантов осуществления, включающих комбинацию двух вариантов из проиллюстрированных на фиг. 1-3, и варианта осуществления, проиллюстрированного на фиг. 4, включающей в себя все варианты осуществления, проиллюстрированные на фиг. 1-3. Результаты представлены в таблице 1.

Следует отметить, что моделирование проводят для случая, в котором дневная выработка метанола составляет 2500 тонн, при условии, что в качестве материала и топлива используют природный газ. Кроме того, для сравнения результаты традиционного примера, в котором из природного газа синтезируют метанол, и примеров сравнения, в которых из природного газа синтезируют бензин или ДМЭ с промежуточным синтезом метанола, также представлены в таблице 1.

Как показано в таблице 1, в традиционном примере синтеза метанола остаточная энергия составляет 0 ккал/ч для всей системы и достигается самобаланс. С другой стороны, в сравнительных примерах 1 и 2 для синтеза ДМЭ или бензина с промежуточным синтезом метанола тепло, генерируемое в синтезе ДМЭ или бензина (MTG), увеличилось, в то время как дистилляция метанола становится ненужной и, соответственно, получается избыток энергии.

В примере 1, в котором предусмотрена установка предварительного риформинга, подача топлива и количество рекуперированного тепла дымового газа в установке парового риформинга снижены и, соответственно, достигнут хороший самобаланс по сравнению с примерами сравнения 1-2. Кроме того, в примере 2, в котором предусмотрено устройство выделения СО₂, необходима рекуперация тепла, и выход бензина увеличивается, и, соответственно, достигнут хороший самобаланс по сравнению с примерами сравнения 1-2. В примере 3, в котором топочный воздух используется для рекуперации тепла синтеза бензина (тепла MTG), подача топлива в установку парового риформинга и количество выделенного дымового газа уменьшаются, и соответственно, достигнут хороший самобаланс по сравнению с примерами сравнения 1-2. Аналогично в примерах 4-7, которые представляют собой комбинацию вышеописанных примеров, достигнут еще более выгодный самобаланс по сравнению с примерами сравнения 1-2.

Описание обозначений

10: Установка парового риформинга

11: Трубчатый реактор

12: Зона горения

13: Линия подачи материала

14: Линия подачи топлива

15: Зона рекуперации тепла

16: Выводная труба

17: Теплообменник типа дымовой газ-пар

18: Линия подачи газа риформинга

19: Теплообменник типа газ риформинга-пар

20: Колонна синтеза метанола

22: Линия подачи метанола

30: Колонна синтеза бензина

32: Линия подачи бензина

40: Установка предварительного риформинга

41: Первый теплообменник типа дымовой газ-материал

42: Второй теплообменник типа дымовой газ-материал

50: Устройство выделения СО₂

51: Линия подачи СО₂

60: Устройство предварительного нагрева воздуха

61: Линия ввода топочного воздуха

62: Теплообменник типа дымовой газ-топочный воздух

63: Вентилятор

64: Линия подачи топочного воздуха

Реферат

Изобретение относится к системе и способу для получения бензина или простого диметилового эфира из природного газа. Система для получения бензина или простого диметилового эфира из природного газа с промежуточным синтезом метанола включает: устройство (10) парового риформинга природного газа для получения газа риформинга; теплообменник (17) типа дымовой газ-пар для получения пара или тепла, используемых в системе, путем рекуперации тепла дымового газа, образующегося в зоне горения (12) устройства (10) парового риформинга; устройство (20) синтеза метанола из газа риформинга, получаемого в устройстве парового риформинга; теплообменник (19) типа газ риформинга-пар, предназначенный для получения пара или тепла, используемых в системе, путем рекуперации тепла газа риформинга до подачи газа риформинга в устройство (20) синтеза метанола; устройство (30) синтеза бензина или простого диметилового эфира из метанола, синтезированного в устройстве синтеза метанола, и по меньшей мере одно устройство, выбранное из группы, и ряд теплообменников как указано в формуле изобретения. Для системы сформулированы признаки, влияющие на общий энергетический баланс системы. Технический результат - эффективное использование тепла, получаемого в способе или системе. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил., 10 пр.

Формула