Способ и установка для получения метанола - RU2426717C2
Код документа: RU2426717C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу получения метанола из содержащего диоксид углерода (СО2), моноксид углерода (СО) и водород (Н2) 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, СО2, Н2 в стехиометрическом избытке и СН4, содержащую СО, СО2, Н2 в стехиометрическом избытке и СН4 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, СО2, H2 и СН4 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
Хорошо известно, что в настоящее время метанол получают в секции его синтеза из содержащей СО, СО2, Н2 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.
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 Н2 в которой превышает стехиометрическое количество, необходимое для конверсии в метанол.
Избыточное содержание Н2 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 Н2 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.
Необходимо также отметить, что при получении метанола описанными выше методами отбираемый путем продувки из секции синтеза газовый поток со сверхстехиометрическим содержанием Н2 используют в качестве топлива в секции первичной конверсии, предварительно удаляя из него путем промывки содержащийся в нем метанол.
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 Н2, СО, СО2 и некоторым количеством СН4 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
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 Н2 с получением первой газообразной фазы, по существу состоящей из Н2, и второй газообразной фазы, содержащей СО, СО2 и СН4 и по существу не содержащей Н2, и рекуперируют вторую газообразную фазу, содержащую СО, СО2 и СН4 и по существу не содержащую Н2, для ее использования в процессе конверсии в секции первичной конверсии.
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 СО2, 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.
Необходимо отметить, что при получении метанола предлагаемым в изобретении способом углеродсодержащие газообразные компоненты отбираемого продувкой из секции синтеза газового потока, в частности СО, СО2 и СН4, 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.
В секции первичной конверсии содержащийся в отбираемом продувкой из секции синтеза газовом потоке СН4 снова превращается в СО и CO2, из которых затем в результате конверсии синтезируют метанол. Содержащиеся в отбираемом продувкой из секции синтеза газовом потоке СО и СО2 также вступают в протекающие в секции первичной конверсии реакции конверсии и сдвига и увеличивают их выход.
Таким образом, при получении метанола предлагаемым в изобретении способом в полученной в результате первичной конверсии смеси синтез-газа содержится больше СО и СО2, чем при получении метанола известными способами, которые можно использовать для конверсии в метанол. Более высокое содержание СО и СО2 в подаваемом в секцию синтеза газе позволяет уменьшить стехиометрический избыток Н2 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.
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 Н2 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.
При получении метанола предлагаемым в изобретении способом выделение Н2 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.
К "молекулярным ситам" относятся все обычные микропористые материалы, которые могут преимущественно абсорбировать из газовой смеси содержащиеся в ней СО, СО2 и СН4.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения для рекуперации второй газообразной фазы, содержащей СО, СО2 и СН4 и по существу не содержащей Н2, в целях ее использования для конверсии в секции первичной конверсии вторую газообразную фазу, содержащую СО, СО2 и СН4 и по существу не содержащую Н2, 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.
В настоящем изобретении предлагается также установка для получения метанола, содержащая секцию первичной конверсии для получения газовой смеси, содержащей СО, СО2, Н2 в стехиометрическом избытке и СН4, соединительные средства для подачи природного газа и водяного пара в секцию первичной конверсии, секцию синтеза метанола, соединительные средства для подачи содержащей СО, СО2, Н2 в стехиометрическом избытке и СН4 газовой смеси в секцию синтеза метанола и систему для удаления путем продувки из секции синтеза метанола содержащего СО, СО2, Н2 и СН4 газового потока и отличающаяся наличием сепаратора для выделения Н2 из отбираемого путем продувки из секции синтеза метанола газового потока, соединительных средств для подачи отбираемого путем продувки из секции синтеза метанола содержащего СО, СО2, Н2 и СН4 газового потока в сепаратор для выделения Н2 с получением первой газообразной фазы, по существу состоящей из Н2, и второй газообразной фазы, содержащей СО, СО2 и СН4 и по существу не содержащей Н2, и устройства для рекуперации второй газообразной фазы, содержащей СО, СО2 и СН4 и по существу не содержащей Н2, 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.
В настоящем изобретении предлагается также способ модернизации существующей установки для получения метанола, содержащей секцию первичной конверсии для получения газовой смеси, содержащей СО, СО2, Н2 в стехиометрическом избытке и СН4, соединительные средства для подачи природного газа и водяного пара в секцию первичной конверсии, секцию синтеза метанола, соединительные средства для подачи содержащей СО, СО2, Н2 в стехиометрическом избытке и СН4 газовой смеси в секцию синтеза метанола и систему для удаления путем продувки из секции синтеза метанола содержащего СО, СО2, Н2 и СН4 газового потока, заключающийся в том, что на установке предусматривают сепаратор для выделения Н2 из отбираемого путем продувки из секции синтеза метанола газового потока, секцию синтеза метанола соединяют соединительными средствами с сепаратором для выделения H2 из отбираемого путем продувки из секции синтеза метанола содержащего СО, СО2, Н2 и СН4 газового потока и получения в результате первой газообразной фазы, по существу состоящей из Н2, и второй газообразной фазы, содержащей СО, СО2 и СН4 и по существу не содержащей Н2, и предусматривают устройство для рекуперации второй газообразной фазы, содержащей СО, СО2 и CH4 и по существу не содержащей Н2, 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
На показанной на прилагаемом к описанию чертеже блок-схеме представлены отдельные стадии предлагаемого в изобретении способа получения метанола из содержащей Н2, СО и/или СО2 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.
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, СО2 и СН4 и по существу не содержащим Н2, 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, СО2, Н2 (в стехиометрическом избытке) и СН4.
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.
Выше уже отмечалось, что в полученном в секции первичной конверсии синтез-газе содержание Н2 намного превышает стехиометрическое и что в газе, отбираемом продувкой из секции 3 синтеза метанола, помимо Н2 содержатся также СО, СО2 и СН4. Такой газ отбирают из секции синтеза метанола по трубопроводу, обозначенному на чертеже позицией 9.
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 Н2. Для сепарации водорода можно использовать обычный, хорошо известный полупроницаемый для газа материал, в частности мембрану или молекулярное сито.
Отбираемый из сепаратора 4 водорода по трубопроводу 10 газ по существу состоит из Н2, а отбираемый по трубопроводу 11 газ по существу состоит из СО, СО2 и СН4 и практически вообще не содержит Н2.
Отбираемый из сепаратора водорода по трубопроводу 10 Н2 можно выпускать в атмосферу или использовать в качестве источника энергии, например топлива, в секции 2 первичной конверсии.
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, СО2 и СН4, 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:
- возможность рекуперации СО и СО2, 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 СО2 в реакторе синтеза с сопутствующими снижением стехиометрического избытка H2 и увеличением количества получаемого метанола,
- возможность рекуперации CH4, который содержится в газе, отбираемом продувкой из секции синтеза метанола по трубопроводу 9, и его конверсии в СО и СО2 в секции 2 первичной конверсии,
- возможность снижения потребления энергии за счет использования отбираемого из сепаратора водорода по трубопроводу 10 газа, по существу состоящего из H2, 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.
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, СО2, Н2 в стехиометрическом избытке и СН4, 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, СО2, Н2 в стехиометрическом избытке и СН4, в секцию 3 синтеза метанола, систему (например, обычный, не показанный на схеме регулирующий клапан) для удаления путем продувки из секции синтеза метанола содержащего СО, СО2, Н2 и СH4 газового потока, сепаратор 4 для выделения Н2 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, СО2, Н2 и СН4 газового потока в сепаратор 4 для выделения Н2 и получения первой газообразной фазы, по существу состоящей из Н2, и второй газообразной фазы, содержащей СО, СО2 и СН4 и по существу не содержащей Н2, устройство для рекуперации (позиции 11, 12) второй газообразной фазы, содержащей СО, СО2 и СН4 и по существу не содержащей Н2, и ее возврата в секцию 2 первичной конверсии.
Устройство (11, 12) для рекуперации второй газообразной фазы, содержащей СО, СО2 и СН4 и по существу не содержащей Н2, 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, СО2 и СН4 и по существу не содержащей Н2, 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.
Предлагаемая в изобретении установка для получения метанола способом, проиллюстрированным на прилагаемом к описанию чертеже, имеет сепаратор 1, предназначенный для выделения азота (N2) из природного газа до его подачи в секцию 2 первичной конверсии.
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 Н2 из отбираемого продувкой из секции синтеза 3 метанола газового потока, содержащего СО, СО2, Н2 и СH4, секцию синтеза метанола соединительными средствами, например обычным трубопроводом (позиция 9), соединяют с сепаратором 4 для выделения Н2 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, СО2 и CH4 и по существу не содержащей Н2, и предусматривают устройство для рекуперации (трубопроводы 11, 12) второй газообразной фазы, содержащей СО, СО2 и СН4 и по существу не содержащей Н2, и ее возврата обратно в секцию 2 первичной конверсии.
В предпочтительном варианте стадия, на которой предусматривают устройство для рекуперации (позиции 11, 12) второй газообразной фазы, содержащей СО, СО2 и СН4 и по существу не содержащей Н2, 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, СО2 и СН4 и по существу не содержащей Н2, 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.
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.
Реферат
Настоящее изобретение относится 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, CO2, H2 в стехиометрическом избытке и СН4, эту содержащую СО, CO2, H2 в стехиометрическом избытке и СН4 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, CO2, H2 и СH4 газовый поток, причем из отбираемого продувкой из секции синтеза метанола газового потока выделяют H2 с получением первой газообразной фазы, по существу состоящей из H2, и второй газообразной фазы, содержащей СО, CO2 и СН4 и по существу не содержащей H2, и рекуперируют вторую газообразную фазу, содержащую СО, CO2 и СН4 и по существу не содержащую H2, для ее использования в процессе конверсии в секции первичной конверсии, при этом до подачи природного газа в секцию первичной конверсии из природного газа предварительно удаляют азот, а также к установке для его осуществления. Предлагаемое изобретение позволяет получить целевой продукт с высокой производительностью при низких эксплуатационных расходах и капиталовложениях и небольшом потреблении энергии. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
