EA040722B1 - METHOD FOR PRODUCING METHANOL FROM GAS HYDROCARBONS - Google Patents
METHOD FOR PRODUCING METHANOL FROM GAS HYDROCARBONS Download PDFInfo
- Publication number
- EA040722B1 EA040722B1 EA202190789 EA040722B1 EA 040722 B1 EA040722 B1 EA 040722B1 EA 202190789 EA202190789 EA 202190789 EA 040722 B1 EA040722 B1 EA 040722B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- gas
- methanol
- synthesis
- produced
- process according
- Prior art date
Links
Description
Изобретение относится к способу производства метанола из газообразных углеводородов, таких как природный газ, попутный нефтяной газ, топливный газ, произведенный на нефтеперерабатывающем предприятии или на определенных химических предприятиях, или биогаз.The invention relates to a process for the production of methanol from gaseous hydrocarbons such as natural gas, associated petroleum gas, fuel gas produced in a refinery or certain chemical plants, or biogas.
Основная цель способа, к которому относится данная патентная заявка, представляет собой производство метанола в результате сокращения или исключения выбросов СО2 в атмосферу, и превращение того количества CO2, которое присутствует в газообразном углеводородном подаваемом исходном сырье, в метанол. Описанный и заявленный способ является в особенности хорошо подходящим для промышленных областей применения, обеспечивающих обработку углеводородных газов, обогащенных по СО2, где обыкновенный способ отделения и изъятия СО2 невозможен и невыгоден.The main purpose of the process to which this patent application relates is the production of methanol by reducing or eliminating CO2 emissions to the atmosphere, and converting the amount of CO2 present in the gaseous hydrocarbon feedstock into methanol. The process described and claimed is particularly well suited to industrial applications for the treatment of CO2 rich hydrocarbon gases where conventional CO2 separation and recovery is neither possible nor advantageous.
В настоящей патентной заявке все рабочие условия, включенные в текст, должны рассматриваться в качестве предпочтительных условий даже для случая отсутствия однозначного утверждения о таком.In this patent application, all operating conditions included in the text should be considered as preferred conditions, even if there is no unambiguous statement about it.
Для целей данного описания изобретения термины содержать или включать также включают термины состоять из или по существу состоять из.For the purposes of this specification, the terms comprise or include also include the terms consist of or essentially consist of.
Для целей данного описания изобретения определения диапазонов всегда будут включать граничные элементы, если только не будет указываться на другое.For the purposes of this specification, range definitions will always include boundary elements unless otherwise indicated.
Метанол (CH3OH) представляет собой бесцветную воспламеняемую жидкость и при температуре и давлении окружающей среды содержит меньше кислорода и больше водорода, чем любое другое жидкое оксигенированное топливо, содержащее один атом углерода. Это наиболее широко производимый и используемый товарный продукт химической промышленности. Его потребление в 2017 году составляло приблизительно 65 МТРА (миллионов тонн в год), а производственные возможности по выработке превосходят 70 МТРА (HIS Chemical 2014, Methanol Report). В химической промышленности используют приблизительно 90%, а оставшиеся 10% используют при производстве энергии.Methanol (CH3OH) is a colorless flammable liquid and, at ambient temperature and pressure, contains less oxygen and more hydrogen than any other liquid oxygenated fuel containing one carbon atom. It is the most widely produced and used commercial product of the chemical industry. Its consumption in 2017 was approximately 65 Mtpa (million tons per year), and the production capacity exceeds 70 Mtpa (HIS Chemical 2014, Methanol Report). Approximately 90% is used in the chemical industry and the remaining 10% is used in energy production.
Метанол также может быть использован и в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания, будучи смешанным с другими углеводородами, и данная возможность, мало использованная до настоящего времени, обнаруживает большой потенциал. Реакции синтеза метанола являются высокоэкзотермическими и в типичном случае имеют место при температурах в диапазоне между 250°С и 350°С и давлениях в диапазоне между 50 атм. и 100 атм. Термодинамическое равновесие накладывает ограничения на степень превращения за один проход, и для ее увеличения предприятия включают рециркуляционную петлю. Основные реакции, протекающие в реакторах для синтеза метанола, могут быть представлены уравнениями [1-3].Methanol can also be used as a fuel in internal combustion engines, mixed with other hydrocarbons, and this possibility, little used to date, shows great potential. The methanol synthesis reactions are highly exothermic and typically take place at temperatures in the range between 250°C and 350°C and pressures in the range between 50 atm. and 100 atm. Thermodynamic equilibrium imposes restrictions on the degree of conversion in one pass, and to increase it, enterprises include a recirculation loop. The main reactions occurring in reactors for the synthesis of methanol can be represented by equations [1-3].
СО2 + 3 Н2 = СНзОН + Н2О ΔΗ°= - 41 кДж/моль [ 1 ]CO 2 + 3 H 2 \u003d CH3OH + H 2 O ΔΗ ° \u003d - 41 kJ / mol [ 1 ]
СО + 2 Н2 = СНзОН ΔΗ°= - 91 кДж/моль [2]CO + 2 H 2 \u003d CH3OH ΔΗ ° \u003d - 91 kJ / mol [2]
СО2 + Н2 = СО + Н2О ΔΗ°= 41 кДж/моль [3]CO 2 + H 2 \u003d CO + H 2 O ΔΗ ° \u003d 41 kJ / mol [3]
Как это можно видеть, СО2 представляет собой реагент в способах синтеза метанола, но для осуществления способа при высоких выходах композиция синтез-газа должна сохранять соотношение М=(Н2СО2)/(СО2+СО) ([4]) на уровне значений, близких к 2 (об./об.), чтобы избежать возникновения низких степеней превращения за один проход и высоких объемов продувочного газа в рециркуляционной петле. В дополнение к этому, также требуется высокое соотношение СО/СО2 для сведения к минимуму образования побочных продуктов (например, CH4).As can be seen, CO 2 is a reagent in methanol synthesis processes, but in order to carry out the process at high yields, the synthesis gas composition must maintain the ratio M=(H 2 CO 2 )/(CO 2 +CO) ([4]) by close to 2 (v/v) to avoid low conversions per pass and high purge gas volumes in the recycle loop. In addition to this, a high CO/CO 2 ratio is also required to minimize the formation of by-products (eg CH4).
Существует множество технологических схем для производства метанола, которые интегрируют секции для производства синтез-газа, конверсии водяного газа, синтеза метанола, адсорбции при переменном давлении (Pressure Swing Adsorption) (PSA) и разделения и очищения продуктов.There are many flowsheets for methanol production that integrate sections for syngas production, water gas shift, methanol synthesis, Pressure Swing Adsorption (PSA), and separation and purification of products.
В диссертации Methanol Production via Short Contact Time - Catalytic Partial Oxidation (Faculty of Civil and Industrial Engineering; Master's Degree Course in Chemical Engineering, Rome, Federica Scire; 1420915, A/A 2014/2015) описывается технологическая схема, указанная на фигуре 4 и в типичном случае используемая для крупнотоннажных предприятий, использующих природный газ в качестве углеводородного исходного сырья, (5000 MTPG; CHEMSYSTEM PERP PROGRAM Methanol: 2012-5; 2013; A. Yang, Y.L. Song).The thesis Methanol Production via Short Contact Time - Catalytic Partial Oxidation (Faculty of Civil and Industrial Engineering; Master's Degree Course in Chemical Engineering, Rome, Federica Scire; 1420915, A/A 2014/2015) describes the process flow shown in figure 4 and typically used for large scale plants using natural gas as hydrocarbon feedstock (5000 MTPG; CHEMSYSTEM PERP PROGRAM Methanol: 2012-5; 2013; A. Yang, Y.L. Song).
В данном способе предлагаются:This method offers:
1) производство О2 (500) при использовании установки для разделения воздуха (ASU);1) production of O 2 (500) using an air separation unit (ASU);
2) десульфурирование и удаление СО2 из природного газа (100, SEPDES);2) desulfurization and removal of CO 2 from natural gas (100, SEPDES);
3) конденсирование и стабилизирование жидких углеводородов (300, STAB);3) condensation and stabilization of liquid hydrocarbons (300, STAB);
4) предварительное нагревание углеводородного исходного сырья до приблизительно 550-600°С (SYNGEN);4) preheating the hydrocarbon feedstock to about 550-600° C. (SYNGEN);
5) способ предварительного риформинга (SYNGEN);5) pre-reforming process (SYNGEN);
6) производство синтез-газа при использовании реактора для автотермического риформинга (ATR,6) production of synthesis gas using an autothermal reforming reactor (ATR,
SYNGEN) в соответствии с реакциями [5-7]:SYNGEN) in accordance with the reactions [5-7]:
сн4 + 3/2 о2 = со + 2 н2оsn 4 + 3/2 o 2 \u003d co + 2 n 2 o
СН4 + Н2О = СО + 3 н2 со + н2о = со2 + н2 CH 4 + H 2 O \u003d CO + 3 n 2 co + n 2 o \u003d co 2 + n 2
ΔΗ°= - 520 кДж/моль [5]ΔΗ°= - 520 kJ/mol [5]
ΔΗ°= 206 кДж/моль [6]ΔΗ°= 206 kJ/mol [6]
ΔΗ°= - 41 кДж/моль [7]ΔΗ°= - 41 kJ/mol [7]
Также предлагается подстраивание композиции синтез-газа для достижения значения М, состав- 1 040722 ляющего приблизительно 2 (об./об.), при использовании установки для удаления CO2 или установки адсорбции при переменном давлении (PSA). В данной последней установке разделяют поток чистого вещества H2 (800) из аликвоты рециркулирующего газа из петли для синтеза метанола, которое повторно вводят в синтез-газ, и поток продувочного газа, содержащего в основном СО и CO2 (900), что сжигают для производства энергии. Синтез-газ, характеризующийся значением М, составляющим приблизительно 2 (об./об.), компримируют от давления, в типичном случае близкого к 30 атм, до значений в диапазоне 60100 атм, которые являются подходящими для синтеза метанола. Синтез метанола (МеОН) проводится в соответствии с реакциями [1-3]. Конденсат отделяют, а непрореагировавший синтез-газ отправляют на рециркулирование. Диаграмма на фиг. 4 включает блок для очищения произведенного метанола (PUR) и блок для хранения произведенного метанола (STOR).It is also proposed to adjust the syngas composition to achieve an M value of approximately 2 (v/v) using a CO2 removal unit or a pressure swing adsorption (PSA) unit. This last unit separates a pure H2 stream (800) from an aliquot of recycle gas from the methanol synthesis loop, which is reintroduced into the synthesis gas, and a purge gas stream containing mainly CO and CO2 (900), which is combusted for power generation. . Synthesis gas having an M value of about 2 (v/v) is compressed from a pressure typically close to 30 atm to values in the range of 60 to 100 atm, which are suitable for methanol synthesis. The synthesis of methanol (MeOH) is carried out in accordance with the reactions [1-3]. The condensate is separated and the unreacted synthesis gas is recycled. The diagram in Fig. 4 includes a produced methanol purification unit (PUR) and a produced methanol storage unit (STOR).
Данная схема обеспечивает наличие трех точек, в которых выделяется CO2:This scheme ensures that there are three points at which CO2 is released:
(a) в установке, удаляющей CO2 из сырьевого природного газа или других источников углеводородов, которые могут быть использованы, (например, попутного нефтяного газа, топливного газа, произведенного в контурах нефтеперерабатывающего предприятия или от других химических предприятий, биогаз);(a) in a plant that removes CO2 from natural gas feedstocks or other hydrocarbon sources that may be used (for example, associated petroleum gas, fuel gas produced in refinery circuits or from other chemical plants, biogas);
(b) в печах для предварительного нагревания реагентов, подаваемых в секцию для производства синтез-газа; и (c) в секции для регулирования состава синтез-газа в целях достижения значений М =2 (об./об.) в подаваемом исходном сырье для синтеза метанола.(b) in ovens for preheating reactants fed into the synthesis gas section; and (c) in a section for adjusting the composition of the synthesis gas in order to achieve M = 2 (v/v) values in the methanol synthesis feedstock.
Таким образом, в случае рассмотрения потребления электричества в установке ASU для производства кислорода, вычисление количества выбросов CO2 на единицу произведенного метанола также должно учитывать выбросы, связанные с работой данной установки.Thus, when considering the electricity consumption of an ASU oxygen plant, the calculation of the amount of CO2 emissions per unit of methanol produced must also take into account the emissions associated with the operation of this plant.
Выбросы СО2 являются еще более значительными для предприятий, на которых для производства синтез-газа используют паровой риформинг (SR), поскольку в данном случае выбросы из печи для риформинга, требуемой для снабжения теплом сильно эндотермических реакций парового риформинга, являются еще более значительными, как это можно видеть исходя из реакций [8-9].CO2 emissions are even more significant for plants that use steam reforming (SR) to produce synthesis gas, since in this case the emissions from the reformer required to supply heat for highly endothermic steam reforming reactions are even more significant, as is can be seen from the reactions [8-9].
СН4 + Н2О = СО + 3 Н2 CH 4 + H 2 O \u003d CO + 3 H 2
ΔΗ°=ΔΗ°=
СН4 + СО2 = СО + 2 Н2 CH 4 + CO 2 \u003d CO + 2 H 2
ΔΗ°=ΔΗ°=
СН4 + 1/2 О2 = СО + Н2 CH 4 + 1/2 O 2 \u003d CO + H 2
ΔΗ°=ΔΗ°=
206 кДж/моль [8]206 kJ/mol [8]
247 кДж/моль [9]247 kJ/mol [9]
-38 кДж/моль [10]-38 kJ/mol [10]
В диссертации Methanol Production via Short Contact Time - Catalytic Partial Oxidation (Faculty of Civil and Industrial Engineering; Master's Degree Course in Chemical Engineering, Rome, Federica Scire; 1420915, A/A 2014/2015) также описывается технологическая схема, продемонстрированная на фиг. 3.The thesis Methanol Production via Short Contact Time - Catalytic Partial Oxidation (Faculty of Civil and Industrial Engineering; Master's Degree Course in Chemical Engineering, Rome, Federica Scire; 1420915, A/A 2014/2015) also describes the process flow shown in FIG. 3.
В данном документе также количественно охарактеризованы сокращения выбросов в способах при использовании технологии SCT-CPO при производстве метанола и подаваемого исходного сырья в виде природного газа, содержащего от 0,5 до 30,0% (об./об.) СО2.This document also quantifies the emission reductions in SCT-CPO processes in the production of methanol and a natural gas feedstock containing 0.5 to 30.0% (v/v) CO 2 .
Для случая объединения возможностей, предлагаемых технологией SCT-CPO, с возможностями, предлагаемыми системами для электролиза воды, получают технологические решения, которые делают возможным, прежде всего, избежать огромных количеств выбросов CO2, и которые также потребляют соответствующее их количество, содержащееся в природном газе или в общем случае в любом углеводородном газообразном подаваемом исходном сырье, содержащем CO2, таком как биогаз, попутный нефтяной газ, некоторые газы от нефтеперерабатывающих предприятий и продувочные газы от некоторых промышленных способов.For the case of combining the possibilities offered by SCT-CPO technology with the possibilities offered by water electrolysis systems, technological solutions are obtained that make it possible, above all, to avoid huge amounts of CO2 emissions, and which also consume a corresponding amount of them contained in natural gas or generally in any hydrocarbon gaseous feedstock containing CO2, such as biogas, associated petroleum gas, some gases from refineries and purge gases from some industrial processes.
Поэтому данные решения могут замещать или дополнять соответствующие решения, в настоящее время используемые на газовых месторождениях, характеризующихся высоким уровнем содержания CO2, такие как аминовое отмывание и повторное нагнетание в месторождения, которые все еще способны вмещать это, или в месторождения, где повторное нагнетание обеспечивает возможность проведения операций в рамках методов повышения нефтеотдачи (EOR).Therefore, these solutions may replace or supplement the corresponding solutions currently used in high CO2 gas fields, such as amine scrubbing and re-injection in fields that are still able to accommodate it, or in fields where re-injection provides the opportunity carrying out operations within the framework of enhanced oil recovery (EOR) methods.
Как это важно отметить на данный момент, одну точку выброса CO2 в способах синтеза метанола можно избежать при использовании запатентованной технологии SCT-CPO, в которой не требуются ни печи для предварительного нагревания реагентного подаваемого исходного сырья, ни даже установки для предварительного риформинга газообразного углеводородного исходного сырья (фиг. 3). Химический механизм, лежащий в основе способов SCT-CPO, был описан во множестве документов в литературе и в своей основе по существу имеет два основных уравнения [10] и [7].As it is important to note at this point, one point of CO2 emission in methanol synthesis processes can be avoided using the patented SCT-CPO technology, which does not require ovens to preheat the reactant feedstock, nor even a gaseous hydrocarbon feedstock pre-reformer. (Fig. 3). The chemical mechanism underlying the SCT-CPO methods has been described in numerous documents in the literature and essentially has two basic equations [10] and [7] at its core.
В патентных заявках WO 2016/016251, WO 2016/016253, WO 2016/016256 и WO 2016/016257 были описаны интегрированные способы, использующие технологию каталитического неполного окисления при коротком времени контактирования.Patent applications WO 2016/016251, WO 2016/016253, WO 2016/016256 and WO 2016/016257 have described integrated processes using catalytic partial oxidation technology with short contact times.
В целях преодоления недостатков и ограничений, известных на современном уровне техники, заявитель обнаружил способ производства метанола из газообразных углеводородов, таких как природный газ, попутный нефтяной газ из нефтяных месторождений, топливный газ, произведенный на нефтеперерабатывающих предприятиях и некоторых химических предприятиях, и биогаз. Данный способ интегрирует производство синтез-газа, электролиз воды и синтез метанола, чтобы избежать выбросов CO2 и дляIn order to overcome the shortcomings and limitations known in the state of the art, the Applicant has discovered a process for the production of methanol from gaseous hydrocarbons such as natural gas, associated petroleum gas from oil fields, fuel gas produced in refineries and some chemical plants, and biogas. The process integrates syngas production, water electrolysis and methanol synthesis to avoid CO2 emissions and to
- 2 040722 потребления CO2, присутствующего в газообразных углеводородах.- 2 040722 consumption of CO2 present in gaseous hydrocarbons.
Целью настоящей патентной заявки является способ производства метанола из газообразных углеводородов, который включает следующие далее стадии:The purpose of this patent application is a process for the production of methanol from gaseous hydrocarbons, which includes the following steps:
a) обработка упомянутых газообразных углеводородов в установке для десульфурирования в целях производства десульфурированного газообразного углеводорода;a) treating said gaseous hydrocarbons in a desulfurization plant to produce a desulfurized gaseous hydrocarbon;
b) взаимодействие указанного десульфурированного газа с окисляющим потоком посредством реакции каталитического неполного (частичного) окисления с коротким временем контакта с получением синтез-газа;b) reacting said desulfurized gas with an oxidizing stream via a catalytic partial oxidation reaction with a short contact time to produce synthesis gas;
c) производство водорода в результате электролиза воды;c) hydrogen production from water electrolysis;
d) смешивание и компримирование синтез-газа и водорода; иd) mixing and compressing synthesis gas and hydrogen; And
e) отправление упомянутой компримированной смеси в установку для синтеза метанола для производства метанола.e) sending said compressed mixture to a methanol synthesis plant to produce methanol.
В выгодном случае при использовании описанного и заявленного способа возможными являются интегрирование или полное замещение производства H2, полученного из установки адсорбции при переменном давлении (PSA), которая в типичном случае включается в схемы для синтеза метанола, известные на современном уровне техники. Установка PSA имеет функцию отделения потока чистого H2 высокого давления от продувочного потока, обогащенного по CO2 и СО, который удаляют и в типичном случае сжигают, в то время как водород повторно нагнетают в рециркулирование для синтеза метанола.Advantageously, using the described and claimed process, it is possible to integrate or completely replace the production of H2 obtained from a pressure swing adsorption (PSA) unit, which is typically included in methanol synthesis circuits known in the state of the art. The PSA unit has the function of separating the high pressure pure H2 stream from the CO2 and CO enriched purge stream, which is removed and typically combusted while hydrogen is re-injected into the methanol synthesis recycle.
H2 смешивают с синтез-газом для корректирования композиции подаваемого исходного сырья в целях получения соотношения (H2 - СО2)/(СО + CO2), близкого к 2 (об./об.).H 2 is mixed with synthesis gas to adjust the composition of the supplied feedstock in order to obtain a ratio of (H2 - CO 2 )/(CO + CO2) close to 2 (vol./vol.).
Поскольку способ PSA производит поток H2 высокого давления и продувочный газ низкого давления, содержащий CO2 и СО, что в типичном случае сжигают, его неполное или полное замещение системой для электролиза воды в целях производства H2 делает возможным избегание сопутствующих выбросов СО2.Since the PSA process produces a high pressure H2 stream and a low pressure purge gas containing CO2 and CO, which is typically combusted, its partial or complete replacement by a water electrolysis system to produce H2 makes it possible to avoid associated CO2 emissions.
В результате использования технологии неполного каталитического окисления при коротком времени контактирования (SCT-CPO), в частности, технологии SCT-CPO, которой владеет компания Eni S. р. А., возможно избежать использования печей для предварительного нагревания подаваемого исходного сырья, которые производили бы СО2, при использовании вместо этого газо-газовых теплообменников, использующих отработанное тепло от способа, описанного и заявленного в настоящем документе. Дополнительным преимуществом является возможность подбора размеров установки для электролиза воды в целях получения доступности не только к водороду, но также к кислороду, необходимым для способа производства синтез-газа, что, таким образом, замещает как установки PSA, так и установки для разделения воздуха (ASU).As a result of using Catalytic Incomplete Oxidation with Short Contact Time (SCT-CPO) technology, in particular the SCT-CPO technology owned by Eni S. p. A., it is possible to avoid the use of feed preheating ovens that would produce CO 2 by using instead gas-to-gas heat exchangers using waste heat from the process described and claimed herein. An additional advantage is the possibility of sizing the water electrolysis plant in order to obtain access not only to the hydrogen, but also to the oxygen required for the synthesis gas production process, thus replacing both PSA and air separation units (ASUs). ).
Если газообразные углеводороды содержат значительные количества CO2, например, более, чем 5% (об.), описанный и заявленный способ обеспечивает возможность конверсии диоксида углерода в метанол, расходуя его.If gaseous hydrocarbons contain significant amounts of CO2, for example, more than 5% (vol.), the described and claimed method allows the conversion of carbon dioxide to methanol, consuming it.
Электрическая энергия, требуемая для реакции электролиза, может быть получена из различных источников и, в частности:The electrical energy required for the electrolysis reaction can be obtained from various sources and in particular:
i) в результате расширения отводимого технологического водяного пара внутри паровой турбины, ii) из возобновляемых источников.i) as a result of the expansion of vented process steam inside the steam turbine, ii) from renewable sources.
Поэтому полный описанный и заявленный способ обеспечивает возможность исключения или значительного сокращения выбросов парниковых газов (парниковых газов или ПГ), а, в частности, диоксида углерода, что делает его экологически безопасным.Therefore, the complete described and claimed method provides the possibility of eliminating or significantly reducing emissions of greenhouse gases (greenhouse gases or GHGs), and in particular carbon dioxide, which makes it environmentally friendly.
Помимо этого, если в описанном и заявленном способе используются газообразные углеводороды, характеризующиеся высоким уровнем содержания CO2, таких как биогаз, возможным является производство метанола, который может быть рассмотрен в качестве усовершенствованного топлива для использования в двигателях внутреннего сгорания.In addition, if gaseous hydrocarbons having a high level of CO2 content, such as biogas, are used in the described and claimed process, it is possible to produce methanol, which can be considered as an improved fuel for use in internal combustion engines.
Технологическое решение, описанное в настоящем документе, также делает возможным соответствующее увеличение производительности по метанолу при том же самом потреблении углеводородного подаваемого исходного сырья и кислорода, что почти что удваивает ее, когда содержание CO2 в газообразных углеводородах составляет 30% (об./об.).The process described herein also allows a corresponding increase in methanol production with the same consumption of hydrocarbon feedstock and oxygen, almost doubling it when the CO 2 content of gaseous hydrocarbons is 30% (vol./vol. ).
Поэтому описанный и заявленный способ может обеспечивать переработку углеводородных потоков, даже характеризующихся высоким уровнем содержания CO2, (превращая его в метанол) в результате интегрирования уже доступных технологических решений, таких как реакторы для производства синтез-газа, реакторы для конверсии водяного газа, установки для электролиза, реакторы для синтеза метанола и ступени для разделения и очищения.Therefore, the process described and claimed can process hydrocarbon streams, even those with high levels of CO 2 , (turning it into methanol) by integrating already available technological solutions, such as reactors for the production of synthesis gas, reactors for water gas shift, installations for electrolysis, methanol synthesis reactors and separation and purification stages.
Описанный и заявленный способ предлагается в качестве технологического выбора, который потребляет, сокращает или исключает СО2, в противоположность решениям, использующимся в настоящее время, при которых CO2 изымают и повторно нагнетают в месторождения кислого газа, возвращая его обратно в циркулирование, никогда не устраняя его.The method described and claimed is proposed as a process choice that consumes, reduces or eliminates CO2, as opposed to the solutions currently used where CO2 is removed and reinjected into acid gas fields, putting it back into circulation without ever eliminating it.
Как это также было продемонстрировано, даже если использованные углеводородные реагенты содержат маленькие объемы CO2, описанный и заявленный способ обеспечивает возможность производст- 3 040722 ва метанола при намного меньших выбросах парникового газа в сопоставлении с тем, что имеет место в способах на известном уровне техники. Данный результат становится возможным в результате использования технологии каталитического неполного окисления при коротком времени контактирования (SCTCPO) и электролиза воды в технологических схемах, приводящих к синтезу метанола. Описанный и заявленный способ также обеспечивает возможность использования как источников газообразных углеводородов, имеющих биологическое происхождение, (например, биогаза) в качестве подаваемого исходного сырья для секции для производства синтез-газа, так и источников возобновляемой энергии для выработки электричества в целях подачи ее в процесс электролиза, что улучшает экологическую безопасность производственных способов, приводящих к производству метанола.As has also been demonstrated, even if the hydrocarbon reactants used contain small volumes of CO2, the described and claimed process allows the production of methanol with much lower greenhouse gas emissions than prior art processes. This result is made possible by the use of short contact time catalytic partial oxidation (SCTCPO) technology and water electrolysis in flowsheets leading to methanol synthesis. The described and claimed method also allows the use of both sources of gaseous hydrocarbons of biological origin (for example, biogas) as a feedstock for the section for the production of synthesis gas, and renewable energy sources for generating electricity in order to supply it to the electrolysis process. , which improves the environmental safety of production methods leading to the production of methanol.
В заключение, описанный и заявленный способ обеспечивает возможность некоторых технологических упрощений с инженерной точки зрения, поскольку введение установки для электролиза допускает возможность производства Н2 и О2 в рамках операции одной установки, и установки PSA и ASU могут быть замещены.In conclusion, the method described and claimed allows some technological simplifications from an engineering point of view, since the introduction of an electrolysis plant allows the production of H 2 and O 2 within a single plant operation, and the PSA and ASU plants can be replaced.
В частности, как это отмечают заявители, способ ASU для воздуха является энергонапряженным способом, который не может быть всегда оптимально интегрирован в синтез метанола. Собственно говоря, совместно с O2 способ ASU производит потоки N2, Ar, Не и Ne, которые вносят свой вклад в его технико-экономическую обоснованность. Однако данные газообразные продукты на выходе из способа не могут быть всегда улучшены по качеству (в частности, в контексте добычи нефти и газа). Использование электролизера обеспечивает возможность производства как H2, так и О2, характеризующиеся очень высокой степенью чистоты, и не требует проведения операций, относящихся к повышению качества других газов, которые совместно производят в способе ASU. Использование H2, произведенного в результате электролиза, позволяет уменьшить или полностью исключить потребность в рециркулирующем продувании при синтезе метанола и значительно увеличить выход метанола в расчете на объем потребляемых газообразного углеводорода и кислорода.In particular, as the applicants point out, the ASU process for air is an energy-intensive process that cannot always be optimally integrated into methanol synthesis. In fact, together with O2, the ASU process produces N2, Ar, He, and Ne streams that contribute to its feasibility. However, these gaseous products at the outlet of the process cannot always be improved in quality (particularly in the context of oil and gas production). The use of an electrolytic cell allows the production of both H2 and O2 in very high purity and does not require steps to improve the quality of the other gases that are co-produced in the ASU process. The use of H2 produced from electrolysis reduces or completely eliminates the need for recirculating purge in the synthesis of methanol and significantly increases the yield of methanol based on the amount of hydrocarbon gas and oxygen consumed.
Дополнительные цели и преимущества настоящего изобретения станут более ясными при использовании следующего далее описания изобретения и прилагающихся фигур, представленных исключительно в качестве примеров, а не в качестве ограничений описания способа, вместо иллюстрирования предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.Additional objects and advantages of the present invention will become clearer by using the following description of the invention and the accompanying figures, presented solely as examples and not as limitations of the description of the method, instead of illustrating the preferred embodiments of the present invention.
На фиг. 1 иллюстрируется один предпочтительный вариант осуществления, соответствующий настоящему изобретению, в котором (А) представляет собой установку для неполного каталитического окисления при коротком времени контактирования, в которую подают уже десульфурированный газообразный углеводород (1), предпочтительно природный газ, рециркулирующий поток из синтеза метанола (2), кислород, характеризующийся 99,9%-ной высокой степенью чистоты, (3), перегретый водяной пар (4); (В) представляет собой установку для конверсии водяного газа, в которую подают часть произведенного синтез-газа (5), в то время как оставшуюся часть (6) смешивают со смесью из водорода и диоксида углерода (7) и отправляют в двухфазный сепаратор (С), в котором воду конденсируют (10), в то время как отделенный верхний продукт представляет собой синтез-газ (8). Упомянутый синтез-газ (8) смешивают с водородом (19), полученным в результате электролиза воды (D). Получающуюся в результате смесь компримируют в (C1) и смешивают с рециркулирующим газом (13) до подачи в установку для синтеза метанола (Е). Продукт синтеза (12) разделяют (F и G) для получения рециркулирующего газа (2), сырого метанола (18) и побочных продуктов в водном растворе и в форме водяного пара (17). Из рециркулирующего газа (14) извлекают маленькое количество продувочного газа (15), а часть (13) компримируют в (С2) в целях обратного отправления в установку для синтеза метанола, в то время как вторую неосновную часть (2) отправляют обратно в реактор для производства синтез-газа.In FIG. 1 illustrates one preferred embodiment according to the present invention in which (A) is a short contact time catalytic partial oxidation plant fed with already desulfurized gaseous hydrocarbon (1), preferably natural gas, a recycle stream from methanol synthesis (2 ), 99.9% high purity oxygen (3), superheated steam (4); (B) is a water gas shift unit, into which part of the produced synthesis gas (5) is fed, while the remainder (6) is mixed with a mixture of hydrogen and carbon dioxide (7) and sent to a two-phase separator (C ) in which water is condensed (10) while the separated top product is synthesis gas (8). Said synthesis gas (8) is mixed with hydrogen (19) obtained from the electrolysis of water (D). The resulting mixture is compressed in (C1) and mixed with recycle gas (13) before being fed to the methanol synthesis unit (E). The synthesis product (12) is separated (F and G) to obtain recycle gas (2), crude methanol (18) and by-products in aqueous solution and in the form of steam (17). A small amount of purge gas (15) is recovered from the recycle gas (14) and part (13) is compressed into (C2) to be sent back to the methanol synthesis unit, while the second minor part (2) is sent back to the reactor for production of synthesis gas.
На фиг. 2 иллюстрируется один предпочтительный вариант осуществления, соответствующий настоящему изобретению, в котором используют конфигурацию с фиг. 1, но в дополнение к этому присутствует установка для адсорбции при переменном давлении или PSA (H), которая отделяет водород (20), производя сбросные газы при наличии выбросов CO2 (21). В установку PSA подают часть рециркулирующего потока, вырабатываемого при синтезе метанола (22). Данная схема может быть использована в основном на крупнотоннажных предприятиях или когда по техническим и/или экономическим причинам доступно недостаточное количество электрической энергии для снабжения энергией процессов электролиза.In FIG. 2 illustrates one preferred embodiment of the present invention using the configuration of FIG. 1, but in addition there is a pressure swing adsorption or PSA (H) unit that separates hydrogen (20) producing waste gases in the presence of CO2 emissions (21). The PSA unit is fed a portion of the recycle stream generated from the methanol synthesis (22). This scheme can be used mainly in large-scale enterprises or when, for technical and/or economic reasons, an insufficient amount of electrical energy is available to supply energy to the electrolysis processes.
На фиг. 3 демонстрируется интегрированный способ синтеза метанола, соответствующий современному уровню техники. На фиг. 3 опять-таки демонстрируется конфигурация с фиг. 1 и 2, где вместо установки для электролиза воды используется установка для адсорбции при переменном давлении, вырабатывающая сбросные газы (отходящие газы) при наличии выбросов диоксида углерода (21).In FIG. 3 shows an integrated methanol synthesis process according to the state of the art. In FIG. 3 again shows the configuration of FIG. 1 and 2, where a pressure swing adsorption plant is used instead of a water electrolysis plant, generating waste gases (off-gases) in the presence of carbon dioxide emissions (21).
На фиг. 4 демонстрируется общая диаграмма технологических установок, требуемых для производства метанола в соответствии с известным уровнем техники, уже прежде описанным в тексте. Способ, который представляет собой предмет данной патентной заявки в отношении производства метанола из газообразных углеводородов, таких как природный газ, попутный нефтяной газ, топливный газ, произведенный на нефтеперерабатывающем предприятии или конкретных химических предприятиях, или биогаз, теперь будет описываться подробно, опять-таки при обращении к фиг. 1 и фиг. 2.In FIG. 4 shows a general diagram of the process plants required for the production of methanol in accordance with the prior art, already previously described in the text. The method which is the subject of this patent application in relation to the production of methanol from gaseous hydrocarbons such as natural gas, associated petroleum gas, fuel gas produced in a refinery or specific chemical plants, or biogas, will now be described in detail, again under referring to FIG. 1 and FIG. 2.
- 4 040722- 4 040722
Газообразные углеводороды подают в установку для десульфурирования для уменьшения или исключения содержания соединений серы и, таким образом, производства десульфурированного газообразного углеводорода. Десульфурированный газ (1) смешивают с окисляющим потоком (3), выбранным из чистого кислорода, воздуха или воздуха, обогащенного по кислороду, и отправляют в установку для каталитического неполного окисления, где проводится реакция каталитического неполного окисления при коротком времени контактирования (А) для производства синтез-газа (5). К десульфурированному газу и окисляющему потоку (4) может быть добавлен перегретый водяной пар. Таким образом полученные потоки могут быть, кроме того, предварительно нагреты, используя водяной пар, полученный путем охлаждения синтез-газа или технологических потоков из других установок, используя теплообменники с теплообменом между газами.The gaseous hydrocarbons are fed to a desulfurization unit to reduce or eliminate the content of sulfur compounds and thus produce a desulfurized gaseous hydrocarbon. The desulphurized gas (1) is mixed with an oxidizing stream (3) selected from pure oxygen, air or oxygen-enriched air and sent to a catalytic partial oxidation plant, where a catalytic partial oxidation reaction is carried out with a short contact time (A) to produce synthesis gas (5). Superheated steam may be added to the desulfurized gas and oxidizing stream (4). The streams thus obtained can furthermore be preheated using steam obtained by cooling synthesis gas or process streams from other plants using gas-to-gas heat exchangers.
Произведенный синтез-газ можно частично обработать в установке для конверсии водяного газа (В), в которую подают поток водяного пара (9), получая таким образом смесь из водорода и диоксида углерода (7). Полученный синтез-газ (5) охлаждают и отправляют в сепаратор (С) для конденсирования воды (10).The synthesis gas produced can be partially processed in a water gas shifter (B) to which a steam stream (9) is fed, thus obtaining a mixture of hydrogen and carbon dioxide (7). The obtained synthesis gas (5) is cooled and sent to the separator (C) for water condensation (10).
Установка для электролиза воды (D) производит водород (19). Произведенный синтез-газ без сконденсированной воды смешивают с упомянутым водородом и компримируют (C1).The water electrolysis plant (D) produces hydrogen (19). The produced synthesis gas without condensed water is mixed with said hydrogen and compressed (C1).
Смесь из водорода и диоксида углерода, произведенная в результате конверсии водяного газа, также охлаждают и отправляют в сепаратор (С) для отделения конденсационной воды (10). После этого данный поток (8) может быть смешан с водородом, произведенным в результате электролиза, а после этого компримирован (C1). H2, произведенный электролизом, смешивают с синтез-газом (8) для корректирования состава подаваемого исходного сырья в установку для синтеза метанола для получения соотношения (H2 - СО2)/(СО + CO2) равного 2 (об./об.).The mixture of hydrogen and carbon dioxide produced by the water gas shift is also cooled and sent to a separator (C) to separate the condensation water (10). After that, this stream (8) can be mixed with hydrogen produced by electrolysis, and then compressed (C1). H2 produced by electrolysis is mixed with synthesis gas (8) to adjust the composition of the feedstock to the methanol synthesis unit to obtain a ratio of (H2 - CO 2 )/(CO + CO2) equal to 2 (vol./vol.).
После компримирования газообразную смесь подают в установку для синтеза метанола (Е) для производства отходящего продукта (12), который впоследствии разделяют (F и G) для получения рециркулирующего газа (2), неочищенного метанола (18) и примесей, состоящих из водных конденсатов и веществ, растворенных в них (17). Рецирулирующий газ может быть частично (2) подан в установку для каталитического неполного окисления при коротком времени контактирования, помимо продувочного газа (15), а оставшуюся часть компримируют (14, С2) и отправляют на рециркулирование (13) в установку для синтеза метанола.After compression, the gaseous mixture is fed to a methanol synthesis unit (E) to produce an effluent (12) which is subsequently separated (F and G) to obtain recycle gas (2), crude methanol (18) and impurities consisting of aqueous condensates and substances dissolved in them (17). The recycle gas can be partly (2) fed into the catalytic partial oxidation plant with a short contact time, in addition to the purge gas (15), and the remainder is compressed (14, C2) and recycled (13) to the methanol synthesis plant.
В реакторе SCT-CPO производят синтез-газ при температурах в диапазоне 650-1050°С, который затем охлаждают. Поэтому возможным является использование тепла, содержащегося в синтез-газе, для производства водяного пара, необходимого для предварительного нагревания реагентов в результате охлаждения синтез-газа в теплообменных устройствах. Синтез-газ предпочтительно может быть охлажден до менее, чем 350°С, производя водяной пар, необходимый для предварительного нагревания реагентов и подачи в реактор SCT-CPO.The SCT-CPO reactor produces synthesis gas at temperatures in the range of 650-1050°C, which is then cooled. Therefore, it is possible to use the heat contained in the synthesis gas to produce water vapor necessary for preheating the reactants by cooling the synthesis gas in heat exchangers. The synthesis gas can preferably be cooled to less than 350° C., producing the steam needed to preheat the reactants and feed into the SCT-CPO reactor.
В способе, который представляет собой цель настоящей патентной заявки, также может иметься и установка для адсорбции при переменном давлении или PSA (фиг. 2, Н), которая отделяет водород от газа на входе при давлении контура рециркуляции в установке синтеза метанола (20) с выбросом CO2 при низком давлении, обычно атмосферном (21). В установку PSA подают часть рециркулирующего газа (22), полученного в результате отделения отходящего продукта реакции от метанола.In the process which is the object of this patent application, there may also be a pressure swing adsorption or PSA unit (FIG. 2, H) which separates hydrogen from the inlet gas at the pressure of the recycle loop in the methanol synthesis unit (20) with emission of CO2 at low pressure, usually atmospheric (21). The PSA unit is supplied with part of the recycle gas (22) obtained by separating the effluent from the methanol.
Рабочие условия, в которых способны функционировать технология каталитического неполного окисления при коротком времени контактирования (SCT-CPO) и способ синтеза метанола, приводятся в публикации: Methanol Production via Short Contact Time - Catalytic Partial Oxidation; Thesis by F. Scire; Faculty of Civil and Industrial Engineering; Master of Science in Chemical Engineering (A/A 2014/2015).The operating conditions under which catalytic partial oxidation short contact time (SCT-CPO) technology and the methanol synthesis process are able to operate are given in the publication: Methanol Production via Short Contact Time - Catalytic Partial Oxidation; Thesis by F. Scire; Faculty of Civil and Industrial Engineering; Master of Science in Chemical Engineering (A/A 2014/2015).
Реакция SCT-CPO может протекать при соотношениях О2/С (моли кислорода/моли углерода, присутствующего в подаваемом исходном сырье, исключая СО2) в диапазоне между 0,15 и 0,70 (моль/моль), предпочтительно между 0,45 и 0,65 (моль/моль), более предпочтительно между 0,5 и 0,6 (моль/моль).The SCT-CPO reaction can proceed at ratios of O 2 /C (moles of oxygen/moles of carbon present in the feedstock, excluding CO2) in the range between 0.15 and 0.70 (mol/mol), preferably between 0.45 and 0.65 (mol/mol), more preferably between 0.5 and 0.6 (mol/mol).
Реакция SCT-СРО может протекать при соотношениях водяной пар/С (моли молекул воды/моли атомов углерода, за исключением CO2, присутствующих в подаваемом исходном сырье) в диапазоне между 0,01 (моль/моль) и 3,5 (моль/моль), предпочтительно между 0,5 и 2,4 (моль/моль).The SCT-CPO reaction can proceed at steam/C ratios (moles of water molecules/moles of carbon atoms, excluding CO 2 present in the feedstock) in the range between 0.01 (mol/mol) and 3.5 (mol/mol/ mol), preferably between 0.5 and 2.4 (mol/mol).
В дополнение к этому, углеводородное подаваемое исходное сырье может характеризоваться уровнями объемного содержания CO2 в диапазоне между 0 и 70%, предпочтительно между 0,5 и 50%, а более предпочтительно между 0,5 и 45%, (об.).In addition, the hydrocarbon feedstock may have CO2 volume levels ranging between 0 and 70%, preferably between 0.5 and 50%, and more preferably between 0.5 and 45%, (v/v).
Реагенты могут быть поданы в реакторы SCT-СРО при температурах в диапазоне между 50 и 400°С, предпочтительно между 100 и 350°С. Реагенты могут быть поданы в реакторы SCT-СРО при давлениях в диапазоне между 0,0987 и 98,7 атм, предпочтительно между 0,493 и 59,21 атм, более предпочтительно между 9,87 и 39,6 атм.The reactants can be fed into the SCT-CPO reactors at temperatures in the range between 50 and 400°C, preferably between 100 and 350°C. The reactants may be fed to the SCT-CPO reactors at pressures ranging between 0.0987 and 98.7 atm, preferably between 0.493 and 59.21 atm, more preferably between 9.87 and 39.6 atm.
Реакция каталитического неполного окисления при коротком времени контактирования предпочтительно может протекать в реакционной системе, которая включает реактор для каталитического неполного окисления при коротком времени контактирования и систему для теплообмена, сочлененную с упомянутым реактором и расположенную по ходу технологического потока ниже упомянутого реактора. Реактор для неполного каталитического окисления может включать смесительную зону, в которую по- 5 040722 дают реагенты, и усеченно-коническую каталитическую зону, характеризующуюся увеличивающимся поперечным сечением, в которой протекают реакции, потребляющие окислитель, и производится синтезгаз, представляющий собой отходящий продукт реакции.The short contact time catalytic partial oxidation reaction may preferably take place in a reaction system which includes a short contact time catalytic partial oxidation reactor and a heat exchange system coupled to said reactor and located downstream of said reactor. The partial catalytic oxidation reactor may include a mixing zone into which reactants are fed, and a truncated catalytic zone with increasing cross section, in which reactions that consume the oxidant proceed and synthesis gas is produced, which is the off-product of the reaction.
Каталитическая зона предпочтительно может включать многослойный пласт катализатора, каждый слой которого содержит катализатор, содержащий носитель, на котором осаждена активная часть катализатора. Каталитическая зона предпочтительно может быть вмещена между двумя слоями материала, которые исполняют функцию теплозащитных экранов, расположенных по ходу технологического потока выше и ниже пласта катализатора. Совокупную каталитическую зону предпочтительно нагревают, посредством подходящих устройств для нагревания смеси входящих газов, и посредством тепла реакции.The catalytic zone may preferably include a multi-layer catalyst bed, each layer of which contains a catalyst containing a carrier on which the active part of the catalyst is deposited. The catalytic zone may preferably be contained between two layers of material that function as heat shields located upstream and downstream of the catalyst bed. The total catalytic zone is preferably heated, by means of suitable devices for heating the mixture of incoming gases, and by means of the heat of reaction.
Катализатор, присутствующий в каждом слое пласта катализатора, может включать активную часть, содержащую металл, выбранный из группы благородных металлов, Ni, Со и Fe, и носитель, выбранный из керамических оксидов, характеризующихся высокой термомеханической прочностью и химической стабильностью в условиях окисления и восстановления вплоть до 1500°С.The catalyst present in each layer of the catalyst bed may include an active part containing a metal selected from the group of noble metals, Ni, Co and Fe, and a carrier selected from ceramic oxides, characterized by high thermomechanical strength and chemical stability under conditions of oxidation and reduction up to up to 1500°С.
Благородные металлы выбирают из Rh, Ru, Pd, Pt, Ir, Au и их смесей. Rh представляет собой предпочтительный благородный металл.The noble metals are selected from Rh, Ru, Pd, Pt, Ir, Au and mixtures thereof. Rh is the preferred noble metal.
Предпочтительные носители выбирают из оксидов алюминия, включающих альфа-, бета- и дельтафазы; оксидов циркония, также стабилизированных иттрием; оксидов церия; смешанных оксидов магния и алюминия и/или смешанных оксидов магния или марганца, более предпочтительно выбранных из MgAl2O4 и MgMn0,25Al1,75O4, гексаалюминатов, более предпочтительно выбранных из LaAl11O19 и LaMnAlnO19, соединений со структурой перовскита, более предпочтительно выбранных из LaCrO3 или LaCoO3, LaFeO3, LaAlO3, QaTiO3, QaZrO3. Альфа-оксид алюминия является предпочтительным керамическим оксидом.Preferred carriers are selected from aluminas, including alpha, beta and delta phases; zirconium oxides, also stabilized with yttrium; cerium oxides; mixed oxides of magnesium and aluminum and/or mixed oxides of magnesium or manganese, more preferably selected from MgAl 2 O 4 and MgMn 0 , 25 Al 1 , 75 O 4 , hexaaluminates, more preferably selected from LaAl11O 19 and LaMnAl n O 19 , compounds with perovskite structure, more preferably selected from LaCrO 3 or LaCoO 3 , LaFeO 3 , LaAlO 3 , QaTiO 3 , QaZrO 3 . Alpha alumina is the preferred ceramic oxide.
Количество благородных металлов, присутствующих в качестве активного компонента, варьируется в пределах диапазона 0,1-10% (мас.), предпочтительно в пределах диапазона 0,2-5% (мас.).The amount of noble metals present as an active ingredient varies within the range of 0.1-10% (wt.), preferably within the range of 0.2-5% (wt.).
Рабочие условия, которые могут быть использованы для проведения синтеза метанола, в типичном случае являются соответствующими условиями, используемыми в следующих далее способах от компаний: a) Haldor-Tops0e; b) Johnson Matthey Catalyst (JM) & Davy Process Technology (DPT); c) Lurgi; d) Toyo Engineering.The operating conditions that can be used to carry out the methanol synthesis are typically those used in the following methods from the companies: a) Haldor-Tops0e; b) Johnson Matthey Catalyst (JM) & Davy Process Technology (DPT); c) Lurgi; d) Toyo Engineering.
Газ, подаваемый в секцию для синтеза метанола, должен характеризоваться составом, таким, чтобы поддерживать значение модуля М = (H2 - СО2)/(СО + CO2), близкого к 2 (об./об.).The gas fed to the methanol synthesis section must have a composition such that the modulus M = (H2 - CO 2 )/(CO + CO2) is kept close to 2 (v/v).
В способе, покрываемом данной патентной заявкой, могут быть использованы все способы электролиза воды.In the method covered by this patent application, all water electrolysis methods can be used.
Предпочтительно технология электролиза воды может быть выбрана из технологий: 1) щелочная, 2) РЕМ (мембрана из полимерного электролита) и 3) SOEC (ячейка твердооксидного электролизера). Щелочной электролиз представляет собой наиболее общеизвестное решение даже несмотря на то, что он все еще находится на стадии дальнейшего постепенного развития. Технология РЕМ является более новой и менее широко распространенной и имеет высокий потенциал развития. Технология SOEC пока еще не является коммерческой. Как это в порядке примера отмечают заявители, коммерческие щелочные электролизеры являются компактными, и в них используют H2O под давлением, куда добавляют KOH, и откуда получают H2 и O2 при превосходном коэффициенте полезного действия по энергии, даже под давлением (20-30 бар (изб.)). Сердце способа представляет собой серия из высокоэффективных биполярных электролитических ячеек, которые вырабатывают H2 и O2. Расщепление воды согласно теории требует использования приблизительно 3,55 кВт-ч при расчете на один Нм3 Н2, и для этого требуется постоянный электрический ток. Однако доля поглощенной мощности теряется в форме тепла (энергоэффективность, заявленная производителями, находится в диапазоне 60-70%). Потоки Н2 и O2 отфильтровывают и отделяют от влаги, которую отправляют на рециркулирование в ячейках. Избыточное тепло отводят при использовании системы водяного охлаждения. В резервуаре, имеющем достаточный объем, размещают деминерализованную воду для обеспечения возможности наличия рациональной оперативной автономности, которую после этого переводят в электролитическую систему при использовании насоса. Питание от трехфазного источника питания с решетки преобразуют в постоянный ток при использовании системы трансформатора/инвертора, или питание может быть подано в виде постоянного тока, например, от фотоэнергетической (ФЭ) или ветроэнергетической установки. Систему включают в корпус, подразделенный на две камеры, разделенные двойной стенкой, при этом одна из них заключает в себе технологическую установку, а вторая - секцию для источника питания. Получающийся в результате поток H2 характеризуется очень высокой степенью чистоты (99,9995% (об./об.)), и для получения этого его перепускают через фильтры, которые удаляют KOH, после это в каталитический реактор для удаления О2, a после этого в две установки для адсорбирования воды. При использовании решений, подобных соответствующим решениям, использованным для очищения H2, также можно получать и О2 очень высокой степени чистоты.Preferably, the water electrolysis technology can be selected from 1) Alkaline, 2) PEM (Polymer Electrolyte Membrane), and 3) SOEC (Solid Oxide Electrolyzer Cell). Alkaline electrolysis is the most commonly known solution, even though it is still in the process of further development. PEM technology is newer and less widespread and has a high development potential. SOEC technology is not yet commercial. As exemplarily noted by Applicants, commercial alkaline electrolyzers are compact and use pressurized H2O where KOH is added to produce H2 and O2 with excellent energy efficiency, even under pressure (20-30 bar (ex.)). The heart of the process is a series of high performance bipolar electrolytic cells that produce H2 and O2. The splitting of water according to theory requires the use of approximately 3.55 kWh per Nm 3 H 2 , and this requires a constant electric current. However, a proportion of the absorbed power is lost in the form of heat (energy efficiency claimed by manufacturers is in the range of 60-70%). The streams of H 2 and O2 are filtered and separated from the moisture, which is sent for recycling in the cells. Excess heat is removed by using a water cooling system. In a tank having sufficient volume, demineralized water is placed to allow a reasonable operational autonomy, which is then transferred to the electrolytic system using a pump. Power from a three-phase grid power source is converted to DC using a transformer/inverter system, or power can be supplied as DC, such as from a photovoltaic (PV) or wind turbine. The system is included in a housing subdivided into two chambers separated by a double wall, one of which contains the process unit and the other a section for the power source. The resulting H2 stream is of very high purity (99.9995% (v/v)), and to achieve this, it is passed through filters that remove KOH, then to a catalytic reactor to remove O2, and then to two installations for water adsorption. Using solutions similar to those used for H2 purification, very high purity O2 can also be obtained.
Теперь будут описываться некоторые примеры приложений настоящего изобретения, которые являются исключительно описательными и неограничивающими, и которые представляют собой предпочтительные варианты осуществления, соответствующие настоящему изобретению.Some examples of applications of the present invention will now be described, which are purely descriptive and non-limiting, and which are preferred embodiments of the present invention.
- 6 040722- 6 040722
ПримерыExamples
Сравнительный пример 1.Comparative example 1.
На современном уровне техники синтез метанола соответствует схеме, подобной схеме на фиг. 3. Десульфурированный природный газ (1), часть рециркулирующего газа из синтеза метанола (2), перегретый водяной пар (4) и поток высокочистого кислорода (99%) (3) при давлении 29,6 атм предварительно нагревают при использовании водяного пара, произведенного самим способом, (не показано на фиг. 3) и смешивают на входе в реактор для каталитического неполного окисления при коротком времени контактирования (А). Таким образом составленную смесь превращают в синтез-газ (5) в результате нагревания до приблизительно 850-1050°С. На выходе из реактора синтез-газ охлаждают до менее, чем 350°С в бойлере, получая поток водяного пара, необходимого для предварительного нагревания реагентов и подачи в реактор SCT-CPO (не показано на фиг. 3).In the state of the art, methanol synthesis follows a scheme similar to that of FIG. 3. Desulphurized natural gas (1), part of the recycle gas from methanol synthesis (2), superheated steam (4) and a stream of high purity oxygen (99%) (3) at a pressure of 29.6 atm are preheated using steam produced by itself (not shown in FIG. 3) and mixed at the inlet to the catalytic partial oxidation reactor with a short contact time (A). The mixture thus formulated is converted into synthesis gas (5) by heating to approximately 850-1050°C. At the outlet of the reactor, the synthesis gas is cooled to less than 350° C. in a boiler to produce the steam flow needed to preheat the reactants and feed into the SCT-CPO reactor (not shown in FIG. 3).
Поток синтез-газа из бойлера не характеризуется оптимальным составом для подачи в секцию, расположенную ниже по ходу технологического потока: в целях подстраивания некоторых характеристических соотношений, требуемых для технологии, в настоящее время используемой для синтеза метанола, некоторое количество синтез-газа отправляют в реактор для конверсии водяного газа (В) совместно с током водяного пара (9), в то время как оставшуюся часть в реактор для конверсии водяного газа не подают (WGS). Продукт на выходе из реактора для конверсии водяного газа и синтез-газ, непосредственно произведенный при использовании реактора для каталитического неполного окисления (А), смешивают (7) и охлаждают в теплообменнике до приблизительно 45°С, что обеспечивает производство большего количества водяного пара. Охлажденный синтез-газ при низкой температуре поступает в двухфазный сепаратор (С), из нижней части которого выгружают конденсированную воду для отравления на обработку воды, в то время как безводный синтез-газ выходит из верхней части, и его отправляют в секцию для синтеза метанола (8).The synthesis gas stream from the boiler does not have an optimal composition for feeding to the downstream section: in order to tune some of the performance relationships required for the technology currently used for methanol synthesis, some synthesis gas is sent to the reactor for water gas shift (B) together with steam flow (9), while the remainder is not fed into the water gas shift reactor (WGS). The effluent from the water gas shift reactor and the synthesis gas directly produced using the catalytic partial oxidation reactor (A) are mixed (7) and cooled in a heat exchanger to about 45°C, which allows more steam to be produced. The cooled synthesis gas at low temperature enters the two-phase separator (C), from the bottom of which condensed water is discharged to be poisoned for water treatment, while the anhydrous synthesis gas exits from the top, and it is sent to the methanol synthesis section ( 8).
Однако, поток (8) все еще характеризуется значением соотношения М, меньшим, чем оптимальное значение (2 (об./об.)), и поэтому к нему необходимо добавлять поток H2 (20). Необходимое количество H2 отделяют при использовании установки PSA (H), которая также вырабатывает поток сбросных газов (21), точку выброса СО2, при этом в упомянутую установку PSA подают частично синтез-газ, поступающий из сепаратора, а частично рециркулирующий газ из синтеза метанола (24): чем больше присутствует СО2 в подаваемом исходном сырье в виде природного газа для способа, тем большим будет количество синтезгаза, которое должно быть отправлено в способ PSA за счет производства метанола.However, stream (8) still has an M ratio less than the optimum value (2 (v/v)), and therefore an H 2 stream (20) needs to be added to it. The required amount of H 2 is separated using the PSA (H) plant, which also produces a waste gas stream (21), a CO 2 emission point, while said PSA unit is supplied partly with synthesis gas coming from the separator, and partly with recycle gas from synthesis methanol (24): the more CO 2 present in the natural gas feed to the process, the greater the amount of syngas that must be sent to the PSA process by producing methanol.
После добавления водорода газ компримируют (С1) до приблизительно 79 атм (давления, при котором протекает синтез метанола) и смешивают с некоторым количеством компримированного рециркулирующего газа (С2) (13 и 14). После смешивания получающийся в результате поток подают в реактор для синтеза метанола (Е); поток продукта на выходе из реактора (12) охлаждают до приблизительно 50°С, что обеспечивает возможность конденсирования воды и метанола, присутствующих в нем. В заключение, при использовании двухфазного сепаратора (F) рециркулирующий газ отделяют от конденсатов (16), давление для которых сбрасывают до 5 бар, и которые отправляют на ступень конечного разделения (G), с которой получают газовый поток (17) и неочищенный метанол (18) (состоящий из приблизительно 85% (мас./мас.) метанола и 15% (мас./мас.) воды).After the addition of hydrogen, the gas is compressed (C1) to about 79 atm (the pressure at which methanol synthesis proceeds) and mixed with some of the compressed recycle gas (C2) (13 and 14). After mixing, the resulting stream is fed into the methanol synthesis reactor (E); the product stream at the outlet of the reactor (12) is cooled to about 50°C, which allows the water and methanol present in it to condense. Finally, using a two-phase separator (F), the recycle gas is separated from the condensates (16), which are depressurized to 5 bar, and sent to the final separation stage (G), from which a gas stream (17) and crude methanol ( 18) (consisting of about 85% (w/w) methanol and 15% (w/w) water).
Для случая подачи в описанный выше способ потока природного газа, характеризующегося составом, показанным в табл. 1, получают материальный баланс, основные элементы которого демонстрируются в табл. 2.For the case of filing in the above method of natural gas flow, characterized by the composition shown in table. 1, get a material balance, the main elements of which are shown in table. 2.
Таблица 1Table 1
Таблица 2table 2
- 7 040722- 7 040722
В табл. СО2-продукт на выходе рассчитывают в виде двух позиций: количество выбросов совместно со сбросными газами и количество, полученное в результате сжигания всех сбросных газов.In table. The output CO 2 product is calculated in the form of two positions: the amount of emissions together with waste gases and the amount obtained from the combustion of all waste gases.
Некоторые удельные показатели, относящиеся к потреблению природного газа и O2 и выбросам СО2 при расчете на одну тонну произведенного метанола, представлены в табл. 3. Как это считается, все соединения, содержащие С и присутствующие в сбросных газах, окисляются до CO2.Some specific indicators related to natural gas and O 2 consumption and CO 2 emissions per tonne of methanol produced are presented in Table. 3. As it is considered, all compounds containing C and present in waste gases are oxidized to CO 2 .
Таблица 3Table 3
Сравнительный пример 2.Comparative example 2.
В способ, описанный в сравнительном примере 1 и на фиг. 3, подают поток природного газа, характеризующийся высоким уровнем содержания CO2, показанным в табл. 4.In the method described in Comparative Example 1 and in FIG. 3 feeds a natural gas stream having a high CO2 content shown in Table 1. 4.
Таблица 4Table 4
Получают материальный баланс, основные элементы которого показаны в табл. 5, в то время как в табл. 6 демонстрируются удельные показатели, относящиеся к потреблению природного газа и O2 и выбросам CO2 при расчете на одну тонну произведенного метанола. В табл. 5 показано количество выбросов CO2 совместно со сбросными газами и количество CO2, полученное в результате сжигания всех сбросных газов. Как это считается, все соединения, содержащие углерод и присутствующие в сбросных газах, окисляются до CO2.Get a material balance, the main elements of which are shown in table. 5, while in table. Figure 6 shows specific figures related to natural gas and O2 consumption and CO2 emissions per tonne of methanol produced. In table. 5 shows the amount of CO2 emissions together with waste gases and the amount of CO2 obtained from the combustion of all waste gases. As it is considered, all compounds containing carbon and present in waste gases are oxidized to CO 2 .
Таблица 5Table 5
Таблица 6Table 6
Приммер 1.Example 1.
Со ссылкой на фиг. 1 и сравнительные примеры 1 и 2, способ включает две секции: производство синтез-газа при использовании способа SCT-CPO (А) и синтез метанола (Е).With reference to FIG. 1 and comparative examples 1 and 2, the method includes two sections: the production of synthesis gas using the SCT-CPO method (A) and the synthesis of methanol (E).
В реактор SCT-CPO подают десульфурированный природный газ (1), O2 (3), водяной пар (4) и поток рециркулирующего газа из синтеза метанола (2). После предварительного нагревания и смешивания (не показано на фиг. 1) потоки подаваемого исходного сырья подают в реактор, где их подвергают превращению для производства синтез-газа (5). После этого его охлаждают до приблизительно 350°С в бойлере, производя водяной пар (не показано на фиг. 1).The SCT-CPO reactor is fed with desulfurized natural gas (1), O 2 (3), steam (4) and a recycle gas stream from methanol synthesis (2). After preheating and mixing (not shown in FIG. 1), the feed streams are fed into the reactor where they are converted to produce synthesis gas (5). Thereafter, it is cooled to approximately 350° C. in a boiler producing steam (not shown in FIG. 1).
В соответствии с представленным выше описанием изобретения, некоторое количество синтез-газа отправляют в реактор WGS для конверсии водяного газа (В), в то время как некоторое его количество обходит данный реактор по байпасу (6): данным образом регулируют характеристическое соотношение CO/CO2 для синтеза метанола. Два потока объединяют и охлаждают до приблизительно 45°С до подачи в сепаратор (С) для отделения конденсационной воды (10). Синтез-газ (8) покидает верх сепаратора и пока еще не характеризуется оптимальным соотношением М для синтеза метанола. В данном случае, как и в предыдущем случае, снова необходимо добавить поток H2 (19) для доведения значения М до 2 (об./об.). В данном случае H2 больше уже не получают в результате отделения последнего от синтез-газа и рецир- 8 040722 кулирующего газа при использовании PSA, но получают из щелочного электролизера (D), работающего при давлении в диапазоне 30-35 атм..In accordance with the above description of the invention, some synthesis gas is sent to the WGS reactor for water gas shift (B), while some of it bypasses this reactor through the bypass (6): in this way, the CO/CO2 characteristic ratio is adjusted for methanol synthesis. The two streams are combined and cooled to approximately 45° C. before being fed to a separator (C) to separate the condensation water (10). Synthesis gas (8) leaves the top of the separator and does not yet have an optimal M ratio for methanol synthesis. In this case, as in the previous case, it is again necessary to add the flow of H 2 (19) to bring the value of M to 2 (v/v). In this case, H 2 is no longer produced as a result of the separation of the latter from the synthesis gas and recycle gas using PSA, but is obtained from an alkaline cell (D) operating at a pressure in the range of 30-35 atm.
Синтез-газ, скорректированный таким образом, компримируют до приблизительно 80 бар (С1), смешивают с компримированным рециркулирующим газом (С2, 13), а после этого подают в реактор для синтеза метанола (Е). Продукты, покидающие реактор, разделяют и охлаждают (F, G) для отделения потока метанола (18), содержащего 85% (мас./мас.) метанола и 15% (мас./мас.) воды, от рециркулирующего газа (2). Маленькое количество (1% (об./об.)) всего рециркулирующего газа удаляют (15) для ограничения накопления инертных соединений в системе.The synthesis gas thus adjusted is compressed to approximately 80 bar (C1), mixed with the compressed recycle gas (C2, 13) and then fed into the methanol synthesis reactor (E). The products leaving the reactor are separated and cooled (F, G) to separate the methanol stream (18) containing 85% (w/w) methanol and 15% (w/w) water from the recycle gas (2) . A small amount (1% (v/v)) of all recycle gas is removed (15) to limit the accumulation of inert compounds in the system.
В результате подачи потока природного газа, характеризующегося тем же самым составом, что и сравнительный пример 2 (табл. 4) с высоким содержанием CO2, в технологическую схему, описанную выше, получают материальный баланс, основные элементы которого показаны в табл. 7, в то время как расход природного газа, O2 и CO2 при расчете на одну тонну произведенного метанола показан в табл. 8. В табл. 7 показано количество выбросов CO2 совместно со сбросными газами и количество CO2, полученное в результате сжигания всех сбросных газов. Считается, что все соединения, содержащие С и присутствующие в сбросных газах, окисляются до CO2.By supplying a natural gas stream having the same composition as Comparative Example 2 (Table 4) with a high CO 2 content to the process flow described above, a material balance is obtained, the main elements of which are shown in Table 1. 7, while the consumption of natural gas, O2 and CO2 per tonne of methanol produced is shown in Table. 8. In the table. 7 shows the amount of CO 2 emissions together with waste gases and the amount of CO 2 obtained from the combustion of all waste gases. It is believed that all compounds containing C and present in waste gases are oxidized to CO 2 .
Таблица 7Table 7
Таблица 8Table 8
Сопоставление сравнительного примера 2 и примера 1, показывает, что способ, соответствующий примеру 1, обеспечивает возможность приблизительно в два раза большего производства метанола при той же скорости потока и составе природного газа. Собственно говоря, в первом случае значительную часть (приблизительно 50%) произведенного синтез-газа отправляли в установку PSA для производства водорода, требуемого для корректирования параметра М, в то время как в способе, соответствующем примеру 1, водород подают при использовании внешнего источника (электролизера), что делает возможным использование всего синтез-газа для синтеза метанола. В результате исключения необходимости в монтировании установки PSA значительно уменьшаются объемы выработки сбросных газов и, следовательно, выбросы СО2. В табл. 9 описывается потребление электричества, требуемое для способов элек тролиза при различных мощностях по производству метанола.Comparison of comparative example 2 and example 1 shows that the method corresponding to example 1 allows approximately twice the production of methanol at the same flow rate and composition of natural gas. As a matter of fact, in the first case, a significant part (approximately 50%) of the produced synthesis gas was sent to the PSA plant for the production of hydrogen required to correct the parameter M, while in the method corresponding to example 1, hydrogen was supplied using an external source (electrolyzer ), which makes it possible to use all the synthesis gas for methanol synthesis. By eliminating the need to install a PSA plant, waste gas production and, consequently, CO 2 emissions are significantly reduced. In table. Table 9 describes the electricity consumption required for electrolysis processes at various methanol production capacities.
Таблица 9Table 9
--
Claims (3)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
IT102018000008721 | 2018-09-19 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA040722B1 true EA040722B1 (en) | 2022-07-21 |
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11492315B2 (en) | Process for the production of methanol from gaseous hydrocarbons | |
US12030838B2 (en) | Method and system for the production of methanol | |
EP3419929B1 (en) | Carbon monoxide production process optimized by soec | |
CN116249671A (en) | Process for preparing a gas stream comprising carbon monoxide | |
CN110869314A (en) | Process for producing ammonia synthesis gas | |
US10654023B2 (en) | System and method for increasing a carbon monoxide content of syngas produced by a steam methane reformer | |
US11444303B2 (en) | System and method for producing hydrogen using high temperature fuel cells | |
US20240132428A1 (en) | Conversion of carbon dioxide and water to synthesis gas for producing methanol and hydrocarbon products | |
KR20210030935A (en) | Expander for SOEC application | |
US20240059637A1 (en) | Process and plant for producing methanol and synthesis gas | |
CA3207221A1 (en) | Process and plant for providing synthesis gas and for producing methanol | |
EA040722B1 (en) | METHOD FOR PRODUCING METHANOL FROM GAS HYDROCARBONS | |
BR112021005083B1 (en) | PROCESS FOR PRODUCING METHANOL FROM GASEOUS HYDROCARBONS | |
DK202200442A1 (en) | Conversion of carbon dioxide and water to synthesis gas | |
WO2024132837A1 (en) | Use of co2-rich gas as a sweeping gas in a chemical plant | |
US20230073089A1 (en) | Co-production of methanol, ammonia and urea | |
WO2023194286A1 (en) | Methanol loop revamp by co intensification | |
WO2024194595A1 (en) | Method of producing a liquid hydrocarbon | |
WO2019043875A1 (en) | Method for producing ammonia by using high nitrogen-containing natural gas |