Способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления
Группа изобретений относится к получению синтез-газа. Способ получения синтез-газа включает частичное окисление первой части углеводорода кислородом в реакторе частичного окисления, с получением первого потока, вытекающего из реактора, охлаждение первого потока, вытекающего из реактора, до температуры от 650° до 1000°С, подачу первого потока, вытекающего из реактора, в теплообменник реформинга. Пропускание второй части углеводорода с паром через зону катализатора в теплообменнике реформинга, с образованием второго потока, вытекающего из реактора, выпуск второго потока, вытекающего из реактора, из зоны катализатора, с образованием смеси с первым потоком, вытекающим из реактора. Пропускание смеси через зону катализатора в косвенном теплообмене с ней с охлаждением смеси и нагреванием зоны катализатора, сбор охлажденной смеси из теплообменника реформинга. Способ модернизации способа получения синтез-газа включает стадию реакции частичного окисления, на которой превращают первый поток углеводорода в первый поток, вытекающий из реактора, стадию регенерации тепла, на которой охлаждают первый поток, вытекающий из реактора, и производят пар при помощи регенерированного тепла, и стадию обработки выходного потока, на которой принимают охлажденный поток, вытекающий из реактора, и производят синтез-газ с повышенным содержанием водорода, включает стадию охлаждения первого потока, вытекающего из реактора, до температуры от 650° до 1000°С, стадию, на которой отводят охлажденный первый поток, вытекающий из реактора, в теплообменник реформинга, стадию, на которой пропускают вторую часть углеводорода с паром через зону катализатора в теплообменнике реформинга, с образованием второго потока, вытекающего из реактора, стадию, на которой выпускают второй поток, вытекающий из реактора, из зоны катализатора, с образованием смеси с первым потоком, вытекающим из реактора, стадию, на которой смесь пропускают через зону катализатора в косвенном теплообмене с ней с охлаждением смеси и нагреванием зоны катализатора, стадию, на которой подают охлажденную смесь из теплообменника реформинга на стадию регенерации тепла. Изобретения позволяют повысить производительность по водороду на 20-30 процентов при уменьшенном отводе пара из установки для производства водорода. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Уровень техники
Данное изобретение относится к производству синтез-газа (синтетического газа) с использованием реактора частичного окисления (ЧО) и теплообменника реформинга.
Реформинг углеводородов является стандартным способом для производства содержащего водород синтез-газа, используемого, например, для получения аммиака или метанола. Традиционные реакторы ЧО являются не имеющими насадки безнапорными некаталитическими газогенераторами, в которые подают подогретый газообразный углеводород и кислород, необязательно с регулятором температуры. Поток, вытекающий из реактора частичного окисления, затем резко или плавно охлаждают, обычно до 200-300°С, необязательно очищают для того, чтобы удалить сажу, и, как правило, далее подвергают превращению в СО-конвертерах с высокой и низкой температурой, в которых СО и пар взаимодействуют с образованием дополнительного водорода и СО2. Синтез-газ с высоким содержанием водорода особенно необходим для синтеза аммиака или других процессов, где водород является основным реагентом из синтез-газа. Весовое отношение пара к углеводороду при подаче в реактор ЧО составляет в основном от 0,1 до 5, атомное отношение кислорода к углероду в углеводороде находится в диапазоне от 0,6 до 1,6, и времена реакции изменяются от 1 до 10 секунд.
Реакторы ЧО описаны, например, в патентах США 2,896,927; 3,920,717; 3,929,429 и 4,081,253, которые включены сюда посредством ссылки полностью.
Реакторы ЧО производят вытекающий поток синтез-газа при очень высокой температуре перед резким охлаждением, например, от 1100° до 1650°С. Это означает, что большая часть подаваемого углеводорода должна в действительности использоваться как довольно дорогое топливо для того, чтобы подогреть сырье и выработать пар высокого или среднего давления. Однако производство пара обычно гораздо больше, чем требуется для установки, и поэтому он должен быть отведен, а для продажи пара часто имеется небольшая возможность или ее совсем нет.
В данной области техники имеется потребность в способе для улучшения эффективности установок для производства водорода, которые используют реакторы ЧО, и понижения или исключения отвода пара. Также часто желательно максимизировать или увеличить производство водорода на существующих установках для производства водорода; однако, реактор ЧО часто имеет режим работы, ограничивающий производительность. Реакторы ЧО не могут быть легко увеличены в объеме для повышения производительности.
Настоящее изобретение направлено на удовлетворение этих потребностей путем подачи частично охлажденного потока, вытекающего из реактора ЧО, со стороны оболочки теплообменника реформинга, чтобы обеспечить тепло для производства дополнительного синтез-газа. Теплообменники реформинга, используемые с реформинг-установками с автоподогревом, известны, например, из патентов США 5,011,625 и 5,122,299 на имя LeBlanc и 5,362,454 на имя Cizmer и др., которые все включены сюда посредством ссылки полностью. Эти теплообменники реформинга имеются в продаже под торговой маркой KRES или Kellogg Reforming Exchanger System.
Сущность изобретения
В настоящем изобретении используется теплообменник реформинга параллельно с реактором частичного окисления (ЧО) в новой установке для производства водорода с улучшенной эффективностью и уменьшенным отводом пара, или в существующей установке для производства водорода. В одном воплощении производительность по водороду может быть повышена на 20-30 процентов при уменьшении отвода пара из установки для производства водорода. Процесс в результате имеет очень низкое потребление энергии.
Настоящее изобретение предусматривает способ для получения синтез-газа. Способ включает: (а) частичное окисление первой части углеводорода кислородом в реакторе частичного окисления, с получением первого потока, вытекающего из реактора; (b) охлаждение первого потока, вытекающего из реактора, до температуры от 650° до 1000°С; (с) подачу первого потока, вытекающего из реактора, в теплообменник реформинга; (d) пропускание второй части углеводорода с паром через зону катализатора в теплообменнике реформинга, с образованием второго потока, вытекающего из реактора; (е) выпуск второго потока, вытекающего из реактора, из зоны катализатора, с образованием смеси с первым потоком, вытекающим из реактора; (f) пропускание смеси через зону катализатора в косвенном теплообмене с ней с охлаждением смеси и нагреванием зоны катализатора; и (g) сбор охлажденной смеси из теплообменника реформинга.
Охлаждение может включать введение воды в первый поток, вытекающий из реактора, в качестве текучей среды для резкого охлаждения, косвенный теплообмен, или сочетание резкого охлаждения водой и косвенного теплообмена. Косвенный теплообмен может быть использован для подогрева второй части углеводорода в перекрестном теплообменнике. Зона катализатора может включать каталитические трубки. Способ может также включать подачу второй части углеводорода со стороны трубок теплообменника реформинга и ее пропускание через каталитические трубки, и подачу охлажденного первого потока, вытекающего из реактора, на вход со стороны оболочки теплообменника реформинга. Вход со стороны оболочки может примыкать к выходному концу каталитических трубок. Способ может дополнительно включать подачу первой и второй частей углеводорода в весовом отношении от 40:60 до 95:5. Более желательно, чтобы первая и вторая части углеводорода могли быть поданы в весовом отношении от 40:60 до 60:40 (для более эффективного производства водорода), или от 80:20 до 95:5 (если требуется больше СО).
Настоящее изобретение также предусматривает устройство для производства синтез-газа. Устройство включает: (а) средство в виде реактора частичного окисления для частичного окисления первой части углеводорода кислородом, с образованием первого потока, вытекающего из реактора; (b) средство для охлаждения первого потока, вытекающего из реактора, до температуры от 650° до 1000°С; (с) средство для подачи первого потока, вытекающего из реактора, в теплообменник реформинга; (d) средство для пропускания второй части углеводорода с паром через зону катализатора в теплообменнике реформинга, с образованием второго потока, вытекающего из реактора; (е) средство для выпуска второго потока, вытекающего из реактора, из зоны катализатора, с образованием смеси с первым потоком, вытекающим из реактора; (f) средство для пропуска смеси через зону катализатора в косвенном теплообмене с ней с охлаждением смеси и нагреванием зоны катализатора; и (g) средство для сбора охлажденной смеси из теплообменника реформинга.
Настоящий способ дополнительно предусматривает способ модернизации способа получения синтез-газа, включающего стадию реакции частичного окисления, на которой превращают первый поток углеводорода в первый поток, вытекающий из реактора, стадию регенерации тепла, на которой охлаждают первый поток, вытекающий из реактора, и производят пар с помощью регенерированного тепла, и стадию обработки выходного потока, на которой принимают охлажденный поток, вытекающий из реактора, и производят синтез-газ с повышенным содержанием водорода. Модернизация включает: (а) стадию, на которой частично охлаждают первый поток, вытекающий из реактора, до температуры от 650° до 1000°С; (b) стадию, на которой отводят частично охлажденный первый поток, вытекающий из реактора, в теплообменник реформинга; (с) стадию, на которой пропускают вторую часть углеводорода с паром через зону катализатора в теплообменнике реформинга, с образованием второго потока, вытекающего из реактора; (d) стадию, на которой выпускают второй поток, вытекающий из реактора, из зоны катализатора с образованием смеси с первым потоком, вытекающим из реактора; (е) стадию, на которой пропускают смесь через зону катализатора в косвенном теплообмене с ней с охлаждением смеси и нагреванием зоны катализатора; и (f) стадию, на которой подают смесь из теплообменника реформинга на стадию регенерации тепла.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой упрощенную схему процесса для традиционного процесса ЧО, известного из уровня техники, который может быть модернизирован в соответствии с одним из воплощений настоящего изобретения.
Фиг.2 представляет собой упрощенную схему процесса получения синтез-газа с реактором ЧО и теплообменником реформинга, интегрированными в соответствии с одним из воплощений изобретения.
Подробное описание изобретения
Предлагаемые модернизированные установки настоящего изобретения имеют общую конфигурацию, показанную на фиг.1. Десульфурированный природный газ или другой углеводород, подаваемый из трубопровода 2, смешивается с обрабатывающим паром из трубопровода 4, и смесь подогревается в теплообменнике подогрева сырья (не показан). Подогретая смесь пар-углеводород подается через трубопровод 6 в реактор ЧО 8 (или множество реакторов ЧО) с кислородом 10, и вытекающий поток собирается в трубопроводе 12, резко охлаждается водой, впрыскиваемой через трубопровод 14, и затем подается на обработку 15 выходного потока, которая может включать секцию конверсии (СО-конвертеры с высокой температурой, средней температурой и/или низкой температурой), регенерацию тепла, удаление СО2 (например, абсорбция при разности давлений или PSA), и тому подобное. Производится богатый водородом поток синтез-газа 17.
Установка по фиг.1 модернизируется, или новая установка создается в соответствии с одним из воплощений настоящего изобретения, как показано на фиг.2. Реактор(ы) ЧО 8 и трубопроводы 2, 4, 6, 10 являются традиционными, как описано со ссылкой на фиг.1. Вытекающий поток процесса в трубопроводе 12 из реактора(ов) ЧО 8 резко охлаждается водой через трубопровод 14 до 700°-1100°С, желательно 750°-1000°С, и смесь подается через трубопровод 16 на вход со стороны оболочки теплообменника реформинга 18. Теплообменник 15 может быть использован дополнительно или вместо трубопровода резкого охлаждения 14. Теплообменник 15 может быть использован, чтобы подогревать поток сырья 19.
Подогретая смесь в трубопроводе 19 из пара и углеводорода, который может быть тем же или отличаться от углеводорода в трубопроводе 2, подается на входе со стороны трубок теплообменника реформинга 18. Смесь проходит через каталитические трубки 20, с образованием дополнительного газа, содержащего водород. Газ реформинга из выходных отверстий каталитических трубок 20 смешивается с вытекающим потоком из реформинг-установки ЧО, и смесь проходит через наружную сторону каталитических трубок 20 на выходе со стороны оболочки, где она собирается в трубопроводе 22 традиционным способом. Объединенный синтез-газ в трубопроводе 22 затем подается на традиционную обработку выходного потока 24, как на фиг.2, которая может включать СО-конвертер, теплообменный агрегат для регенерации тепла, и дополнительную очистку, производящую очищенный молекулярный водород. В модернизированном применении, обрабатывающие агрегаты выходного потока могут быть модифицированы или увеличены в объеме, по необходимости, для обработки дополнительного синтез-газа, подаваемого через трубопровод 22, который получается в результате добавления теплообменника реформинга 18.
Потребность в тепле для теплообменника реформинга 18 удовлетворяется за счет количества и температуры потока, вытекающего из реактора ЧО. Обычно, чем больше подача сырья в трубопроводе 19 в теплообменник реформинга 18, тем большее тепло требуется от потока 16, вытекающего из реактора ЧО, чтобы поддерживать, обычно, эндотермическую реакцию реформинга в каталитических трубках 20. Желательно, чтобы температура газа, вытекающего из каталитических трубок реформинг-установки, была такой высокой, как позволят материалы конструкции теплообменника реформинга 18, например, от 750° до 1000°С в стандартном агрегате KRES. Если температура является слишком низкой, в теплообменнике реформинга 18 может иметь место недостаточный реформинг, тогда как, если температура является слишком высокой, металлургические расчеты могут стать проблематичными. Необходимо также предпринять меры, гарантирующие, что температура выбирается так, чтобы минимизировать пылеобразование металла.
Соотношение подачи углеводорода в реактор(ы) ЧО 8 может находиться в диапазоне от 40 до 95 процентов от общего количества, тогда как соотношение подачи в теплообменник реформинга 18 может быть от 5 до 60 процентов от общей подачи углеводорода. Желательно, чтобы соотношение подачи сырья между реактором(ами) ЧО 8 и теплообменником реформинга 18 было таким, чтобы реактор(ы) ЧО 8 мог(ли) производить соответствующий объем горячего вытекающего потока, чтобы обеспечить потребности в тепле теплообменника реформинга 18. Соотношение подачи сырья в реактор(ы) ЧО 8 от 40 до 60 процентов от общего количества является выгодным для улучшенной энергетической отдачи и максимизации производительности по водороду, тогда как подача от 80 до 95 процентов от общей подачи углеводорода в реактор(ы) ЧО 8 является выгодной для получения большего количества СО в синтез-газе.
Настоящее изобретение проиллюстрировано посредством примера. Предварительные параметры проекта процесса для интегрированного агрегата теплообменника ЧО-реформинга, показанные на фиг.2, были разработаны на основе модернизации типичного процесса ЧО по фиг.1 с составом потока и расходом по трубопроводу 16, обозначенными в таблице ниже. Составы, свойства и расходы для выбранных потоков в процессе, модифицированном в соответствии с конфигурацией по фиг.2, также показаны в таблице.
| Конфигурация реактора ЧО - теплообменника реформинга | ||||
| Поток ID: | Вытекающий поток ЧО трубопровод 16 | Каталитические трубки 20 Вход | Каталитические трубки 20 Выход | Выход со стороны оболочки Трубопровод 22 |
| Компонент | Состав потока, конечные мольные проценты | |||
| Н2 | 62,35 | 1,80 | 73,79 | 64,21 |
| N2 | 0,66 | 1,80 | 0,47 | 0,63 |
| CH4 | 0,66 | 94,40 | 3,04 | 1,05 |
| Ar | 0,11 | 0,00 | 0,00 | 0,09 |
| CO | 33,26 | 0,10 | 16,52 | 30,54 |
| CO2 | 2,96 | 0,20 | 6,17 | 3,49 |
| C2H6 | 0,00 | 1,20 | 0,00 | 0,00 |
| С3Н8 | 0,00 | 0,30 | 0,00 | 0,00 |
| i-C4 | 0,00 | 0,10 | 0,00 | 0,00 |
| i-C5 | 0,00 | 0,10 | 0,00 | 0,00 |
| Общий поток, кмоль/ч | 636,2 | 32,1 | 123,5 | 759,7 |
| H2O, кмоль/ч | 153,2 | 85,8 | 50,3 | 203,5 |
| Общий поток, кмоль/ч | 789,4 | 117,9 | 173,8 | 963,1 |
| Общий поток, кг/ч | 10,528 | 2,073 | 2,073 | 12,601 |
| Давление (бар(абсолютное)) | 32,4 | 35,5 | 32,4 | 32,1 |
| Температура (°C) | 999,7 | 308,8 | 938,1 | 702,3 |
В основном случае, только с реактором ЧО, синтез-газ, произведенный в секции реформинга установки, будет иметь состав и расход потока, вытекающего из реактора ЧО, в трубопроводе 16. Используя теплообменник реформинга параллельно с реактором ЧО в соответствии с данным воплощением изобретения, вытекающий поток в трубопроводе 16 смешивается с газом, выходящим из каталитических трубок 20, с получением синтез-газа, имеющего состав в трубопроводе 22. Этот пример показывает, что интегрированный процесс ЧО-теплообменника реформинга может быть использован для регенерации отработанного тепла в теплообменнике реформинга и увеличения производительности по водороду от 20 до 25 процентов. Используя тепло процесса для дополнительной выработки водорода, таким образом добиваются соответствующего уменьшения отвода пара.
Изобретение описано выше со ссылкой на неограничивающие примеры, предусмотренные только в иллюстративных целях. Различные модификации и изменения станут очевидными для специалистов в этой области техники с этой точки зрения. Предполагается, что все такие изменения и модификации в пределах объема и сущности прилагаемых пунктов формулы изобретения будут входить в объем изобретения.
1. Способ получения синтез-газа, включающий
частичное окисление первой части углеводорода кислородом в реакторе частичного окисления, с получением первого потока, вытекающего из реактора;
охлаждение первого потока, вытекающего из реактора, до температуры от 650 до 1000°С;
подачу первого потока, вытекающего из реактора, в теплообменник реформинга;
пропускание второй части углеводорода с паром через зону катализатора в теплообменнике реформинга, с образованием второго потока, вытекающего из реактора;
выпуск второго потока, вытекающего из реактора, из зоны катализатора, с образованием смеси с первым потоком, вытекающим из реактора;
пропускание смеси через зону катализатора в косвенном теплообмене с ней с охлаждением смеси и нагреванием зоны катализатора;
сбор охлажденной смеси из теплообменника реформинга.
2. Способ по п.1, в котором воду вводят в первый поток, вытекающий из реактора, как текучую среду для резкого охлаждения.
3. Способ по п.2, в котором охлаждение дополнительно включает косвенный теплообмен.
4. Способ по п.3, в котором косвенный теплообмен включает нагревание второй части углеводорода в перекрестном теплообмене.
5. Способ по п.1, в котором охлаждение включает теплообмен.
6. Способ по п.5, в котором косвенный теплообмен включает нагревание второй части углеводорода в перекрестном теплообменнике.
7. Способ по п.1, в котором зона катализатора включает каталитические трубки.
8. Способ по п.5, в котором вторую часть углеводорода подают со стороны трубок теплообменника реформинга и пропускают через каталитические трубки.
9. Способ по п.5, в котором охлажденный первый поток, вытекающий из реактора, подают на вход со стороны оболочки теплообменника реформинга.
10. Способ по п.7, в котором вход со стороны оболочки примыкает к выходному концу каталитических трубок.
11. Способ по п.1, в котором первую и вторую части углеводорода подают в весовом отношении от 40:60 до 95:5.
12. Способ по п.1, в котором первую и вторую части углеводорода подают в весовом отношении от 40:60 до 60:40.
13. Способ по п.1, в котором первую и вторую части углеводорода подают в весовом отношении от 95:5 до 80:20.
14. Устройство для производства синтез-газа, содержащее
средство в виде реактора частичного окисления для частичного окисления первой части углеводорода кислородом с образованием первого потока, вытекающего из реактора;
средство для охлаждения первого потока, вытекающего из реактора, до температуры от 650 до 1000°С;
средство для подачи первого потока, вытекающего из реактора, в теплообменник реформинга;
средство для пропускания второй части углеводорода с паром через зону катализатора в теплообменнике реформинга, с образованием второго потока вытекающего из реактора;
средство для выпуска второго потока, вытекающего из реактора из зоны катализатора, с образованием смеси с первым потоком, вытекающим из реактора;
средство для пропускания смеси через зону катализатора в косвенном теплообмене с ней с охлаждением смеси и нагреванием зоны катализатора;
средство для сбора охлажденной смеси из теплообменника реформинга.
15. Способ модернизации способа получения синтез-газа, включающего стадию реакции частичного окисления, на которой превращают первый поток углеводорода в первый поток, вытекающий из реактора, стадию регенерации тепла, на которой охлаждают первый поток, вытекающий из реактора, и производят пар при помощи регенерированного тепла, и стадию обработки выходного потока, на которой принимают охлажденный поток, вытекающий из реактора, и производят синтез-газ с повышенным содержанием водорода, включающий
стадию, на которой охлаждают первый поток, вытекающий из реактора, до температуры от 650 до 1000°С;
стадию, на которой отводят охлажденный первый поток, вытекающий из реактора, в теплообменник реформинга;
стадию, на которой пропускают вторую часть углеводорода с паром через зону катализатора в теплообменнике реформинга, с образованием второго потока, вытекающего из реактора;
стадию, на которой выпускают второй поток, вытекающий из реактора, из зоны катализатора, с образованием смеси с первым потоком, вытекающим из реактора;
стадию, на которой смесь пропускают через зону катализатора в косвенном теплообмене с ней с охлаждением смеси и нагреванием зоны катализатора;
стадию, на которой подают охлажденную смесь из теплообменника реформинга на стадию регенерации тепла.
16. Способ по п.15, в котором воду вводят в первый поток, вытекающий из реактора, как текучую среду для резкого охлаждения.
17. Способ по п.11, в котором первый поток, вытекающий из реактора, охлаждают посредством косвенного теплообмена.
18. Способ по п.17, в котором вторую часть углеводорода нагревают посредством косвенного теплообмена перед тем, как подают в теплообменник реформинга.
19. Способ по п.17, в котором воду вводят в первый поток, вытекающий из реактора.
20. Способ по п.11, в котором зона катализатора дополнительно включает каталитические трубки.
21. Способ по п.18, в котором вторую часть углеводорода подают на вход со стороны трубок теплообменника реформинга.
