CN101687157A - 自合成回路吹扫气中回收氢气合成甲醇的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
利用自合成回路(1)的吹扫气中回收的氢气合成甲醇的方法和设备，其中合成回路在新鲜补充气(6)的生产压力下运行；导出管(drawing)提供了来自未反应循环气的吹扫气(14)；所述导出管位于合成回路(1)的循环压缩区(5)的下游；通过低压降系统(15)得到回收氢气(16)，直接循环到所述压缩区的上游，进入合成区(1)。
Description
技术领域
本发明从广义上涉及合成甲醇的方法和设备的技术领域，详细的说，本发明涉及利用自合成回路吹扫气中回收的氢气合成甲醇的方法和设备。
在此，是指在合成回路合成甲醇的方法，其至少包括以下步骤：将反应气流输入甲醇合成区，得到反应产物气流，将所述反应产物气流输入冷凝分离区，得到甲醇粗液流和未反应的循环气流(a recyclegas flow)；从所述循环气流导出吹扫气流，经过回收，将其中所含的氢气重新引入合成回路，并将循环气体气流输入合成回路的循环压缩区。
背景技术
根据常规技术，甲醇以含有氢气(H2)和一氧化碳(CO)的合成气为起始原料制备，反应在适当催化剂的存在下，于高温(200-300℃)和高压(40-150巴)下进行。然后冷却气相反应产物，得到液态甲醇和未反应气流；后者排出甲烷和惰性气体后被回收至合成区。
根据上述工艺运行的典型装置基本上包括：合成区，由诸如合成反应器或多个平行的反应器组成；反应气的预加热区，其利用反应产物的回收热量；冷凝分离区，在此得到液体甲醇和待回收的气体。合成区、预加热区和冷凝分离区在基本上相同的压力运行，形成所述的合成回路。
“新鲜的”合成气，也称为补充气体，其通过合适的供应压缩机输入合成回路，所述压缩机将气体压力从生产值(production value)升高至合成回路的操作压力。
气态循环气流从冷凝分离区排出，进入循环压缩机，随后进入预加热区和合成区；根据现有技术，吹扫气的导出点位于所述循环压缩机的上游(吸气端)。
众所周知，可利用诸如分子筛或膜的装置来回收吹扫气中所含的氢气，得到回收氢气流，将其与反应气流混合再注入合成区。该技术在使用来自碳燃料气化(carbon fuel gasification)的反应气流的设备中特别有利，所述气体含有较高的一氧化碳(CO)含量。可通过气化例如煤炭、焦炭、石油或其它碳渣得到远大于反应所需计量比的高CO含量的合成气。
合成气中CO的高含量导致一些技术问题，包括提高了合成反应速度，使反应器有过热风险，并且生成副产物的的风险也更大。将自吹扫气中回收的氢气，以及合成气中的相关氢气富集气输入反应器，使上述技术问题得以解决。
但利用上述设备回收氢气还涉及到压降(在采用膜时，有数十巴(bar))，以已知的合成回路配置，会提供低于合成回路压力的氢气。这就需要重新压缩氢气流，而这些任务目前由另外的压缩机或供应压缩机本身来完成。
由于这类设备的成本和其能源消耗，以及增加了不确定性的可能原因，向设备中再添加压缩机是不利的。很明显，事实上氢气压缩机的故障可能危及整个设备的运行。
为此目的，应予指出在许多申请中，采用的新鲜合成气的压力为50-60bar，这足以进行合成反应。在这些情况下，理论上可以被去掉供应压缩机，而接受合成回路在相对较低的生产合成气的压力下运行。采用CO富集气运行回路的进一步的优势是会减少过热的风险，这是由于反应速度取决于压力。因此，人们有强烈的动机去除供应压缩机，而通过以气化压力本身的压力运行合成回路，特别是在从CO富集气中生产甲醇时。
然而，由于上述氢气回收系统的压降问题，为在任何情况下供应氢气的压缩气，可能去除供应压缩机的优势，以及在可靠性方面的改进都将是无效的。因此，一般倾向于将合成回路保持高压力(80-90bar)运行，并通过供应压缩机压缩氢气。这一选择也往往也是出于采用管束反应器时，压降将大大影响其生产效率。
众所周知，氢气分离系统，包括PSA(Pressure Swing Adsorption，变压吸附)系统只带来少许压降(通常是几巴(bar))，但其使用不能解决上述问题，仍需要重新压缩氢气。
总之，对于利用来自合成回路的吹扫气，特别是来自CO富集气的回收氢气来合成甲醇，现有技术就设备配置给出了教导，其中合成回路在比气化压力大的压力下运行，因此需要提供供应压缩机；合成回路内的吹扫气被引入循环压缩机的上游，并输送到膜，分子筛或同类系统以回收氢气部分；这样得到的氢气流进入供应压缩机，提高其压力至合成回路的运行压力。
发明内容
本发明的根本问题是设计和提供以来自合成回路的回收氢气合成甲醇的方法，以解决上述所列的问题。特别是，本发明的根本问题是找到一种方法，使合成回路在与供应的补充气体相同的压力运行，去除供应压缩机和额外的氢气压缩机。
上述问题通过合成甲醇的方法，其中新鲜的补充气体流进入甲醇合成回路得以解决，所述方法包括以下步骤：将反应气流输入甲醇合成回路，得到产物气流；将所述产物气流输入冷凝分离区，得到甲醇粗液和循环气流(a recycle gas flow)；将所述循环气流输入合成回路的循环压缩区(circulation compression section)；自合成回路中取吹扫气流，回收所述吹扫气流所含的氢气并将回收氢气重新引入合成回路，所述方法的特点在于具有以下步骤：
-在所述压缩区的下游取吹扫气流；
-将所述吹扫气流输入低压降分离系统(a low pressure dropseparation system)，得到含有回收氢气的气流；
-将所述含有回收氢气的气流，通过与来自所述压缩区的上游的冷凝分离区的循环气流混合，重新引入合成回路；
-自所述吹扫气流的下游将所述新鲜补充气流直接输入合成回路，所述合成回路在与所述新鲜补充气基本相同的压力下运行。
优选的，所述含有回收氢气的气流，以与所述压缩区的吸入压力(suction pressure)基本相同的压力通过分离系统输入，术语基本相同在某种意义上是指：气流的压力略高于压缩区的吸入压力，使分离系统排出的气流进入压缩区的进口。
优选的，低压降分离系统是本身公知的PSA分子筛。
反应气体优选通过预加热区进入反应区，所述预加热区回收反应产物的热量。
本发明的另一目的是提供用于运行根据上述方法的甲醇合成设备。
因此，用于合成甲醇的设备包括合成回路，该回路包括至少一个甲醇合成区，用于得到甲醇粗液和循环气流的冷凝分离区，排放所述循环气流和回收其中所含的氢气的装置，以及合成回路的循环压缩机，其特点在于：
-在所述循环压缩机的下游设置至少一组气流管线(flow line)携载吹扫气流；
-所述吹扫气流管线进入低压降分离系统，以获得压力高于循环压缩机的吸入压力的回收氢气流；
-在所述循环压缩机的上游设置气流管线，通过将所述回收氢气流与所述循环气流混合，将所述回收氢气流重新引入合成回路；
-在所述吹扫气流管线的下游，设置进料管线(feeding line)将新鲜的补充气流直接输入合成回路，所述合成回路在与所述制备补充气流的压力相同的压力运行。
在优选的实施方案中，所述低压降分离系统是用于获得与循环压缩机的吸入压力基本相同的压力的回收氢气流。
优选的，合成区包括配备有内置盘形热交换单元的拟等温(pseudo-isothermal)反应器，如EP-1436075或EP-175736所公开的内容。由于在与气化压力相同的压力下运行，采用所述反应器，即使在相对低的压力(如50-60bar)下也可使合成回路具有较大的生产能力。
本发明的优点如下：由于合成回路在补充气的生产压力下运行，可去除供应压缩机；由于吹扫气在循环压缩机的下游导出，结合采用低压降系统，也可以去除额外的氢气压缩机。后者实际上能够供应与上述压缩机的吸入压力基本相同的氢气，使氢气无需进一步的压缩就能重新进入合成回路环路。
因此本发明的设备更简单，能耗更低，更可靠。
附图说明
图1以简化的方式表示根据本发明的方法的示意图。
具体实施方式
参见图1，其为制备甲醇的方法示意图，包括合成回路1，所述回路1包括合成区2，反应气的预热区3，冷凝分离区4，以及循环压缩机5。
合成回路1通过例如碳燃料和氧气的气化区(未示出)加料，，该气化区制备基本由CO，CO2，H2，CH4组成的新鲜气或补充气的气流6。
如图所示，补充气流6直接输入合成回路1，所述气流6在引入回路1之前不压缩。换言之，补充气流6直接以气化压力输入，如约60bar，合成回路1在相同压力运行。
将反应气流7通过预热区3输入合成区2中，所述预热区3回收从同一合成区2排出的反应产物(气流管线9)的热量，提供预热反应气流8。
冷却的反应产物，以气流管线10表示，进入冷凝分离区4，得到甲醇粗液流11(以进行随后的纯化和分馏)，以及基本上含有CO，CO2，H2，CH4和可能不能冷凝气体的循环气的气流12。
所述循环气的气流12进入循环压缩机5，所述压缩机5的输出气流，以气流管线13表示，与补充气流6混合制得反应气流7。
吹扫气由压缩机5的下游提供，其来自压缩机本身排出的气流13，从而得到吹扫气流14，所述吹扫气流14进入分子筛类，如公知的PSA(变压吸附)的分离装置15，能从存在于吹扫气流14中的其它气体中分离出氢气(H2)。
自所述装置15获得了基本由回收氢气组成的气流16，其压力略低于由压缩机5排出的气流13，与来自所述区4的循环气流12的压力基本上相同。所述回收氢气流13与从所述区4排出并进入同一压缩机的气流12混合，自压缩机5的上游，重新引入合成回路1。
更普遍地，气流16的压力高于气流12的压力，优选16的压力略高于，即基本与12的压力相同。如果情况允许，可在气流16，即在装置15的出口上提供压力释放阀。
还需指出地是吹扫气流14在引入补充气流6的上游导出，即在吹扫气的下游输入补充气。由此避免了排出新鲜气流6，同时以新鲜气稀释了吹扫气流14，从而避免了降低设备15的氢气回收效率。
优选的，合成区2包括板式合成反应器，其即使在相对低的合成回路的压力下，也保证了高产率，相对低的压力由气化区设定，即事实上提供的补充气流6没有压缩机。术语板式反应器更确切的说，板式是指浸在催化基质中的内置有板式换热(冷却)单元的反应器，以保证反应温度基本恒定。
预热区3可由适当的热交换器组成，区4可由冷凝分离器组成。
因此，用于实现上述方法的设备，包括至少一个如上所述的合成回路1，以及连接在各组件之间对应于图1气流管线的适当的连接方式。特别的，设备包括分子筛类的分离装置15，如PSA，其与循环压缩机5平行设置，吹扫气的导出支路对应于气流管线14，导出点位于所述压缩机的下游(压力端)，回收氢气进入合成回路1的重新引入支路对应于气流管线16，重新引入点位于同一压缩机5的上游(吸入端)。
通过装置15的压降，一般在几巴的数量级上，基本上对应于压缩机5吸入端和压力端(pressure side)的压力差；因此能够如上所述无需额外的氢气压缩单元，运行导出吹扫气和回收氢气。
由此本发明实现了上述目的，使合成回路在生产补充气相同的压力(气化)运行，并无需压缩回收吹扫气中所含的氢气。
Claims (7)
1、一种合成甲醇的方法，其中将新鲜的补充气体流(6)输入甲醇合成回路(1)，所述方法包括以下步骤：将反应气流(8)输入甲醇合成区(2)，得到产物气流(9)；将所述产物气流(9)输入冷凝分离区(4)，得到甲醇粗液(11)和循环气流(12)；将所述循环气流(12)输入合成回路(1)的循环压缩区(5)；自合成回路(1)中取吹扫气流(14)，回收所述吹扫气流(14)所含的氢气并将回收氢气重新引入合成回路(1)，其特征在于，具有以下步骤：
-在所述压缩区(5)的下游取吹扫气流(14)；
-将所述吹扫气流(14)输入低压降分离系统(15)，得到含有回收氢气的气流(16)；
-将所述含有回收氢气的气流(16)，通过与来自所述压缩区(5)上游的冷凝分离区(4)的循环气流(12)混合，重新引入合成回路(1)；
-自所述吹扫气流(14)的下游将所述新鲜补充气流(6)直接输入合成回路(1)，所述合成回路(1)在与所述新鲜补充气(6)基本相同的压力下运行。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含有回收氢气的气流(16)，以与所述压缩区(5)的吸入压力基本相同的压力通过分离系统(15)输入。
3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述低压降分离系统(15)包括分子筛。
4、如权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述合成回路(1)在约60bar的压力下运行。
5、一种适于实施如权利要求1-4任一所述的方法的甲醇合成设备，所述设备包括合成回路(1)，该回路(1)包括至少一个甲醇合成区(2)，用于得到甲醇粗液(11)和循环气流(12)的冷凝分离区(4)，排放所述循环气流(12)和回收其中所含的氢气的装置(14，15，16)，以及合成回路的循环压缩机(5)，其特征在于，包括：
-至少一组气流管线(14)，设置于所述循环压缩机的下游以携载吹扫气流；
-低压降分离系统(15)，所述吹扫气流管线(14)进入其中，以获得压力高于循环压缩机的吸入压力的回收氢气流；
-气流管线(16)，设置于所述循环压缩机(5)的上游，通过将所述回收氢气流与所述循环气流(12)混合，将所述回收氢气流重新引入合成回路(1)；
-进料管线(6)，设置于所述吹扫气流管线(14)的下游，用于将新鲜的补充气流直接输入合成回路(1)，所述合成回路(1)以与所述制备补充气流的压力相同的压力运行。
6、如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述低压降分离系统(15)用于获得压力与循环压缩机(5)的吸入压力基本相同的回收氢气流。
7、如权利要求5或6所述的设备，其特征在于，所述合成区(2)包括至少一个配备有内置盘形热交换单元的反应器。
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