CN107257775A - 用于获得富氢气的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于由包含天然气的气流获得富氢气的方法。本发明涉及一种用于由包含天然气的气流获得富氢气的系统。本发明可在化工设备中用于烃合成。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于由包含天然气的气流获得富氢气的方法。本发明涉及一种用于由包含天然气的气流获得富氢气的系统。
背景技术
来自合成气的烃的合成反应如体费-托(Fischer-Tropsch)法可用于将含烃原料转化成正常液体和/或固体烃(即在0℃，1巴下测量)。原料(例如天然气、伴生气、煤层甲烷、渣油馏分、生物质和/或煤)在第一步中转化成氢气和一氧化碳的混合物。此混合物通常被称作合成气(synthesis gas或syngas)。将合成气进料到反应器中，其中合成气经合适的催化剂在高温和压力下转化成从甲烷到包含高达200个碳原子，或在特殊情况下甚至更多碳原子的高分子量分子的链烷烃化合物。将在费-托法中制造的烃产物处理成不同的馏分，例如主要包含C5+烃的液态烃流和包含甲烷、二氧化碳、未转化的一氧化碳、未转化的氢气、烯烃和低级烃的气态烃流。气态烃流还可包含氮气和/或氩气，因为输送到费-托反应器的合成气可含有一些氮气和/或氩气。
气态烃流通常被称作费-托废气。费-托废气可再循环到合成气制造反应器或回收到费-托反应器。有时在使废气再循环之前去除低级烃。低级烃可通过降低废气的温度并且随后应用气液分离而去除。
然而，当废气再循环到合成气制造反应器或再循环到费-托反应器时，在废气中不参与反应的组分(如氮气和氩气)占据反应器空间。不参与费-托反应的组分也被称作“惰性物质”。
在费-托反应器中惰性物质的含量随着增加费-托废气再循环而增加。通常仅再循环废气的相对较小的一部分。一种可能是将费-托废气的一部分再循环到一个或多个费-托反应器和/或再循环到合成气制造单元，而废气的另一部分用作燃料。这样的不利方面在于仅含烃原料的一部分碳原子被转化成期望的C5+烃。可通过使废气再循环之前处理废气来降低惰性物质积累的速度。
US20110011128描述了包含PSA的系统，其中使用PSA(其可为常规共吹扫H2PSA单元)产生纯化的氢气。这类系统可适用于离开蒸汽甲烷重整器的富氢气混合物，但是不适合于处理包含费-托法的贫氢气废气的氮气。
US20040077736提及其中液相和蒸气相从烃合成阶段抽出的方法。在蒸气相处理阶段中，可去除具有3个或更多个碳原子的烃产物，并且残余蒸气相随后可传到PSA。使用PSA，分离第一气体组分、第二气体组分并且任选地第三气体组分。第一气体组分包含一氧化碳和氢气。第二气体组分包含甲烷，并且任选的第三气体组分包含二氧化碳。将第一气体组分再循环到烃合成阶段。US20040077736未提供关于使用的PSA方法的细节。在将第一气体组分再循环到烃合成阶段时，常规使用正常的PSA将导致在第一气体组分中一氧化碳的相对较低的回收，和氮气在反应器中的积累。
US20080300326-A1描述了使用PSA方法分离费-托废气。所述方法产生包含氢气的至少一种气体流、主要包含甲烷的至少一种气体流，和包含二氧化碳、氮气和/或氩气和具有至少2个碳原子的烃的至少一种气体流。使用的PSA包含至少三种吸附剂床：氧化铝、碳分子筛或硅酸盐、活性碳，和任选地沸石。氧化铝用于去除水。碳分子筛或硅酸盐用于吸附二氧化碳和部分甲烷。活性碳用于吸附甲烷和部分氮气以及一氧化碳。沸石可用于吸附氮气、氩气和一氧化碳。PSA的产物流主要包含氢气。其它气流在减压阶段期间获得。US20080300326-A1的方法的缺点至少为如下。氮气在PSA中仅被部分吸附。这导致当氢气流作为反应气体使用(即再循环)时氮气在费-托反应器中的积累。此外，当甲烷流用于产生合成气时，甲烷流包含氮气，并且因此导致氮气在合成气中，并且因此在费-托反应器中的积累。US20080300326-A1的方法的另一个缺点为一氧化碳仅以有限的量再循环到费-托反应器。一氧化碳存在于氢气流中和甲烷流中。
在化工设备，如GTL设备中大量地使用氢气。因此，在所属领域中仍持续地需要尽可能有效地产生氢气。因为氢气是一种最有价值的组分，所以在所属领域中还仍持续地需要尽可能有效地使用氢气。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种有效地产生氢气的方法。
另外，本发明的一个目的是提高在化工设备中氢气的使用效率。
通过根据本发明处理天然气实现上述目的中的一个或多个。本发明涉及一种用于由包含天然气的气流获得富氢气的方法。所述方法包含以下步骤：
(1)将包含气体和适量蒸汽的所述天然气进料到至少包含蒸汽甲烷重整器(SMR)和任选地在SMR上游的预重整反应器的重整单元，获得第一流出物；
(2)将所述第一流出物和任选地适量的蒸汽进料通过(一个或多个)高、中或低温变换反应器或其组合，以将一氧化碳和水的至少一部分转化成氢气和二氧化碳，以获得第二流出物；
(3)任选地，从在步骤(1)或(2)中获得的第二流出物中去除大量水；
(4)将步骤(2)和/或(3)的第二流出物进料通过变压吸附(PSA)单元，操作所述变压吸附(PSA)单元以获得富氢气流；
其中将废气添加到所述包含天然气的气流中和/或在步骤(1)中获得的第一流出物中，其中在重整单元的上游提供的废气在添加到包含天然气的气流之前与蒸汽混合。
本发明人已发现可通过将包含天然气的气流进料到根据本发明的系统中来实现所述目的中的一个或多个。所述系统包含串联连接的：
-一个或多个重整单元，每个单元都至少包含蒸汽甲烷重整反应器；
-用以将一氧化碳和蒸汽的至少一部分转化成氢气和二氧化碳的一个或多个高、中或低温变换反应器或其组合；和
-一个或多个变压吸附单元。
所述系统允许由包含天然气的气流制造富氢气。
具体实施方式
如上所述，本发明涉及一种用于由包含天然气的气流获得富氢气的方法。根据本发明的方法包含以下步骤：
(1)将所述气体和适量的蒸汽进料到包含蒸汽甲烷重整反应器的重整单元，获得第一流出物；
(2)将所述第一流出物和任选地适量的蒸汽进料通过(一个或多个)高、中或低温变换反应器或其组合，以将一氧化碳和水的至少一部分转化成氢气和二氧化碳，以获得第二流出物；
(3)任选地，从在步骤(2)中获得的第二流出物去除大量水；
(4)将步骤(2)和/或(3)的第二流出物进料通过变压吸附(PSA)单元，操作所述变压吸附(PSA)单元以获得富氢气流。
在步骤(1)中，包含天然气的气流与蒸汽混合并且进料通过蒸汽甲烷重整反应器。在离开SMR反应器时，第一流出物离开。操作反应器使得主要形成氢气和一氧化碳。在只有天然气进料通过反应器的情况下，第一流出物主要由合成气组成。其中合成气(synthesisgas)(也称为合成气(syngas))意指包含氢气和一氧化碳的气体。少量的未转化的(残余)甲烷可存在于第一流出物中。另外，惰性化合物如氮气和氩气可存在于第一流出物中。
在优选实施例中，SMR反应器的入口温度在830℃和1000℃之间，优选地在830℃和930℃之间。在这些范围内，获得了良好的转化结果。
优选地，在15巴到50巴范围内的压力下操作SMR。在这些压力下，获得了良好的转化结果。
SMR反应器可购自(除其它以外)托普索公司(Haldor Topsoe A/S)和林德集团(The Linde Group)。
在步骤(2)中，将第一流出物进料通过(一个或多个)高、中或低温变换反应器或其组合。在变换反应器中，一氧化碳和水的至少一部分被转化成氢气和二氧化碳。因此，与第一流出物的氢气含量相比，第二流出物的氢气含量增加。
在将第二流出物进料到变压吸附(PSA)单元之前，可去除过量的水(步骤(3))。在将步骤(2)和/或(3)的第二流出物进料通过变压吸附(PSA)单元之后，操作变压吸附(PSA)单元使得获得富氢气流。
优选地，富氢气流由至少80vol％，更优选地至少90vol％氢气组成，并且甚至更优选的为至少99vol％。
通过操作用于从包含天然气的气流获得富氢气的系统来执行根据本发明的方法，所述系统包含串联连接的：
-一个或多个重整单元，每个单元都至少包含蒸汽甲烷重整反应器；
-用以将一氧化碳和蒸汽的至少一部分转化成氢气和二氧化碳的一个或多个高、中或低温变换反应器或其组合；和
-一个或多个变压吸附单元。此系统也为本发明的实施例。
在本发明的一个实施例中，步骤4包含以下步骤：
(A)-将在步骤(2)和/或(3)中获得的第二流出物进料通过PSA单元中的一个或多个柱，一个或多个包含吸附剂床，其中吸附剂床包含氧化铝、碳分子筛、硅质岩、活性碳、沸石或它们的混合物，
-在开始所述进料时，将床和柱预饱并预加压到在20巴绝对压力到80巴绝对压力(bar a)，优选地30-70bar a范围内的压力，其中气体优选地包含或其组成为步骤(2)和/或(3)的第二流出物或包含80-99.9vol％氢气的气体；和
-从所述床的另一端排出第三流出物，和
-持续所述进料和所述排出，直到包含氮气和/或氩气的气体已达到至少45％的床长度并且已达到至多80％的床长度，从进料所述第二流出物的床的末端处计算；
(B)停止进料第二流出物，并且将柱和床中的压力降低约2-25bar a；和
(C)将柱和吸附剂床的压力进一步降低到在1-5bar a范围内的压力；和
(D)通过使优选地包含80-99.9vol％氢气的气体进料通过柱和吸附剂床冲洗柱和吸附剂床：
-柱和床在1-5bar a范围内的压力下；和
(E)通过进料优选地包含或其组成为步骤(2)和/或(3)的第二流出物或包含80-99.9vol％氢气的气体，将柱和吸附剂床加压到在15-75bar a，优选地25-65bar a，更优选地30-55bar a范围内的压力。
第三流出物富含氢气并且含有至少80vol％，并且优选地至少90vol％，并且更优选地至少99vol％氢气并且优选地最多99.9vol％氢气。
第四流出物通过冲洗柱获得并且主要含有二氧化碳和惰性物质与残余的一氧化碳、氢气和甲烷。
任选地，在步骤(D)中，在通过将包含大于80vol％氢气的气体，优选地包含大于95vol％氢气并且更优选大于99.9vol％氢气的气体进料通过柱和吸附剂床来冲洗所述柱之前，柱首先用来自步骤(B)的流出物冲洗。
在步骤(D)中进料到柱和床的氢气利用氮气和/或氩气冲洗床。流出物气体的压力将与柱和吸附剂床中的压力大约相同并且将因此在1-5bar a范围内。流出物可将流出物输送到燃料池。
在步骤(E)中，通过进料含有气体的氢气将柱和吸附剂床加压到在15-75bar a，优选地25-65bar a，更优选地30-55bar a范围内的压力。在步骤(E)中，含有气体的氢气优选地为来自步骤(A)和/或第二流出物的产物氢气的一部分。
任选地，在步骤(D)和(E)中进料到柱的氢气为纯氢气。在步骤(D)和(E)中进料到柱的氢气优选地为包含大于80vol％氢气的气体，更优选地包含大于95vol％氢气并且更优选地大于99.9vol％氢气的气体。可用包含步骤(A)或(B)的气体的产物氢气执行冲洗步骤(D)。
在本发明的优选实施例中，将废气添加到所述包含天然气的气流中和/或在步骤(1)中获得的第一流出物中，所述废气优选地通过合成气的烃合成反应，优选地费-托反应产生，优选地将所述废气提供给所述包含天然气的气流中和在步骤(1)中获得的第一流出物中。本发明人已发现，根据本发明处理废气和天然气的组合是一种非常有效的产生氢气的方式。
一氧化碳变换反应器不是回收一氧化碳，而是可用于增加废气的氢气含量。
费-托废气可包含气态烃、氮气、氩气、甲烷、未转化的一氧化碳、二氧化碳、未转化的氢气和水。气态烃适当地为C1-C5烃，优选地C1-C4烃，更优选C1-C3烃。这些烃或它们的混合物在5℃到30℃(1巴)的温度下，尤其在20℃(1巴)下为气态。另外，可存在含氧化合物，例如甲醇、二甲醚。
在大多数情况下，费-托废气将含有基于干燥气体混合物的总体积计算的5-80vol％氢气，优选地8-25vol％氢气，10-45vol％CO，优选地15-40vol％CO，10-65vol％CO2，优选地10-35vol％CO2，0.5-55vol％N2，优选地1-20vol％N2和0-55vol％氩气，优选地0.1-55vol％氩气。根据合成气进料和费-托条件，费-托废气的组成可变化。显然，气体混合物的总体积为100vol％。
在优选实施例中，将废气进料通过步骤(1)中的蒸汽甲烷重整反应器和/或进料通过
步骤(2)中的(一个或多个)高、中或低温变换反应器。
因此，在本发明的实施例中，将废气和蒸汽同时添加到气流中。
在使用高温变换反应器的情况下，进入反应器的气流的入口温度在300℃到350℃范围内。
在本发明的实施例中，在重整单元的上游提供的废气在添加到包含天然气的气流之前与蒸汽混合。
将获得的天然气、废气和蒸汽的气体混合物进料通过蒸汽甲烷重整器。如先前所提到，在SMR反应器中，甲烷被转化成氢气(H2)和一氧化碳(CO)。因此，离开反应器的流出物包含氢气、一氧化碳和如惰性物质的化合物、残余甲烷和二氧化碳。
在本发明的实施例中，将废气添加到SMR反应器的流出物以获得包含流出物和废气的气体混合物。将此混合物进料通过(一个或多个)高、中或低温变换反应器或其组合。存在于气体混合物中的一氧化碳和水的至少一部分被转化成氢气和二氧化碳。
在实施例中，将废气添加到在SMR反应器的上游包含天然气的气流并且添加到SMR反应器的流出物中。因此，根据此实施例，将废气添加到(一个或多个)SMR反应器的上游和下游的气流中。
在实施例中，仅基于天然气的气流被进料到SMR反应器。天然气的主要组分为甲烷，并且还可存在其它化合物，如高级烷烃和氮气。优选地，使用的天然气在将其进料通过SMR反应器之前脱硫。
在本发明的实施例中，废气包含(以基于所述废气的总体积的体积百分比计)：
在本发明的实施例中，进料到(一个或多个)高、中或低温变换反应器或其组合的气体包含(以基于进料气体的总体积的体积百分比计)：
在本发明的实施例中，第二流出物包含(以基于第二流出物的总体积的体积百分比计)：
本发明涉及一种用于执行根据本发明的方法的系统。所述系统包含，串联连接的：
-一个或多个重整单元，每个单元至少包含蒸汽甲烷重整反应器和任选地预重整反应器；
-将一氧化碳和蒸汽的至少一部分转化成氢气和二氧化碳的一个或多个高、中或低温变换反应器或其组合；和
-一个或多个变压吸附单元。此系统也为本发明的实施例。
根据本发明用于从包含天然气的气流获得富氢气的系统包含变压吸附单元，所述变压吸附单元包含：
-一个或多个柱，其包含吸附剂床，其中所述吸附剂床包含氧化铝、碳分子筛、硅质岩、活性碳、沸石或它们的混合物。
优选地，根据步骤(A)到(E)操作PSA柱。本发明人已发现，通过执行这些步骤可有效地将氢气与第二流出物的其它组分分离。
优选地，系统包含在一个或多个蒸汽甲烷重整反应器的上游用于将废气添加到天然气流的入口。用于添加蒸汽的第二入口还可存在于(一个或多个)SMR反应器的上游。所述废气优选地来源于一个或多个烃合成反应器如(一个或多个)费-托反应器。本发明人已发现，借助根据本发明的系统，与天然气组合的废气可用于有效地生产氢气。
优选地，根据本发明的系统包含在一个或多个高、中或低温变换反应器或其组合的上游用于将废气添加到第一流出物的入口，其中废气来源于烃合成反应器，如费-托反应器。
优选地，根据本发明的系统包含：
-另外的PSA单元，其包含在所述第一PSA单元的下游提供的一个或多个柱，所述一个或多个柱包含吸附剂床，所述吸附剂床包含氧化铝、碳分子筛、硅质岩、活性碳、沸石或它们的混合物。
所述第二单元可用于分离在通过第一PSA单元执行的第一PSA分离步骤之后剩余的气体混合物的一种或多种组分。
在本发明的实施例中，重整单元进一步包含预重整反应器。因此，根据此实施例，重整单元包含串联连接的预重整器反应器和SMR反应器。在预重整器中，甲烷的一部分被转化成氢气和一氧化碳。在应用预重整器的情况下，在SMR处的入口温度可降低到低于830℃并且优选地低于700℃。
将通过附图进一步说明本发明。附图表示本发明的优选实施例并且不旨在限制本发明。
图1示意性地描绘在不添加废气的情况下根据本发明的系统。
图2示意性地描绘在SMR反应器的上游添加废气的情况下根据本发明的系统。
图3示意性地描绘仅在SMR反应器的下游添加废气的情况下根据本发明的系统。
图4、图5和图6示意性地描绘在SMR反应器的上游和下游添加废气的情况下根据本发明的系统。
在附图中，描绘了根据本发明的系统。在这些图中，1表示SMR反应器，2表示CO变换反应器并且3表示PSA单元。标号4指示包含天然气的气流，并且6指示富氢气流。标号7指示包含组分的剩余部分的气流(PSA单元的废料流)。标号8描绘蒸汽流。在图1到图4中，将此流添加到包含气流(4)的天然气，并且图5中将蒸汽添加到废气流(5)。此外，在图6中，将蒸汽添加到在SMR反应器下游的废气流。
除在附图中描绘的系统以外，添加蒸汽其它选择也是可能的，如将蒸汽直接并且与废气分开地添加到离开SMR反应器的第一流出物。
Claims (12)
1.一种用于由包含天然气的气流获得富氢气的方法，所述方法包含以下步骤：
(5)将包含气体和适量蒸汽的所述天然气进料到至少包含蒸汽甲烷重整器(SMR)和任选地在所述SMR上游的预重整反应器，获得第一流出物；
(6)将所述第一流出物和任选地适量的蒸汽进料通过(一个或多个)高、中或低温变换反应器或其组合，以将一氧化碳和水的至少一部分转化成氢气和二氧化碳，以获得第二流出物；
(7)任选地，从在步骤(1)或(2)中获得的所述第二流出物中去除大量水；
(8)将步骤(2)和/或(3)的所述第二流出物进料通过变压吸附(PSA)单元，操作所述变压吸附(PSA)单元以获得富氢气流；
其中将废气添加到所述包含天然气的气流中和/或在步骤(1)中获得的第一流出物中，其中在所述重整单元的上游提供的所述废气在添加到所述包含天然气的气流之前与蒸汽混合。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤4包含以下步骤：
(A)将在步骤(2)和/或(3)中获得的所述第二流出物进料通过所述PSA单元中的一个或多个柱，所述一个或多个柱包含吸附剂床，其中所述吸附剂床包含氧化铝、碳分子筛、硅质岩、活性碳、沸石或它们的混合物，
在开始所述进料时，将所述床和柱预饱和并预加压到在20-80巴绝对压力(bar a)、优选地30-70bar a范围内的压力，其中气体优选地包含或其组成为步骤(2)和/或(3)的所述第二流出物或包含80-99.9vol％氢气，和
从所述床的另一端排出第三流出物，和
持续所述进料和所述排出，直到包含氮气和/或氩气的气体已达到至少45％的所述床的长度并且已达到至多80％的所述床的长度，从进料所述第二流出物的所述床的末端处计算；
(B)停止进料第二流出物，并且将所述柱和所述床中的所述压力降低约2-25bara；和
(C)将所述柱和吸附剂床的所述压力进一步降低到在1-5bar a范围内的压力；和
(D)通过使优选地包含80-99.9vol％氢气的气体进料通过所述柱和吸附剂床冲洗所述柱和吸附剂床：
所述柱和床在1-5bar a范围内的压力下；和
(E)通过进料优选地包含或其组成为步骤(2)和/或(3)的所述第二流出物或包含80-99.9vol％氢气的气体，将所述柱和吸附剂床加压到在15-75bar a、优选地25-65bara、更优选地30-55bar a范围内的压力。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述废气优选地通过合成气的烃合成反应、优选地费-托反应产生，优选地将所述废气提供给所述包含天然气的气流和在步骤(1)中获得的第一流出物。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中将所述废气进料通过步骤(1)中的所述蒸汽甲烷重整反应器和/或进料通过步骤(2)中的(一个或多个)所述高、中或低温变换反应器。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述废气包含(以基于所述废气的总体积的体积百分比计)：
6.根据权利要求3到5中任一项所述的方法，其中进料到所述(一个或多个)高、中或低温变换反应器或其组合的所述气体包含(以基于所述进料气体的总体积的体积百分比计)：
7.根据权利要求3到6中任一项所述的方法，其中所述第二流出物包含(以基于所述第二流出物的总体积的体积百分比计)：
8.一种用于由包含天然气的气流获得富氢气的系统，其包含串联连接的：
一个或多个重整单元，每个单元都至少包含预重整反应器和蒸汽甲烷重整反应器以及任选地预重整反应器；
用以将一氧化碳和蒸汽的至少一部分转化成氢气和二氧化碳的一个或多个高、中或低温变换反应器或其组合；和
一个或多个变压吸附单元。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述变压吸附单元包含：
一个或多个柱，其包含吸附剂床，其中所述吸附剂床包含氧化铝、碳分子筛、硅质岩、活性碳、沸石或它们的混合物。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其中所述系统包含在所述一个或多个蒸汽甲烷重整反应器的上游用于将废气添加到所述天然气流的入口，其中所述废气来源于烃合成反应器，如费-托反应器。
11.根据权利要求8到10中任一项所述的系统，其中所述系统包含在一个或多个高、中或低温变换反应器或其组合的上游用于将废气添加到第一流出物的入口，其中所述废气来源于烃合成反应器，如费-托反应器。
12.根据权利要求8到11中任一项所述的系统，其中所述系统包含：
另外的PSA单元，其包含在所述第一PSA单元的下游提供的一个或多个柱，所述一个或多个柱包含吸附剂床，所述吸附剂床包含氧化铝、碳分子筛、硅质岩、活性碳、沸石或它们的混合物。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20171017 |