-
Stand der Technik
-
-
Die oxidative Kopplung von Methan umfasst nach derzeitigem Kenntnisstand eine katalysierte Gasphasenreaktion von Methan mit Sauerstoff, bei der von zwei Methanmolekülen jeweils ein Wasserstoffatom abgespalten wird. Die dabei entstehenden Methylradikale reagieren zunächst zu einem Ethanmolekül. Bei der Reaktion wird ferner ein Wassermolekül gebildet. Bei geeigneten Verhältnissen von Methan zu Sauerstoff, geeigneten Reaktionstemperaturen und der Wahl geeigneter Katalysebedingungen erfolgt anschließend eine Oxydehydrierung des Ethans zu Ethylen, einer Zielverbindung bei der oxidativen Kopplung von Methan. Hierbei wird ein weiteres Wassermolekül gebildet. Der eingesetzte Sauerstoff wird bei den genannten Reaktionen typischerweise vollständig umgesetzt.
-
Die Reaktionsbedingungen bei der oxidativen Kopplung von Methan umfassen klassischerweise eine Temperatur von 500 bis 900 °C, einen Druck von 5 bis 10 bar und hohe Raumgeschwindigkeiten. Jüngere Entwicklungen gehen insbesondere auch in Richtung der Verwendung tieferer Temperaturen. Die Reaktion kann homogen- und heterogenkatalytisch im Festbett oder in der Wirbelschicht erfolgen. Bei der oxidativen Kopplung von Methan können auch höhere Kohlenwasserstoffe mit bis zu sechs oder acht Kohlenstoffatomen gebildet werden, der Schwerpunkt liegt jedoch auf Ethan bzw. Ethylen und ggf. noch Propan bzw. Propylen.
-
Insbesondere aufgrund der hohen Bindungsenergie zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff im Methanmolekül sind die Ausbeuten bei der oxidativen Kopplung von Methan vergleichsweise gering. Typischerweise werden nicht mehr als 10 bis 15% des eingesetzten Methans umgesetzt. Außerdem begünstigen die vergleichsweise harschen Reaktionsbedingungen und Temperaturen, die zur Spaltung dieser Bindungen erforderlich sind, auch die weitere Oxidation der Methylradikale und anderer Intermediate zu Kohlenmonoxid und Kohlendioxid.
-
In Prozessen und Anlagen zur oxidativen Kopplung von Methan werden daher zunächst Gasgemische erhalten, die neben primären Zielverbindungen wie Ethan und Ethylen überwiegend nicht umgesetztes Methan sowie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasser und weitere Nebenprodukte enthalten. Durch parallel zur oxidativen Kopplung von Methan ablaufende erfolgende nichtkatalytische Spaltreaktionen können auch beträchtliche Mengen an Wasserstoff gebildet werden.
-
Bei der oxidativen Kopplung von Methan können Reaktoren mit mehreren Reaktionszonen oder entsprechende Reaktoranordnungen mit mehreren Reaktoren, die jeweils eine oder mehrere entsprechende Reaktionszonen aufweisen, eingesetzt werden. Insbesondere kann ein durch die eigentliche oxidative Kopplung von Methan gebildetes Gasgemisch der soeben erläuterten Art aus einer oder mehreren hierfür verwendeten katalytischen Reaktionszonen zumindest zum Teil in eine oder mehrere nichtkatalytische Reaktionszonen überführt werden.
-
In der oder den nichtkatalytischen Reaktionszonen liegen zunächst noch vergleichsweise hohe Temperaturen vor. Insbesondere durch die Anwesenheit des bei der oxidativen Kopplung von Methan gebildeten Wassers ähneln daher die Reaktionsbedingungen hier jenen herkömmlicher Dampfspaltverfahren (engl. Steam Cracking), bei denen Kohlenwasserstoffe in Gegenwart von Dampf typischerweise bei Temperaturen von 800 bis 860 °C bei Verweilzeiten von ca. 0,1 bis 0,8 Sekunden gespalten werden. Daher können auf diese Weise Ethan und höhere Paraffine zu Olefinen umgesetzt werden. In eine nichtkatalytische Reaktionszone können auch weitere Paraffine eingespeist werden, so dass die Restwärme der oxidativen Kopplung von Methan in besonders vorteilhafter Weise ausgenutzt werden kann. Ein derartiges gezieltes Dampfspalten wird auch als „Post Bed Cracking“ (PBC) bezeichnet. Nachfolgend wird auch der Begriff „postkatalytisches Dampfspalten“ verwendet.
-
Bezüglich den beim Dampfspalten herrschenden Reaktionsbedingungen sei ebenfalls auf Fachliteratur wie den Artikel „Ethylene“ in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Onlineausgabe, 15. April 2007, DOI 10.1002/14356007.a10_045.pub2, verwiesen. Das Dampfspalten wird beispielsweise zur Gewinnung von kurzkettigen Olefinen wie Ethylen und Propylen, Diolefinen wie Butadien oder von Aromaten eingesetzt, ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
-
Ein in einem entsprechenden Prozess dem oder den Reaktoren entnommenes Gasgemisch wird typischerweise einer möglichst raschen und effizienten Abkühlung, einem sogenannten Quench, unterworfen, um die ablaufenden kinetischen Reaktionen möglichst rasch zum Stillstand zu bringen und damit eine Weiterreaktion zu unerwünschten Nebenprodukten unterbinden. Außerdem soll das Gasgemisch für die nachfolgende destillative Auftrennung konditioniert werden. Dies gilt ungeachtet dessen, ob in entsprechenden Prozessen ein postkatalytisches Dampfspalten erfolgt oder nicht. Der Quench wird in einem Quenchkühler durchgeführt, dabei wird heißes Gas über eine direkte Kühlung durch eine Flüssigkeit (üblicherweise Wasser) abgekühlt. In den nach dem Stand der Technik verwendeten Verfahren wird das heiße Gas beispielsweise über ein in Flüssigkeit getauchtes Kernrohr in die Flüssigkeit geführt. Über die Flüssigkeit tritt das Gas in ein über dem Kernrohr liegendes Mittelrohr mit größerem Durchmesser aus, wodurch es mit Flüssigkeit angereichert beziehungsweise gesättigt wird. Hier im sogenannten Aufströmbereich verdampfen die im Gas enthaltenen Flüssigkeitstropfen und kühlen dadurch das Gas ab. Derartige Verfahren nach dem Stand der Technik sind in
US 4,801,307 A ,
US 4,705,542 A ,
US 4,624,683 A und
EP 1 384 699 A1 beschrieben. Zu weiteren Details sei auf die zitierte Fachliteratur zum Thema Dampfspalten verwiesen, da der Zweck des Quenchs hier im Wesentlichen derselbe wie bei der oxidativen Kopplung von Methan ist.
-
Die sich an den Quench anschließende trenntechnische Bearbeitung des Gasgemischs umfasst herkömmlicherweise eine weitere Kühlung auf Umgebungstemperatur. Hierbei kondensiert der überwiegende Teil des in dem Gasgemisch enthaltenen Wassers aus. Anschließend erfolgen eine Verdichtung und danach eine Entfernung des Kohlenstoffdioxids, beispielsweise unter Verwendung einer Amin- und/oder Laugenwäsche. Restwasser wird typischerweise adsorptiv, beispielsweise unter Verwendung von Molsiebadsorbern, abgetrennt.
-
Ein durch eine entsprechende Aufbereitung erhaltenes Gasgemisch kann nach einer Verdichtung einer Tieftemperaturtrennung zugeführt werden, in der beispielsweise Methan und tiefer als Methan siedende Komponenten, also insbesondere Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff, sofern enthalten, zumindest überwiegend abgetrennt werden. Der verbleibende Rest des Gasgemischs enthält dann überwiegend oder ausschließlich Ethylen und höher als Ethylen siedende Verbindungen, soweit in dem Gasgemisch zuvor enthalten.
-
Das bisherige Wärmeintegrationskonzept der Prozesse und Anlagen zur oxidativen Kopplung von Methan ist zum einen apparativ aufwendig und benötigt darüber hinaus zusätzliche Apparate für das Anfahren der Anlage, bspw. einen Dampferzeuger oder einen Prozessofen. Damit gestaltet sich der heiße Teil der Anlage technisch komplex und wirtschaftlich aufwendig. Zudem wird während des Normalbetriebs das Anfahrequipment nicht genutzt und stellt damit totes Kapital dar.
-
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, Prozesse und Anlagen zur Gewinnung von Ethylen und optional weiterer Olefine, in denen zumindest eine oxidative Kopplung von Methan eingesetzt wird, zu verbessern und effizienter durchzuführen bzw. zu betreiben.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung einen Prozess zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffprodukts, insbesondere Ethylen und optional weiterer Olefine, und eine entsprechende Anlage gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs vor. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
-
Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch einige Grundlagen und die verwendeten Begriffe erläutert.
-
Ist nachfolgend davon die Rede, dass „unter Einsatz eines Verfahrens zur oxidativen Kopplung von Methan“ ein gasförmiges Stoffgemisch gebildet wird, soll hierunter verstanden werden, dass das entsprechende Gasgemisch zumindest einige durch eine oxidative Kopplung von Methan gebildete Komponenten umfasst und damit ein entsprechendes Verfahren an der Bildung des Gasgemischs beteiligt ist. Wie zuvor erläutert, können entsprechende Prozesse auch derart ausgestaltet sein, dass einem katalytischen Schritt bzw. einer katalytischen Reaktionszone ein nichtkatalytischer Schritt bzw. eine nichtkatalytische Reaktionszone in einem entsprechenden Reaktor nachgeschaltet ist. Auch in diesem Fall ist ein entsprechendes Gasgemisch jedoch „unter Einsatz eines Verfahrens zur oxidativen Kopplung von Methan“ gebildet. Bei der Bildung sind hier lediglich weitere Verfahren bzw. Reaktionen beteiligt.
-
Die vorliegende Erfindung kann unter Verwendung unterschiedlichster Reaktoranordnungen realisiert werden. Beispielsweise können parallel oder seriell angeordnete Reaktoren beliebiger Art eingesetzt werden. Beispielsweise können rein katalytische und rein nichtkatalytische Reaktoren parallel oder seriell miteinander verbunden sein. Es ist jedoch auch möglich, einzelne Reaktoren mit katalytischen und nichtkatalytischen Reaktionszonen auszustatten.
-
Komponentengemische, insbesondere Gasgemische, beispielsweise eine Methan enthaltende Fraktion oder eine Ethan enthaltende Fraktion, können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei der Begriff „reich“ für einen Gehalt von wenigstens 75%, 80%, 90%, 95% oder 99% und der Begriff „arm“ für einen Gehalt von höchstens 25%, 20%, 10%, 5% oder 1 % auf molarer, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Komponentengemische können im hier verwendeten Sprachgebrauch ferner angereichert oder abgereichert an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei sich diese Begriffe auf einen entsprechenden Gehalt in einem anderen Komponentengemisch beziehen, unter Verwendung dessen das betrachtete Komponentengemisch gebildet wurde. Das betrachtete Komponentengemisch ist „angereichert“, wenn es zumindest den 1,5-fachen, 2-fachen, 5-fachen, 10-fachen, 100-fachen oder 1.000-fachen Gehalt der bezeichneten Komponente(n) aufweist, und „abgereichert“, wenn es höchstens den 0,75-fachen, 0,5-fachen, 0,1-fachen, 0,01-fachen oder 0,001-fachen Gehalt der bezeichneten Komponente(n) aufweist. Ein „überwiegend“ eine oder mehrere Komponenten enthaltendes Komponentengemisch ist insbesondere reich an dieser bzw. diesen Komponenten im soeben erläuterten Sinn.
-
Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe „Druckniveau“ und „Temperaturniveau“, wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen in einer entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, deren Maximal- und Minimalwerte sich um beispielsweise nicht mehr als 1 %, 5%, 10% oder sogar 20% unterscheiden.
-
Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei den hier in bar bzw. mbar angegebenen Druckniveaus handelt es sich jeweils um Absolutdrücke.
-
Ein „Verdichter“ ist eine Vorrichtung, die zum Verdichten wenigstens eines gasförmigen Stroms von wenigstens einem Eingangsdruck, bei dem dieser dem Verdichter zugeführt wird, auf wenigstens einen Enddruck, bei dem dieser dem Verdichter entnommen wird, eingerichtet ist. Ein Verdichter bildet eine bauliche Einheit, die jedoch mehrere „Verdichterstufen“ in Form von Kolben-, Schrauben- und/oder Schaufelreihen (also Axial- oder Radialverdichterstufen) aufweisen kann. Bei einem Turboverdichter umfasst eine Verdichterstufe dabei typischerweise ein Turbinenrad bzw. eine entsprechende Anordnung von Turbinenschaufeln. Bei anderen Verdichtertypen sind beispielsweise Kolben auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Sämtliche Verdichterstufen können dabei von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Verdichterstufen einzeln oder gruppenweise mit unterschiedlichen Wellen anzutreiben, wobei die Wellen auch über Getriebe miteinander verbunden sein können. Als Antrieb für einen entsprechenden Verdichter werden im Stand der Technik beispielsweise Dampfturbinen oder Elektromotoren eingesetzt. Selbstverständlich können im Rahmen der vorliegenden Erfindung statt einem ein- oder mehrstufigen Verdichter auch mehrere ein- oder mehrstufige Verdichter oder beliebige Kombinationen aus ein- und/oder mehrstufigen Verdichtern eingesetzt werden. Ein Verdichter im erläuterten Sinn oder eine Verdichterstufe eines solchen Verdichters führt im Sprachgebrauch dieser Anmeldung einen „Verdichtungsschritt“ durch.
-
Eine „thermische Trennung“ zeichnet sich im Sprachgebrauch dieser Anmeldung dadurch aus, dass in ihr ein Gasgemisch unter zumindest teilweiser Verflüssigung aufgetrennt wird, und dass dabei ein geeignetes Kältemittel eingesetzt wird. Hierzu kommen an sich bekannte Wärmetauscher zum Einsatz. Die Trennung erfolgt mittels bekannter Trenneinheiten, beispielsweise mittels Destillationskolonnen und/oder Absorbern. In einer thermischen Trennung werden Kältemittel eingesetzt, die zwischen unterschiedlichen Druckniveaus geführt werden, wobei die erwähnten Verdichter sowie beispielsweise bekannte Entspannungsturbinen oder Entspannungsventile zum Einsatz kommen.
-
Gasturbinen sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Dem gängigen Sprachgebrauch entsprechend wird im Rahmen dieser Anmeldung mit dem Begriff „Gasturbine“ eine Anordnung bezeichnet, die eine Verdichtereinheit, die eigentliche Turbineneinheit (also die Gasturbine im engeren Sinn) sowie eine zwischen Verdichtereinheit und Turbineneinheit geschaltete Brennkammer umfasst. Der Brennkammer wird über die Verdichtereinheit komprimiertes Gas (im Rahmen dieser Anmeldung als „Gasgemisch“ bezeichnet) zugeführt. Als Gasgemisch wird vorzugsweise Umgebungsluft verwendet. Alternativ kann ein Gasgemisch verwendet werden, dass einen höheren Sauerstoffgehalt als die Umgebungsluft aufweist. Es kann von Vorteil sein das Gasgemisch zu kühlen. Über einen Brennstoffeinlass gelangt (in der Regel flüssiger oder gasförmiger) Brennstoff in die Brennkammer. Der Brennstoff wird in der Brennkammer mit dem Gasgemisch zu sogenanntem Heißgas verbrannt. Das Heißgas wird in der Turbineneinheit unter Erzeugung mechanischer Energie, insbesondere eines Drehmoments, zu Abgas entspannt. Die mechanische Energie kann unmittelbar zum Betreiben des einen oder mehreren Verdichters eingesetzt werden. Dies kann bspw. über die Kopplung der Nutzwelle der Gasturbine mit dem Verdichter, insbesondere dem Getriebe des Verdichters, erreicht werden. Alternativ dazu kann lediglich Anteil der umgewandelten Energie, bspw. 5% bis 95%, insbesondere 10% bis 90%, 20% bis 80%, 30% bis 70%, 40% bis 60%, 45% bis 55%, vorzugsweise 50%, zum Betreiben des einen oder mehreren Verdichter verwendet werden, der verbleibende Anteil kann bspw. zum Antreiben eines Generators zur Stromerzeugung, eines Rotors, einer Pumpe oder dergleichen verwendet werden. So kann bspw. beim Anfahren der Anlage die mechanische Energie teilweise zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden. Nach der Entspannung wird das entspannte Heißgas in der Regel als Abgas abgeblasen. Das Abgas wird erfindungsgemäß zum Anwärmen eines oder mehrerer Prozessmedien verwendet.
-
Gasturbinen schließen insbesondere „Mikrogasturbinen“ ein, die dem Fachmann bekannt sind. Die Vorteile der Mikrogasturbinen liegen in einer kompakten Bauweise und der Möglichkeit, auf eine Kühlung weitgehend oder vollständig zu verzichten. Mikrogasturbinen können insbesondere für den Antrieb eines Verdichters eingesetzt werden, der mehrere Verdichterstufen umfasst und damit mehrere Verdichtungsschritte implementiert. So kann ggf. für jede einzelne Verdichterstufe eine Mikrogasturbine eingesetzt werden. Mikrogasturbinen weisen im Allgemeinen eine thermische Leistungsfähigkeit von 50 bis 250 kW, insbesondere 60 bis 150 kW, 70 bis 120 kW oder 80 bis 100 kW, auf. Mikrogasturbinen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise anhand der thermischen Leistungsfähigkeit von gewöhnlichen Gasturbinen unterschieden. So weist eine gewöhnliche Gasturbine eine thermische Leistungsfähigkeit von mehr als 250 kW, insbesondere mehr als 300 kW, vorzugsweise mehr als 500 kW, auf.
-
Vorteile der Erfindung.
-
Die vorliegende Erfindung geht von einem Prozess zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffprodukts, insbesondere Ethylen und optional weiterer Olefine, aus, bei dem unter Einsatz eines Verfahrens zur oxidativen Kopplung von Methan ein gasförmiges Stoffgemisch gebildet wird. Wie bereits erläutert, können bei der Bildung des gasförmigen Stoffgemischs insbesondere auch weitere stoffumwandelnde Reaktionen bzw. Verfahren beteiligt sein, insbesondere postkatalytische Dampfspaltverfahren und dergleichen. Das gasförmige Stoffgemisch wird, ggf. nach einem Quench, einem oder mehreren Verdichtungsschritten unterworfen, wobei für einen oder mehrere der Verdichtungsschritte ein oder mehrere Verdichter zum Einsatz kommen, die mittels einer oder mehrerer Gasturbinen angetrieben werden. Die Abwärme des Turbinenabgases der einen oder mehreren Gasturbinen wird für ein Anwärmen eines oder mehrerer Prozessmedien verwendet.
-
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der Einsatz einer oder mehrerer Gasturbinen nicht nur zum Antreiben eines oder mehrerer der erläuterten Verdichter verwendet werden kann, sondern ebenso die Abwärme des Turbinenabgases zum Anwärmen eines oder mehrerer Prozessmedien nutzbringend verwendet werden kann. Dies kann in einem Prozess bzw. einer Anlage zur oxidativen Kopplung von Methan besondere und unerwartete Vorteile bieten.
-
Zum einen würde der Fachmann insbesondere aufgrund der ausgesprochen hohen Abwärmemengen, die bei der oxidativen Kopplung von Methan und mithin einer insgesamt exothermen Reaktionsbilanz anfallen, eher eine Erzeugung von Dampf und die Verwendung von Dampfturbinen anstatt der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verwendung von Gasturbinen in Erwägung ziehen. Dampfturbinen scheinen auf den ersten Blick vorteilhaft, da der mittels Abwärme erzeugte Dampf für ein Antreiben der Dampfturbinen ohne weiteres zur Verfügung steht. Darüber hinaus zeichnen sich Dampfturbinen gegenüber Gasturbinen im Allgemeinen durch einen höheren Wirkungsgrad bzgl. der erzeugten mechanischen Energie aus. Damit wäre es unsinnig zusätzlichen Brennstoff, der auch in der oxidativen Kopplung von Methan genutzt werden könnte, für den Antrieb einer Gasturbine zu verwenden.
-
Allerdings sind die in einem Dampfspaltverfahren ablaufenden Reaktionen in der Gesamtbilanz endotherm. In einem Dampfspaltverfahren muss daher eine stetige Wärmezufuhr von außen vorgenommen werden, um den Reaktionsablauf sicherzustellen. Dies ist in einem Verfahren zur oxidativen Kopplung von Methan nicht erforderlich, bei dem der Reaktionsablauf insgesamt exotherm abläuft. Allerdings werden die von einem Verfahren zur oxidativen Kopplung von Methan umfassten Prozessmedien typischerweise einer Anwärmung unterzogen, um gewünschte Reaktionsabläufe mit ausreichender Ausbeute sicherzustellen.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass Gasturbinen effizient eingesetzt werden können, da die mechanische Energie unmittelbar zum Betreiben eines oder mehrerer Verdichter eingesetzt werden kann, wohingegen die thermische Energie in Form von Abwärme des Turbinenabgases zu einem großen Anteil zum Anwärmen der Prozessmedien verwendet werden kann.
-
Sowohl das Übertragen der mechanischen Energie auf den einen oder mehreren Verdichter als auch das Übertragen der Abwärme erfolgt innerhalb derselben Anlage zur oxidativen Kopplung von Methan, d.h. über kurze räumliche Distanzen. Aufgrund dieser kurzen räumlichen Distanzen und der damit einhergehenden nahezu vollständigen Nutzung der Abwärme des Turbinenabgases zum Erwärmen der Prozessmedien, sowie der Möglichkeit auf eine Energieumwandlung der erzeugten mechanischer oder thermischen Energie in eine andere Energieform, bspw. elektrische Energie, zumindest teilweise oder vorzugsweise vollständig zu verzichten, kann der Einsatz der einer oder mehreren Gasturbinen mit einem außerordentlich hohen Wirkungsgrad von 85% oder mehr, bspw. 90% oder mehr, wie 91%, 92%, 93% oder 94%, erfolgen.
-
Die Verwendung von Gasturbinen in Verfahren zur oxidativen Kopplung von Methan, selbst wenn diese zusätzlichen Brennstoff erfordern, ist daher von Vorteil, da die Bereitstellungs- bzw. Instandhaltungskosten für überwiegend nicht verwendete Brenner bzw. zusätzliche Antriebe eingespart werden können. Dies beruht darauf, dass die im Vergleich zu Dampfturbinen höhere Abwärme sinnvoll und über den laufenden Betrieb der Anlage hinweg verwendet werden kann.
-
Die Erfindung stellt somit die Abwärmenutzung eines Gasturbinen-Abgasstromes bspw. durch Einbringen eines oder mehrerer Wärmetauscheinheiten wie Wärmetauscherbündel in den Abgasstrang einer Gasturbine zum mechanischen Antrieb eines Verdichters bereit.
-
Mit der Applikation einer oder mehrerer Gasturbinen als Antrieb für einen oder mehreren Verdichter eröffnen sich weitere Möglichkeiten der Prozessgestaltung und -optimierung, wie bspw. die vollständige Eliminierung eines Dampfsystems.
-
Durch den soeben erläuterten vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung lässt sich insgesamt eine deutliche Verkleinerung entsprechender Antriebe erzielen. Dies ermöglicht deutlich geringere Investitionskosten (CAPEX). Gleichzeitig ist stets eine maximale bzw. nahezu optimale Effizienz des Antriebs sichergestellt, da die Abwärme zum größten Teil zum Anwärmen der Prozessmedien verwendet wird.
-
Zum einen kann durch den Einsatz einer oder mehrerer Gasturbinen der apparative Aufwand einer Anlage zur oxidativen Kopplung von Methan reduziert werden. Zum anderen wird zusätzlich zu dem während des Normalbetriebs genutzten Equipment kein zusätzliches Anfahrequipment benötigt. Investiertes Kapital wird somit dauerhaft genutzt. Das im Stand der Technik aufgezeigte Prozesskonzept erfordert ein investitionsintensives Dampfsystem, das durch den erfindungsgemäßen Prozess zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffprodukts nicht zwangsläufig erforderlich ist.
-
Wie bereits vorstehend erwähnt schließen Gasturbinen insbesondere Mikrogasturbinen ein. Die Vorteile der Mikrogasturbinen liegen in einer kompakten Bauweise und der Möglichkeit, auf eine Kühlung weitgehend oder vollständig zu verzichten. Dies führt zu Einsparungen in den Betriebskosten (OPEX). Außerdem ist eine entsprechende Anlage weniger wartungsintensiv.
-
Aufgrund der begrenzten Leistungsfähigkeit einer Mikrogasturbine kann es sein, dass diese nicht für größere Verdichter geeignet ist bzw. deren Leistung hierfür nicht ausreicht. Dies kann jedoch dadurch umgangen werden, dass in dem Prozess bzw. in der Anlage zur oxidativen Kopplung von Methan ein Verdichter zur Anwendung gelangt, der mehrere Verdichterstufen umfasst und somit mehrere Verdichtungsschritte implementiert. So kann für jede Verdichterstufe bzw. jeden Verdichtungsschritt jeweils eine Mikrogasturbine zum mechanischen Antrieb eingesetzt werden. Es versteht sich, dass die Verwendung mehrerer Gasturbinen zum Antrieb eines Verdichters nicht auf den Fall von Mikrogasturbinen beschränkt ist, sondern auch reguläre Gasturbinen entsprechend eingesetzt werden können.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ferner vorgesehen, dass das Anwärmen der Prozessmedien ebenfalls ein Nachbefeuern des Abgasstromes durch einen oder mehrere Brenner im Abgasstrang der Gasturbine umfasst.
-
Somit können die benötigten Wärmemengen, sofern notwendig, über eine Nachbefeuerung des Turbinenabgases im Abgasstrang über einen oder mehrere Brenner bilanziert werden. Das für den Betrieb des Brenners verwendete Brenngas umfasst bspw. Methan oder Erdgas. Vorzugsweise wird das gleiche Brenngas wie für die Gasturbine verwendet. Durch den Einsatz des einen oder mehreren Brenner kann die benötigte/gewünschte Wärmeübertragung auf ein oder mehrere Prozessmedien in der ausreichenden Größenordnung sichergestellt werden. Darüber hinaus kann durch den selektiven Einsatz des einen oder mehreren Brenner die Temperatur des zu erwärmenden Prozessmediums gezielt gesteuert werden.
-
Wie bereits vorstehend erwähnt, liegt der vorliegenden Erfindung zugrunde, eine oder mehrere Gasturbinen nicht nur für ein Anfahren/Inbetriebnahme einer Anlage zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffprodukts, bei dem unter Einsatz eines Verfahrens zur oxidativen Kopplung von Methan ein gasförmiges Stoffgemisch gebildet wird, zu verwenden, sondern vielmehr für den Dauerbetrieb.
-
Die Abwärme der einen oder mehreren Gasturbinen kann hierbei beispielsweise für ein Anwärmen eines Methan enthaltenden oder überwiegend oder ausschließlich Methan enthaltenden Rückführstroms verwendet werden.
-
Zur Bildung des Rückführstroms wird typischerweise zunächst eine Methan enthaltende Fraktion, insbesondere im Rahmen der vorstehend erwähnten Tieftemperaturtrennung, erhalten. Die Methan enthaltende Fraktion umfasst unmittelbar nach ihrer Abtrennung in der Tieftemperaturtrennung in der Regel die tiefer als Methan siedenden Komponenten, wie beispielsweise Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Vorzugsweise wird Wasserstoff vor der Rückführung abgetrennt und einer getrennten Verwendung zugeführt oder als Anlagenprodukt ausgeführt.
-
Das Kohlenstoffmonoxid kann mit besonderem Vorteil auch einer Methanisierung unterworfen werden. In der Methanisierung kann das Kohlenstoffmonoxid mit Wasserstoff zu Methan umgesetzt werden. Dieses zusätzlich gebildete Methan kann mit dem ursprünglich abgetrennten Methan ebenfalls dem Verfahren zur oxidativen Kopplung von Methan erneut zugeführt werden. Auf diese Weise lässt sich die Gesamteffizienz des Verfahrens verbessern.
-
Falls der Gehalt an Wasserstoff gegenüber Kohlenmonoxid überstöchio¬metrisch ist und daher bei der Methanisierung nicht vollständig verbraucht würde, kann der Methanisierung auch Kohlendioxid, das bei stromaufwärtigen Aufbereitungsschritten aus dem Produktgemisch abgetrennt wird, zugeführt werden. Hierbei ist vorgesehen, dass der Rückführstrom vor und/oder nach der Methanisierung angewärmt wird. Dies erfolgt ggf. unter Zuhilfenahme eines oder mehrerer Brenner zum Anwärmen des Turbinenabgases. Vorzugsweise wird der Rückführstrom sowohl vor als auch nach der Methanisierung angewärmt.
-
Im Fall des Anwärmens des Methan enthaltenden Rückführstroms im Abgasstrang der Gasturbine(n) entfällt die Verschränkung von Reaktoraustrittsstrom und Rückführstrom in zwei Gas-Gas-Wärmetauschern, die im Regelfall verwendet werden, um eine ausreichende Temperatur des Gasstroms für die Methanisierung sowie eine ausreichende Temperatur des methanreichen Stroms für die Rückführung sicherzustellen. Der bisher vorgesehene Prozessofen, der insbesondere beim Anfahren der Anlage zum Anwärmen des Methan enthaltenden Rückführstromes benötigt wird, ist hiermit obsolet. Im Anfahrfall der Anlage muss lediglich der Prozessgasverdichter auf die Minimallast hochgefahren werden, um die Zirkulation des Methankreislaufs in Gang zu bringen. Da für das Anfahren des Verdichters mit einer Gasturbine kein Dampf mehr benötigt wird, kann der für das Anfahren der Anlage benötigte Dampfkessel entfallen.
-
Ein weiteres Bespiel für die Verwendung der Abwärme der einen oder mehreren Gasturbinen besteht in einem Anwärmen einer Ethan enthaltenden Fraktion.
-
Die Ethan enthaltenden Fraktion, die wie die Methan enthaltende Fraktion im Rahmen der Tieftemperaturtrennung erhalten wird, ist für die Einspeisung in ein postkatalytisches Dampfspaltverfahren vorgesehen. Die Ethan enthaltende Fraktion wird durch die Abwärme der einen oder mehreren Gasturbinen auf die für das postkatalytische Dampfspaltverfahren erforderliche Temperatur, ggf. unter Zuhilfenahme eines oder mehrerer Brenner zum Anwärmen des Turbinenabgases, erwärmt.. Bei der Ethan enthaltenden Fraktion handelt es sich insbesondere um eine überwiegend oder ausschließlich Ethan enthaltende Fraktion, der aber auch weitere Kohlenwasserstoffe wie insbesondere Propan und/oder Butan zugegeben werden können. Durch das postkatalytische Dampfspaltverfahren wird das Ethan der Ethanenthaltenden Fraktion teilweise in Ethylen überführt. Ggf. werden ebenfalls enthaltenes Propan und/oder Butan in Propylene oder Butylene überführt.
-
Noch ein weiteres Bespiel für die Verwendung der Abwärme der einen oder mehreren Gasturbinen besteht in einem Anwärmen eines Sattdampfs.
-
Der Sattdampf, der in der Regel im Rahmen der Quenchkühlung anfällt, wird hierbei durch das Abgas der einen oder mehreren Gasturbinen, ggf. unter Zuhilfenahme eines oder mehrerer Brenner zum Anwärmen des Turbinenabgases, zum Erhalten von überhitztem Dampf erwärmt. Der überhitzte Dampf ist zur anderweitigen Verwendung, bspw. für ein Betreiben von Wärmetauschern, vorgesehen. Der Dampfdruck des erzeugten Sattdampfes hat in zweckmäßiger Weise 15 bis 80 bar, vorzugsweise 20 bis 55 bar. Der Begriff Sattdampf bedeutet, dass der Wasserdampfpartialdruck mindestens 99% des Gesamtdrucks beträgt. Der Sattdampf, der für gewöhnlich eine Temperatur von 250°C aufweist, kann zum Zweck von Begleitheizungen oder zum Betreiben indirekter Wärmetauscher verwendet werden. Sofern der Sattdampf wie vorstehend beschrieben im Abgasstrang der Gasturbine überhitzt wird, kann auf einen Dampfüberhitzungskessel verzichtet werden.
-
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung der Abwärme um ein beliebiges Heizmedium anzuwärmen, wie z.B. Thermoöle, Salzschmelzen oder flüssige Metalle. Thermoöle sind aufgrund der einfachen Handhabbarkeit bevorzugt.
-
Es ist klar, dass die Abwärme der einen oder mehreren Gasturbinen nicht nur für jeweils eines der vorstehend genannten Beispiele zur Verwendung der Abwärme, sondern auch für eine beliebige Kombination davon verwendet werden kann.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung treibt eine Nutzwelle der einen oder mehreren Gasturbinen den einen oder mehreren Verdichter unmittelbar an.
-
Somit steht die Nutzwelle einer Gasturbine mit einem Verdichter, insbesondere dem Getriebe des Verdichters, in direkter Verbindung. Gleichermaßen kann die Nutzwelle einer Gasturbine, insbesondere einer Mikrogasturbine, unmittelbar mit einer Verdichterstufe oder mit mehreren Verdichterstufen in Verbindung stehen. Eine Umwandlung der mechanischen Energie bspw. in elektrische Energie findet nicht statt. Dadurch wird eine maximale Ausnutzung der durch die Gasturbine bereitgestellten mechanischen Energie sichergestellt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird der oder den Gasturbinen atmosphärische Luft und ein Brenngas zugeführt. Hierbei kann die atmosphärische Luft zumindest zeitweise untergekühlt werden.
-
Das Brenngas ist vorzugsweise Methan oder Erdgas. Es ist klar, dass jegliches andere geeignete Fluidgemisch, insbesondere Gasgemisch, verwendet werden kann. Die atmosphärische Luft kann zumindest zeitweise gekühlt werden, d.h. auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur der atmosphärischen Luft. Dadurch kann die Effizienz einer Gasturbine, insbesondere gewöhnlichen Gasturbine, gesteigert werden. Dies ist bei einer Mikrogasturbine für gewöhnlich nicht notwendig, kann aber ebenfalls erfolgen. Die atmosphärische Luft und das Brenngas können ebenfalls auf einem überatmosphärischen Druckniveau bereitgestellt werden.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen einen oder mehrere mehrstufige Verdichter zu verwenden.
-
Wie bereits vorstehend erwähnt kann jede Stufe eines derartigen mehrstufigen Verdichters bei Bedarf mit jeweils einer Gasturbine angetrieben werden. Dadurch können Gasturbinen mit geringerer mechanischen Energieabgabe, insbesondere Mikrogasturbinen, für den Antrieb der jeweiligen Verdichterstufe herangezogen werden. Derartige Gasturbinen, insbesondere Mikrogasturbinen, zeichnen sich durch geringere Abmessungen aus und können ggf. unter Verwendung gekühlter atmosphärischer Luft mit einer ausreichenden Effizienz betrieben werden.
-
Vorzugsweise wird das von dem OCM Reaktor erhaltene gasförmige Stoffgemisch einer thermischen Trennung unterworfen.
-
In der thermischen Trennung oder ggf. anderen Trennschritten werden eine oder mehrere Fraktionen unter Verwendung des gasförmigen Stoffgemischs gebildet, die optional ebenfalls in einem oder mehreren Verdichtungsschritten verdichtet werden. Entsprechende Verfahren und die dabei eingesetzten Verdichter und thermischen Trennschritte wurden zuvor erläutert.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Anlage zur Herstellung eines Stoffgemischs mit den Merkmalen des entsprechenden Patentanspruchs.
-
Eine derartige Anlage ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform zur Durchführung eines Verfahrens in einer oder mehreren der Ausführungsformen eingerichtet, wie sie zuvor erläutert wurden. Die Verwendung einer entsprechenden Anlage führt daher zu den zuvor erläuterten Vorteilen, auf die daher ausdrücklich verwiesen wird. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung schematisch veranschaulicht sind.
-
Figurenliste
-
- Die 1 zeigt eine Ausführungsform einer Anlage zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffprodukts, bei dem unter Einsatz eines Verfahrens zur oxidativen Kopplung von Methan ein gasförmiges Stoffgemisch gebildet wird, und
- die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Anlage zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffprodukts, bei dem unter Einsatz eines Verfahrens zur oxidativen Kopplung von Methan ein gasförmiges Stoffgemisch gebildet wird.
-
Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich auf Anlagen zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffprodukts, betreffen jedoch ein entsprechendes Verfahren in gleicher Weise.
-
In der 1 ist eine Anlage 10 zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffprodukts mit einem OCM-Reaktor 12 dargestellt. Wie bereits vorstehend aufgeführt kann der OCM-Reaktor 12 hierbei mehrere Reaktoren mit mehreren Reaktionszonen oder entsprechende Reaktoranordnungen mit mehreren Reaktoren, die jeweils eine oder mehrere entsprechende Reaktionszonen aufweisen, umfassen. So kann der OCM-Reaktor 12 nicht nur für die oxidative Kopplung von Methan erforderliche katalytischen Reaktionszonen sondern auch nichtkatalytische Reaktionszonen, insbesondere für ein postkatalytisches Dampfspaltverfahren, aufweisen. Das aus dem OCM-Reaktor 12 erhaltene Prozessgas wird einer Kühlung 14 (Quench) unterzogen und anschließend in einem Prozessgasverdichter 16 verdichtet. Aus dem derart verdichteten Prozessgas werden in einer destillativen Trennsektion 18 eine Ethan enthaltende Fraktion 20 und eine Methan enthaltende Fraktion 22 gebildet. Die Methan enthaltende Fraktion wird einer Methanisierung 24 unterzogen und anschließend eduktseitig in den OCM-Reaktor 12 rückgeführt.
-
Die Anlage 10 weist ferner eine Gasturbine 30 mit einer Brennkammer 36 auf, in der ein Brenngas 34, insbesondere Methan oder Erdgas, in Anwesenheit von Luft 32 zum Betreiben der Gasturbine 30 verbrannt wird. Die Gasturbine 30 stellt über deren Nutzungswelle 38 dem Prozessgasverdichter 16 mechanische Drehenergie zum Antrieb bereit. Das Turbinenabgas 40 in dem Abgasstrang 42 der Gasturbine 30 wird in der in der 1 gezeigten Ausführungsform verwendet, um die Methan enthaltende Fraktion vor bzw. nach der Methanisierung 24 anzuwärmen. Dies geschieht unter Zuhilfenahme eines mit Brenngas 46, insbesondere Methan oder Erdgas, betriebenen Nachbrenners 44, um die erforderliche Wärmeleistung zu erzielen.
-
In der 2 ist eine weitere Anlage 10 zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffprodukts mit einem OCM-Reaktor 12 dargestellt. Diese Anlage 10 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Anlage dadurch, dass die von der destillativen Trennsektion 18 bereitgestellten Methan enthaltende Fraktion vor bzw. nach der Methanisierung 24 in einem Gas/Gas-Wärmetauscher 50, 52 zur Prozessgaskühlung auf erforderliche Temperaturbereiche für eine eduktseitige Rückführung in den OCM Reaktor 12 erwärmt wird. Der Einsatz des Gas/GasWärmetauschers 50, 52 ist erforderlich, da im Gegensatz zu der in der 1 gezeigten Ausführungsform das Abgas 40 in dem Abgasstrang 42 der Gasturbine 30 ausschließlich zur Erzeugung von überhitztem Dampf 56 aus dem durch die Kühlung 14 (Quench) erzeugten Sattdampf 54 verwendet wird. Auch hierbei geschieht dies unter Zuhilfenahme eines mit Brenngas 46, insbesondere Methan oder Erdgas, betrieben Nachbrenners 44, um die gewünschte Wärmeleistung zu erzielen. Der derart erzeugte überhitzte Dampf 56 kann zum Erwärmen anderer Prozessgase in der Anlage 10 verwendet werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 4801307 A [0009]
- US 4705542 A [0009]
- US 4624683 A [0009]
- EP 1384699 A1 [0009]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- J.D. Idol et al., „Natural Gas“, in: J.A. Kent (Hrsg.), „Handbook of Industrial Chemistry and Biotechnology“, Band 2, 12. Auflage, Springer, New York 2012 [0001]
