DE3525904A1

DE3525904A1 - Verfahren zur waermerueckgewinnung bei der methanolsynthese

Info

Publication number: DE3525904A1
Application number: DE19853525904
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Tokio/Tokyo Morita; Kensuke Niwa
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1984-07-20
Filing date: 1985-07-19
Publication date: 1986-01-30
Also published as: GB2167409A; AU4514985A; GB8518185D0; JPS6130542A

Description

WUESTHOFF-v. PECHMANN-BEHRENS-GOETZ **■*·«"->««* ™_ESThoff

DIPL.-ING. GERHARD PULS (1952-I971)

EUROPEAN PATENTATTORNEYS dipu-chem.d,, ε. freiher* von pechmann

DR.-ING. DIETER BEHRENS ^ ζ 9 ^ Q Π A DIPL.-ING.; DtPL-VIRTSCH₁-INCRUPERT GOETZ

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SCHWEIGERSTRASSE 2

Anm.: Mitsubishi Jukogyo Kabushiki

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Beschreibung Verfahren zur Wärmerückgewinnung bei der Methanolsynthese

Die Synthese von Methanol erfolgt in großem Umfang unter geringem Druck an Kupferkatalysatoren. Es besteht daher der Wunsch, möglichst viel Energie aus dem Syntheseverfahren rückzugewinnen.

Als Ausgangsprodukte für die Methanolsynthese kommen verschiedene Kohlenwasserstoffe in Frage und zwar von Erdgas bis zu Schwerölen und Kohle. Abhängig von dem Ausgangsmaterial gibt es die verschiedensten Methoden zur Herstellung des Synthesegases einschließlich der Reformierung mit Wasserdampf und der teilweisen Oxidation mit Sauerstoff.

Die Ausgangs- oder Synthesegase für Methanol, die man auf diese Weise erhält, enthalten zwangsläufig Gase wie Methan, Stickstoff und Luft, die im Hinblick auf die Methanolsynthese inert sind. Diese Inertgase sammeln sich im Reaktionskreis und führen zu einer Verringerung der Reaktionswirksamkeit, so daß es notwendig ist, aus dem Kreislauf gewisse Mengen dieser Gase als "Spülgas" abzuziehen.

Spülgas enthält - kurz gesagt - Wasserstoff, Methan und Kohlenmonoxid und läßt sich als Heizgas verwerten. Werden

jedoch Kohlenwasserstoffe, die man durch verschiedene Verfahrensstufen zur Entschwefelung, Reformierung und Verdichtung erhielt und die einen hohen Energieinhalt haben, als Ausgangsmaterial eingesetzt, so ist es vom wirtschaftlichen Standpunkt aus nicht vorteilhaft, Spülgas nach Entspannung nur als Brennstoff zu verwenden.

In Verfahren, bei denen Kohlenwasserstoffe mit hohen Molekulargewichten und hohen Kohlenstoffgehalten wie Schweröl,

Kohle und dgl. als Ausgangsmaterial die-

den

nen, hat man bereits/Wasserstoff des Spülgases abgetrennt und gewonnen/ζ.B. in einer Niedertemperaturtrennstufe und bei dem Verfahren wechselnder Drucke. Der erhaltene Rest wird als Teil des Ausgangsgases wiederverwertet.

Werden hingegen als Ausgangsmaterial leichte Kohlenwasserstoffe wie Erdgas eingesetzt, so enthält das Synthesegas _% einen Überschuß an Wasserstoff gegenüber der für die Methanolsynthese stöchiometrisch erforderlichen Menge. Daher ist eine Abtrennung von Wasserstoff aus dem Spülgas nicht wirtschaftlich und konnte sich nicht in der Praxis durchsetzen.

Das Spülgas hat einen Druck im wesentlichen entsprechend dem Druck im Kreislauf (50-150 bar), wie er für die Methanolsynthese erforderlich ist. Unter BErücksichtigung dieser Tatsache wurde auch bereits versucht, Energie rückzugewinnen, indem das Spülgas, bevor es verfeuert wird, in einer Entspannungsstation entspannt wird.

Da im allgemeinen das Spülgas aus dem umlaufenden Gas abgezogen wird, welches man erhält durch Abkühlendes Reaktionsgases aus dem Methanolsynthese-Reaktor und Kondensation des Methanols unter Abtrennung des nicht reagierten Gases, ist die Temperatur des Spülgases ungefähr die der Normaltemperaturen. Gelangt daher das Spülgas in eine Expansionseinheit, so läßt sich nur sehr wenig Energie gewinnen. Um die-

sen Nachteil auszuschalten, wurden verschiedene Methoden entwickelt, um die wieder zu gewinnende Energie zu erhöhen, indem das Spülgas vor Einführung in die Expansionseinheit vorgewärmt wurde.

Aus der JP-A-I 56-40624 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Spülgas vorgewärmt wird mit Hilfe des aus einem Kompressor für das Synthesegas ausgetragenes Gas. In den letzten Jahren wurde jedoch der Kompressor selbst so konstruiert, daß er hohe Leistung erbringt. Die Synthesereaktion kann bei niederem Druck stattfinden und ein Reformiersystem, in welchem das Synthesegas gebildet wird, arbeitet so, daß die Temperatur am Kompressorausgang im allgemeinen maximal 180⁰C beträgt. Die Folge davon ist, daß durch Wärmeaustausch mit einem solchen Gas das vorzuwärmende Spülgas nur eine Temperatur von maximal 180⁰C erreichen kann.

Bei dem Verfahren nach JP-B-59-3971 wird der Wärmeinhalt eines Gases aus einer Reformierung auf das Spülgas für die Methanolsynthese übertragen in einem Wärmeaustauscher, der sich in der Ableitung des Reformators befindet. Eine weitere Wärmeübertragung auf das Spülgas findet in einem Wärmeaustauscher innerhalb der Abgasleitung des Reformators statt. Dann gelangt das Spülgas in eine Entspannungsturbine zur Rückgewinnung seiner Wärmeenergie.

Auf diese Weise läßt sich die Vorwärmtemperatur steigern.

Betrachtet man jedoch die Methanolsynthese als Ganzes, so sind im allgemeinen Reformierungssystem und Synthesekreislauf physikalisch getrennt von der Verdichtung des Synthesegases. Darüberhinaus ist die Leistung dieser Systeme nicht immer linear proportional zu der der anderen Systeme, so daß Betrieb und Konstruktion der Anlage kompliziert wird. Die Wiedergewinnung von Wärmeenergie aus dem Reformierungssystem gelingt auch auf andere Weise, z.B. mit Hilfe eines Abwasserkessels oder eines Kessels mit Speisewasser-Vor-

wärmung und man benötigt keine hochwertige Wärmeenergie zur Vorwärmung des Spülgases in dem System.

Aufgabe der Erfindung ist nun die Wärmerückgewinnung aus dem Reaktionssystem der Methanolsynthese ohne obiger Nachteile, indem die Wärmeenergie des Spülgases aus dem Reaktionssystem in sehr wirksamer Weise gewonnen wird.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Reaktionsgas aus dem Synthesereaktor in zwei Teilströme geteilt, wovon einer zum Wärmeaustausch mit dem eingesetzten Synthesegas und der andere zum Wärmeaustausch mit einem Teil des Spülgases gelangt, welches aus einem Trenngefäß stromab des Reaktors abgeleitet wird. Die beiden Gasströme gelangen dann gemeinsam in das Trenngefäß und das vorgewärmte Spülgas gelangt in eine Entspannungseinheit zur Rückgewinnung dessen Wärmeinhalts.

In beiliegendem Fließschema ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt.

Innerhalb des Umlaufsystems befindet sich der Reaktor mit einem Katalysator auf der Basis von Kupfer, der unter einem Druck von 50-150 bar betrieben wird. Das Reaktionsgas aus dem Reaktor gelangt zur Wärmerückgewinnung und wird gekühlt, wobei der Methanol kondensiert und dann abgeführt wird. Das nicht kondensierte Gas wird dem eingesetzten Synthesegas zugemischt und damit in den Reaktor rückgeleitet. Ein Teil des Umlaufgases wird als Spülgas ausgetragen, um eine Anreicherung von Inertgasen wie Methan, Stickstoff, Argon und dgl. im Umlaufsystem zu vermeiden. Das restliche Umlaufgas wird mit dem den Synthesegasvorerwarmer verlassenden Gas vorgewärmt. Der Synthesegasvorwärmer befindet sich am Reaktoraustritt. Es erfolgt eine Vorwärmung auf 180-300⁰C.

In obigem Synthesesystem ist zumindest ein Vorwärmer parallel zum Synthesegasvorwärmer angeordnet. Dieser dient zum Wärmeaustausch des Spülgases mit einem Teil des Reaktionsgases auf 150-290°C. Das vorgewärmte Spülgas gelangt dann in eine Entspannungseinheit zur Energiegewinnung. Das aus der Entspannungseinheit kommende Spülgas wird dann als Brennstoff verheizt.

Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht das Spülgas durch Wärmeaustausch mit dem Reaktionsgas aus dem Reaktor eine Temperatur nicht unter 180⁰C bis nicht über 300⁰C. Die in der Entspannungseinheit wiedergewonnene Energie ist viel größer als die, welche nach dem aus der JP-A-I 56-40624 bekannten Verfahren erreichbar ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Vorwärmung des Spülgases in dem gleichen Synthesesystem und diese Systeme können ohne Schwierigkeiten an gleichem Ort installiert und betrieben werden. Das erfindungsgemäße Verfahren weist somit nicht die Nachteile des Verfahrens nach der JP-B 59-3971 auf.

Da das Reaktionsgas aus dem Reaktor, das als Wärmeträger im Vorwärmer für Spülgas dient, im wesentlichen den gleichen Druck wie das vorzuwärmende Spülgas besitzt, ist der Betriebsdruck und die Wärmeübertragungsrohr des Spülgasvorwärmers entsprechend begrenzt oder bestimmt aufgrund des 5 sehr geringen Druckunterschieds zwischen den Medien, zwischen denen der Wärmeaustausch stattfinden soll. Dies ist außerordentlich vorteilhaft im Hinblick auf die Konstruktion und den Betrieb des Systems.

Wie aus dem Fließschema hervorgeht, wird das Synthesegas in einem Kompressor 101 auf den Synthesedruck von 50-150 bar gebracht. Der Druck der nicht kondensierten Gase aus dem Abscheider 106 wird durch eine Umlaufpumpe 107 erhöht. Es

wird daher das Gas aus 4 mit dem verdichteten Synthesegas gemeinsam in einem Vorwärmer 103 vorgewärmt und dann in den Reaktor 102 eingespeist· Das Reaktionsgas 2 aus dem Reaktor 102 wird in zwei Teilströme aufgeteilt, wovon der eine in den Vorwärmer 103 für Synthesegas und der andere in den Vorwärmer 104 für Spülgas - parallel zum Vorwärmer 103 eingespeist wird. Die die Vorwärmer 103; 104 verlassenden Teilströme werden zusammengeführt und in einem Kondensator 105 abgekühlt und Methanol kondensiert und die Phasentrennung in dem Abscheider 106 vorgenommen.

Die flüssige Phase 3 aus dem Abscheider 106 - Methanol - wird ausgetragen und ein Teil der nicht kondensierten Gase 4 aus dem Abscheider 106 als Spülgas 5 abgeleitet, während der restliche Teil der Umwälzpumpe 107 zugeführt wird.

Das Spülgas.5 gelangt in den Spülgasvorwärmer 104, in welchem es durch einen Teilstrom aus dem Reaktor 102 vorgewärmt wird. Das vorgewärmte Spülgas 6 geht in die Entspannungseinheit 108, wo sein Wärmeinhalt rückgewonnen wird. Das entspannte Spülgas 7 wird verheizt.

Der Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und einem bekannten Verfahren geht aus folgendem Beispiel hervor:

Beispiel:

Spülgas
25

58,74 Vol.-%	^H2
5,59	CO
8,96	CO₂
19,47	CH₄
7,22	N₂
0,02 "	CH₃OH
Durchsatz	1100 kmol/h
Druck	75 bar

59 528 - Λ - 3525 9OA

Entspannungseinheit:

Enddruck	3 bar
adiabatische
Effizienz	65 %.

In einer Vorrichtung nach obigem Fließschema wird das Spülgas auf 24O⁰C erwärmt. Bei der Rückgewinnung des Wärmeinhalts erreicht man eine Leistung von 1900 kW.

Wird hingegen das Spülgas nur auf 160⁰C vorgewärmt mit Gas aus dem Kompressor für Synthesegas entsprechend der JP-A-I 56-40624, so erreicht man nur eine Leistung von 1500 kW.

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Claims

P a t e η t a η s ρ r ü ehe

10

1 . Verfahren zur Energierückgewinnung bei der Methanolsynthese, dadurch gekennzeichnet , daß man den Reaktionsstrom in zwei Teilströme unterteilt, den ersten Teilstrom zur Vorwärmung des eingespeisten Synthesegases und den zweiten Teilstrom zum Wärmeaustausch mit einem Teil eines Spülgases verwendet, welches stromab des Reaktors abgetrennt wurde, man die beiden Teilströme vereinigt und aus diesen Methanol kondensiert und das vorgewärmte Spülgas in eine Entspannungseinheit führt und darin dessen Wärmeinhalt gewinnt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das nicht kondensierte Gas aus dem Abscheider nach Verdichten dem Synthesegas zuführt.

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