DE4028750A1 - Verfahren und anlage zur nutzung der energie einer methanol-synthese - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Nutzung der Energie des den Reaktor einer Methanol-Synthese verlas­ senen Reaktionsgases mit Vorwärmung des in den Reaktor ein­ tretenden Synthesegases durch wenigstens einen Teilstrom des Reaktionsgases.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE-35 25 904-A1 bekannt. Hier wird das heiße Reaktionsgas am Austritt des Methanol-Reaktors aufgeteilt, wovon ein Teilstrom zur Vorwärmung des eingespeisten Synthesegases und ein weiterer Teilstrom zur Purgegas-Vorwärmung genutzt wird, um dieses Gas anschließend in eine entsprechende Tur­ bine zu geben. Es ist auch bekannt, mit einem Teilstrom Kesselspeisewasser vorzuwärmen.

Nachteilig ist bei den bisherigen Verfahrensweisen, daß die Reaktionswärme aus der Synthese nur insofern genutzt werden kann, als noch genügend Restwärme für den Gas-Gas- Wärmetauscher übrigbleibt, um das in den Reaktor eintreten­ de Synthesegas entsprechend vorzuwärmen. Es ist auch be­ kannt, eine Gaserzeugung mit einer Synthese und einer De­ stillation bei der Methanol-Produktion energetisch zu ver­ binden, wodurch sich zwangsläufig eine energiemäßige Abhän­ gigkeit zwischen der Methanol-Produktion einerseits und der Gaserzeugung andererseits ergibt. Hierbei ist es mög­ lich, die in der Gaserzeugung anfallende Wärme niedrigen Niveaus in der Destillationsstufe zur Beheizung der Reboi­ ler der Kolonnen einzusetzen, insbesondere ist dies üblich bei Methanol-Anlagen auf der Basis von Erdgas, da dort ständig eine entsprechende Wärme niedrigen Niveaus aus der Gaserzeugung vorhanden ist. Diese Technologie ist aller­ dings dann nur noch schwer möglich, wenn Synthesegase auf der Rasis von Kohle, Holz oder Torf anfällt oder dann, wenn in chemischen Anlagen verschiedene Gase anfallen, die zur Produktion von Methanol eingesetzt werden können, d. h. wenn die Gaserzeugung energetisch von der Synthese und De­ stillation entkoppelt ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der unter Vermeidung der oben aufgezeigten Nachteile eine Verfahrensführung und eine Anlage angegeben werden, die das Verfahren bzw. die Anlage energetisch autark machen, ohne daß ein darüber hinausgehender Energieverbund notwen­ dig wäre.

Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird die­ se Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das in der Methanol-Synthese erzeugte heiße Reaktionsgas wenig­ stens zu einem Teil zur Wärmeabgabe in einer Methanol-De­ stillation herangezogen wird.

Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wird es möglich, energieautarke Methanol-Anlagen oder entsprechende andere Anlagen für die Synthesegasaufbereitung zu schaffen, ohne daß beispielsweise eine Gaserzeugung als Energielieferung notwendig wäre. Damit wird es auch möglich, beispielsweise auch CO-, H₂- und CO₂-haltige Abgase aus Industrieprozes­ sen zur Methanol-Herstellung zu nutzen.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 8, wobei eine besondere Ausgestaltung nicht näher in der vorgesehenen stufenweisen Abgabe der von Teilnahmeinhalten des heißen Reaktionsgases, sei es als Teilstrom oder sei es als Ge­ samtstrom, zu sehen ist, sondern insbesondere auch darin, daß die in der Methanol-Destillation anfallenden Fuselöle, Methanolverluste und Brenngase, wie Purgegas, Strippgas und Flashgas, zur Dampferzeugung und/oder zur Reheizung ei­ nes Spitzenvorwärmers für das dem Reaktor zugeführten Syn­ thesegas herangezogen werden.

Durch diese letzte Gestaltung ist es möglich, etwa fehlen­ de Wärme aus Rundöfen im Prozeß aufzubringen und dort an­ fallende Brenngase und flüssige Brennstoffe zu verbrennen.

Es versteht sich von selbst, daß auch Dampf erzeugt werden kann, der beispielsweise zum Antrieb des Kreislaufgasver­ dichters einsetzbar ist.

Zur Lösung der weiter oben angegebenen Aufgabe sieht die Erfindung auch eine Anlage vor, die ausgeht von einer Anla­ ge mit einem Methanol-Reaktor und einer diesem zugeordne­ ten Methanol-Destillation.

Eine solche Anlage zeichnet sich nach der Erfindung da­ durch aus, daß wenigstens eine Destillationsstufe bzw. Re­ fining-Kolonne mit einem vom Gesamtstrom des die Methanol- Synthese verlassenden heißen Reaktionsgases beheizten Re­ boiler ausgerüstet ist.

Ausgestaltungen der Anlage ergeben sich aus den dem An­ spruch 9 folgenden weiteren Ansprüchen. Dabei kann es auch möglich sein, wie dies die Erfindung ebenfalls vorsieht, Export-Brenngas aus der Anlage zu führen, anstatt dieses Gas zur Dampferzeugung zu benutzen und dann diesen Dampf zu exportieren.

Es kann auch vorgesehen sein, in der Destillation andere Prozeßschritte durchzuführen, etwa eine Destillation mit zwei oder mehr Kolonnen, derart, daß dann kein Export- Brenngas oder kein Export-Dampf mehr anfällt, wie dies die Erfindung ebenfalls vorsieht.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert, wobei in der einzigen Figur ein Prozeßschaltbild eines Ausführungsbeispieles einer er­ findungsgemäßen Anlage dargestellt ist.

Im folgenden seien die wesentlichen Anlagenteile anhand des Anlagenschaubildes von links nach rechts angegeben, die Verknüpfung und Wirkungsweise wird dann weiter unten angegeben.

Die allgemein mit 1 bezeichnete Anlage besteht damit aus folgenden Elementen, wobei hier nur die wesentlichen Bau­ teile und Anlagenteile angegeben sind:

Mit 2 ist der Frischgaseintritt angegeben. Das Frischgas wird von einem Kreislaufgasverdichter 3 gefördert, durch­ läuft einen ersten Gas-Gas-Wärmetauscher 4, einen zweiten Gas-Gas-Wärmetauscher 5, durchläuft einen Spitzenvorwärmer 6 und tritt in den mit 7 bezeichneten Methanol-Reaktor des Quenchtyps ein.

Die nun folgende Destillation besteht aus drei Kolonnensy­ stemen, und zwar in der Zeichnung von links nach rechts ge­ sehen einer Topping-Kolonne 8, einer ersten Refining-Kolon­ ne 9 und anschließend einer zweite Refining-Kolonne 10. Den drei Kolonnen 8, 9, 10 sind jeweils Reboiler zugeord­ net, und zwar ein Reboiler 11 der Topping-Kolonne 8, ein Reboiler 12 der ersten Refining-Kolonne 9 und ein Reboiler 13 der zweiten Refining-Kolonne 10.

In der Anlage sind neben Pumpen zusätzlich noch darge­ stellt rechts außen ein Entspannungsgefäß 14, aus welchem nach oben über eine Leitung 25 Flashgas entweicht, wobei das Entspannungsgefäß 14 über die Leitung 15 mit Rohmetha­ nol aus dem links dargestellten Methanol-Abscheider 16 be­ aufschlagt ist.

Die Wirkungsweise und Verknüpfung der Anlagenteile ist die folgende:

Wenn und soweit im folgenden Zahlen als Reispiel angegeben sind, so betreffen diese folgende, lediglich als Beispiel angenommene Parameter. Es werden an der Anlagengrenze bei­ spielsweise benötigt Synthesegas ca. 2350 Nm³/t Methanol, 70 m³/t Kühlwasser bei einer Erwärmung um 10°C und ca. 8,7 kW/t Methanol an elektrischer Energie. Hierbei wird im folgenden vorausgesetzt, daß ein Kesselspeise­ wasser-Entgaser mit entsprechenden Pumpen vorhanden ist. Die Zuleitung von Kesselspeisewasser ist links unten auf der Abbildung mit 17 bezeichnet. Nach Vorwärmung und Überhitzung tritt Überhitzter Dampf 32 in die zum Antrieb des Verdichters 3 dienende Turbine 18 ein und verläßt als ND-Dampfkondensat den über das Prozeßschaubild dargestellten Anlagenteil, dies ist mit dem Pfeil 19 wiedergegeben.

Es sei angenommen, daß über den Frischgaseintritt 2 stö­ chiometrisches Synthesegas (beispielsweise auch überstö­ chiometrische Synthesegase) zur Verfügung stehen mit einem Druck von beispielsweise 100 bar. Diese strömen zur Saug­ seite des Kreislaufgasverdichters 3 und werden dort beispielsweise auf 104 bar verdichtet und in einem Gas- Gas-Wärmetauscher 4 auf ca. 90°C vorgewärmt. Das vorge­ wärmte Synthesegas wird von dort einem weiteren Gas-Gas- Wärmetauscher 5 zugeführt und dort auf ca. 160°C vorge­ wärmt und in den befeuerten Spitzenvorwärmer 6 auf 240°C erhitzt, wobei dieses erhitzte über die Leitung 30 Synthesegas dann in den Reaktor 7 einströmt.

Im Reaktor 7, hier handelt es sich um einen Reaktor des Quenchtyps, reagiert das Synthesegas über Kupferkatalysato­ ren zum Teil zu Methanol und verläßt im dargestellten Bei­ spiel über die durchgezogene, mit begleitenden Punkten ver­ sehene Leitung 20 den Reaktor 7.

Dieses heiße Reaktionsgas wird nun im dargestellten Bei­ spiel zweifach in der Destillation eingesetzt, nämlich zu­ nächst gibt es einen Teil seiner Wärme im Reboiler 12 der Refining-Kolonne 9 ab, beheizt nachfolgend den Gas-Gas-Wär­ metauscher 5 zur Vorheizung des Synthesegases und gibt dann einen weiteren Teil der Wärme in dem Reboiler 11 der Topping-Kolonne 8 ab. Schließlich wird die Restwärme noch zum Vorwärmen im ersten Gas-Gas-Wärmeaustauscher 4 abgege­ ben, um, wie oben angegeben, das den Verdichter 3 verlas­ sende, eintretende Synthesegas auf 90°C aufzuwärmen.

In diesem letzten Wärmeaustauscher 4 hat das Gas schon den Taupunkt erreicht und es kondensiert teilweise, wobei das sich bildende Rohmethanol im Methanolabscheider 16 abge­ schieden und von der Kreislaufgasmenge 21 getrennt wird. Die Schlußkondensation erfolgt in dem nachgeschalteten Was­ serkühler.

Ein Teil dieser Kreislaufgasmenge 21 wird aus dem Kreis­ lauf entfernt, um die Menge der inerten Gase in erlaubten Grenzen zu halten, der restliche Teil geht zum Kreislauf­ gasverdichter 3 zurück, was mit der Leitung 27 aus dem Ab­ scheider 16 angedeutet ist.

Für die Erfindung wesentlich ist auch die besondere Gestal­ tung der Destillation, die, wie oben schon beschrieben, aus drei Kolonnen-Systemen besteht. In diesem hier be­ schriebenen Beispiel soll die erste Refining-Kolonne 9, die mit heißem Synthesegas aufgeheizt wird, bei ca. 8 bar arbeiten. Die freiwerdende Kondensationswärme des über Kopf austretenden Methanols wird zur Beheizung der zweiten Refining-Kolonne 10 benutzt, die beispielsweise als Nieder­ druck-Kolonne arbeitet, d. h. mit ca. 1,8 bar.

Die in der Destillation zwangsläufig anfallenden Fuselöle 22 und 23 sowie Methanolverluste 29 können im dargestell­ ten Beispiel zweifach eingesetzt werden, was ist mit einer Doppellinie angedeutet ist. Diese werden einmal im Spit­ zenvorwärmer 6 eingesetzt und zum anderen zur Beheizung ei­ nes mit 33 bezeichneten, links außen dargestellten Rund­ ofens, der zur Erzeugung von Mitteldruckdampf von ca. 50 bar und 400°C eingesetzt wird und, wie schon beschrieben, eine Dampfturbine zum Antrieb des Kreislaufgasverdichters 3 genutzt wird. Sollte je nach Verfahrensweise ein Brenngasüberschuß vorliegen, kann dieses über die Leitung 31 abgezogen werden.

Wie sich aus der Figur ebenfalls ergibt, kann vor Eintritt der flüssigen Rrennstoffe in den Rundofen 33 und den Spit­ zenvorwärmer 6 über die gestrichelt dargestellte Leitung 24 Brenngas diesen zugeführt werden, das sich aus dem bei der Entspannung des Rohmethanols 15 freiwerdende Flashgas 25, dem Strippgas 28 aus der Destillation und dem Purgegas 26 aus dem Methanolabscheider 16 zusammengesetzt.

Mit dem hier beschriebenen Beispiel steht ein Synthesegas zur Verfügung unter einem Druck zwischen 40 und 100 bar, wobei der Druck kapazitätsabhängig ist, d. h. die niedrige­ ren Druckwerte werden bei einer Anlagenkapazität bis zu 600 tato eingesetzt, wobei 100 bar eine Anlagenkapazität über 1300 tato voraussetzen.

Claims (12)

1. Verfahren zur Nutzung der Energie des den Reaktor einer Methanol-Synthese verlassenden Reaktionsgases mit Vorwär­ mung des in den Reaktor eintretenden Synthesegases durch wenigstens einen Teilstrom des Reaktionsgases, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Methanol-Synthese erzeugte heiße Reaktions­ gas wenigstens zu einem Teil zur Wärmeabgabe in einer Me­ thanol-Destillation herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte heiße Reaktionsgasstrom nach der Methanol- Synthese in der Destillation einem ersten Wärmetauscher zur Abgabe eines Teiles der Wärme zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Strom des in einer ersten Stufe abgekühl­ ten Reaktionsgases einem Gas-Gas-Wärmetauscher zur Vorwär­ mung des dem Reaktor zugeführten Synthesegases zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nachfolgend der gesamte Reaktionsgasstrom einem weite­ ren der Destillation zugeordneten Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nachfolgend der gesamte Reaktionsgasstrom einem weite­ ren Gas-Gas-Wärmetauscher zur Vorwärmung des dem Reaktor zugeführten Synthesegases zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Methanol-Destillation anfallenden flüssigen Methanolverluste und die anfallenden Fuselöle zur Vorwär­ mung von Kesselspeisewasser und zur Dampferzeugung und/ oder zur Beheizung eines Spitzenvorwärmers für das dem Re­ aktor zugeführten Synthesegas durch Verbrennung herangezo­ gen werden.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anfallendes Purgegas, anfallendes Strippgas und anfal­ lendes Flashgas zur Vorwärmung von Kesselspeisewasser und zur Dampferzeugung und/oder zur Vorwärmung von dem Reaktor zugeführtem Synthesegas eingesetzt werden und/oder ein Überschußanteil dieses Rrenngasstromes als Exportbrenngas­ strom aus der Anlage geführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Verbrennung der Methanolverluste, Fusel­ öle, Purgegas, Strippgas und Flashgas erzeugte Dampf wenig­ stens teilweise einer Dampfturbine zum Antrieb eines Kreis­ laufgasverdichters zugeführt wird.

9. Anlage insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Methanol-Syn­ these-Reaktor (7) und einer diesem zugeordneten mehrstufi­ gen Methanol-Destillation, gekennzeichnet durch eine Topping-Kolonne (8) und eine nachgeschaltete Refi­ ning-Kolonne (9) mit je einem vom Gesamtstrom des den Reak­ tor (7) verlassenden heißen Reaktionsgases (20) beheizten Reboiler (11 bzw. 12).

10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des den Reaktor (7) verlassenden Reaktionsgasstromes (20) nach dem Reboiler (12) der Refi­ ning-Kolonne (9) ein Gas-Gas-Wärmeaustauscher (5) und nach dem Reboiler (11) der Topping-Kolonne (8) ein weiterer Gas-Gas-Wärmetauscher (4) vorgesehen ist.

11. Anlage nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des Reaktionsgasstromes dem Gas- Gas-Wärmeaustauscher (4) ein Spitzenvorwärmer (6), in dem durch Verbrennung von Purgegas (26), Strippgas (28), Flash­ gas (25), Fuselöl (22, 23) und flüssigen Methanolverlusten (29) der Reaktionsstrom aufgeheizt wird, nachgeschaltet ist.

12. Anlage nach den Ansprüchen 9 bis 11, gekennzeichnet durch einen als Rundofen (33) ausgebildeten Dampferzeuger, in dem durch Verbrennung von Purgegas (26), Strippgas (28), Flashgas (25), Fuselöl (22, 23) und/oder flüssigen Methanol­ verlusten (29) Kesselspeisewasser (17) in einem ersten Wär­ meaustauscher erwärmt und in einem zweiten Wärmeaustau­ scher überhitzter Dampf (32) erzeugt wird.