DE69913213T2 - Integration von einem kryogenen Lufttrenner mit Synthesegasherstellung und Konvertierung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Integration der Luftzerlegung unter erhöhtem Druck in die Produktion eines Synthesegases, welches Wasserstoff und Kohlenmonoxid (CO) enthält, aus einem Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial unter Verwendung von Sauerstoff, welcher durch Luftzerlegung erhalten wird, und anschließende Verwendung des Synthesegases durch einen exothermen Umwandlungsprozess. Sie findet besondere, aber nicht ausschließliche Anwendung bei der partiellen Oxidation von Erdgas und der Umwandlung des resultierenden Synthesegases in ein flüssiges Produkt durch eine katalytischen Hydrierungsprozess. Der Ausdruck "partielle Oxidation", der in dieser Anmeldung im Hinblick auf Erdgas oder ein anderes Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial verwendet wird, bedeutet jede Reaktion des Ausgangsmaterials, um Synthesegas herzustellen, welche die Verwendung von Sauerstoff umfasst, sogar wenn diese Reaktion in Anwesenheit von Dampf oder anderen reaktiven Bestandteilen ausgeführt wird, es sei denn, dass es aus dem Kontext klar hervorgeht, dass nur eine Reaktion mit Sauerstoff gemeint ist.
  • Erdgas wird oftmals entweder im Zusammenhang mit Rohöl oder allein an einem entfernten Ort produziert, an dem es nicht wirtschaftlich ist, das Gas zu Verbrauchspunkten mit Leitungen zu transportieren. Ein Verfahren zum Erhalten dieses Gases ist es, dieses in paraffinische Kohlenwasserstoffe oder deren oxidierte Derivate durch katalytische Hydrierung umzuwandeln. Der Ausdruck "katalytische Hydrierung" wird in dieser Anmeldung in der Bedeutung verwendet, dass das Gas mit einem Katalysator in Kontakt gebracht wird, durch Kohlenmonoxid in dem Gas durch den Wasserstoffgehalt des Gases hydriert wird, um paraffinische Kohlenwasserstoffe oder oxidierte Derivate, insbesondere Methanol und Dimethylether, aber auch Aldehyde und Ketone zu erzeugen. Der Ausdruck "Fischer-Tropsch Prozess" bezeichnet eine solche katalytische Hydrierung, um paraffinische Kohlenwasserstoffe zu bereiten. Andere Verwendungen des Synthesegases umfassen die Bereitstellung von Ammoniak. Diese Gasumwandlungsreaktionen sind exotherm, und üblicherweise wird die Reaktionswärme zur Erzeugung von Dampf verwendet.
  • Die Umwandlung von Erdgas (oder anderen Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterialien) zu Synthesegas wird unter Verwendung eines von mehreren verfügbaren Standardverfahren, wie z. B. das Dampfreformieren, das autotherme Reformieren, kombiniertes Dampf- und autothermes Reformieren, kombiniertes Reformieren mit vor-reformierender partieller Oxidation und gasbeheizter Reformierung etc. ausgeführt. Die am meisten bevorzugten Systeme zur Minimierung der Gesamtanlagengröße und der Produktionskosten verwenden Verfahren, bei denen Sauerstoff von Luft getrennt wird und in z. B. einem autothermen, kombinierten Reformer oder partiellen Oxidationssystem verwendet wird. Die Verwendung von Sauerstoff erlaubt es, die Produktion von Synthesegas mit hohem CO : H2-Verhältnis (1 : 1,6 bis 1 : 2,5), wie es für einen katalytischen Hydrierungsprozess notwendig ist, ohne übermäßige Wasserstoffproduktion zu verwenden.
  • Die US-A-3,962,300 (veröffentlicht am 08. Juni 1976) offenbart ein Verfahren zur Produktion von Methanol aus Synthesegas, welches durch die partielle Oxidation eines Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterials unter Verwendung von Sauerstoff (24) aus einer Luftzerlegungseinheit ("ASU" für Air Separation Unit) erhalten wird. Die Speiseluft für die ASU wird durch einen Kompressor verdichtet, der durch Expansion von Dampf angetrieben wird, der zuvor durch indirekten Wärmeaustausch im Methanol-Synthesereaktor erhalten und in einem nachträglichen Erhitzer überhitzt wird.
  • Die GB-A-2237287 (veröffentlicht am 01. Mai 1991) offenbart eine Methanolsynthese, bei der das Ausgangsmaterial durch reformiertes Erdgas zur Verfügung gestellt wird. Das Reformieren wird mit sauerstoff-angereicherter Luft durchgeführt, und ein Teil des reformierten Gases wird einer Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktion unterworfen, und der Wasserstoffanteil des resultierenden Gasstromes wird mit dem Rest des Reformatgases gemischt, um ein wasserstoffangereichertes Ausgangsmaterial für die Methanolsynthese zu erlangen.
  • Die EP-A-0634562 (veröffentlicht am 18. Januar 1995) offenbart ein integriertes Luftzerlegungs-Gasturbinen-Leistungs-erzeugungsverfahren, bei dem Synthesegas mit gesättigtem, verdichtetem Gasturbinen-Einspeisungsgas verbrannt wird, um ein Verbrennungsgas zur Verfügung zu stellen, welches in der Gasturbine arbeitsexpandiert wird, um den Speiseluft-Verdichter bzw. die Speiseluftverdichter der Gasturbine anzutreiben und Arbeit bzw. Leistung zur Verfügung zu stellen. Das Synthesegas wird durch die Reaktion eines kohlenstoffhaltigen Treibstoffs mit einem verdichteten ASU-Sauerstoff-Produkt vorbereitet. Wenigstens ein Teil der ASU-Speiseluft wird von einem Gasturbinen-Verdichter zur Verfügung gestellt. Das Wasser, welches zur Sättigung der verdichteten Gasturbinen-Speiseluft vor der Verbrennung verwendet wird, wird erhitzt, wobei die Wärme der Verdichtung des ASU-Sauerstoff-Produktes vor der Synthesegasproduktion verwendet wird.
  • Die US-A-4,888,131 (Goetsch et al; veröffentlicht am 19. Dezember 1989) und die US-A-5,160,456 (Lahn et al; veröffentlicht am 03 November 1992) beschreiben beide die partielle Oxidation von Erdgas mit Sauerstoff, um ein Synthesegas zu produzieren, und die Umwandlung dieses Gases in flüssige Produkte durch einen Fischer-Tropsch-Prozess ("Ferngasprozess"), beschreiben jedoch nicht die verwendete ASU. Weitere Informationen betreffend den Ferngasprozess werden in einer Veröffentlichung von Ansell et al ("Liquid/fuels from Natural Gas – An Update of the Exxon Process"), welche bei dem Council on Alternate Fuels, 26–28 April 1994 präsentiert wurde, zur Verfügung gestellt, aber hier findet man wiederum keine Details der ASU.
  • Eine Veröffentlichung von Tijm et al ("Shell Middle Distillate Synthesis The Process, The Products, The Plant") vorgestellt auf dem Council on Alternate Fuels, 26–29 April 1994 gibt eine Zusammenfassung des Ferngasverfahrens, der durch Shell entwickelt wurde, stellt jedoch keinerlei Details der ASU zur Verfügung.
  • Die EP-A-0748763 A (veröffentlicht am 18. Dezember 1996) bezieht sich im Allgemeinen auf die Integration einer ASU in die Synthesegasproduktion und die Umwandlung, bei der der Kompressionsbedarf für die ASU-Einspeiseluftverdichtung durch Überschussdampf aus der Synthesegas-Umwandlung zur Verfügung gestellt wird.
  • Eine Veröffentlichung von Choi et al ("Design/Economics of a natural gas based Fischer-Tropsch plant") vorgestellt auf dem AlChemE 1997 Frühjahrs-National-Meeting vom 09–13 März 1997 gibt weitere ökonomische und gestalterische Informationen betreffend ein Ferngasverfahren, jedoch keine Informationen betreffend die ASU.
  • Die WO-A-97/12118 (PCT/NO96/00227; veröffentlicht am 03. April 1997) enthält eine detaillierte Verfahrensbeschreibung von einem und stellt eine Wärme- und Stoffbilanz für ein Ferngasverfahren vor, enthält jedoch wiederum keine ASU-Detailinformationen.
  • Die US-A-5635541 (Smith et al; veröffentlicht am 03. Juni 1997) beschreibt ein Ferngasverfahren, bei dem ein Teil des Dampfes, der durch die Gasumwandlungsreaktion erzeugt wird, zum Bereitstellen der Gasverdichtungsarbeit einer ASU mit erhöhtem Druck verwendet wird.
  • Üblicherweise wird die Speiseluft für eine ASU in einer im Wesentlichen isothermen Art und Weise unter Verwendung eines Mehrstufenverdichters mit Zwischenkühlern verdichtet. Wenn überhaupt, kann nur wenig verwendbare Energie aus den Zwischenkühlern wiedergewonnen werden. Die US-A-4,461,154 (Allam; veröffentlicht am 24. Juli 1984) lehrt jedoch, dass bei einem genügend hohen Verdichtungsverhältnis (wenigstens 2,5 : 1) die im Wesentlichen adiabate Verdichtung des Gases eine Temperatur erzeugt, welche genügend hoch ist, um hochwertige Energie zur Verfügung zu stellen, welche direkt oder indirekt zur Unterstützung des Antriebs des Verdichters verwendet werden kann. Die erzeugte Energie kompensiert die zusätzliche Leistung, die für die adiabatische Verdichtung benötigt wird.
  • Insbesondere die US-A-4,461,154 beschreibt ein Luftverdichtungssystem mit einen Dampfturbinenantrieb, bei dem die Luft adiabatisch verdichtet wird; die verdichtete Luft, welche den Kompressor verlässt, wird durch einen Nachkühler geschickt, wo sie Heizspeisewasser erhitzt; das erhitzte Heizspeisewasser wird im Erhitzer verdampft, so dass überhitzter Dampf erzeugt wird; und der Dampf wird zum Antrieb des Luftverdichters verwendet. Das Vorwärmen des Verdampferspeisewassers erlaubt es, Überschusswärme im Verdampferabgas zur Vorheizung von Luft, welche im Verdampfer zur Treibstoffverbrennung zugeführt wird, vorzuwärmen. Diese Anordnung erlaubt eine wesentliche Reduzierung des Treibstoffverbrauchs für die Dampfproduktion. Weiterhin sind das Gewicht, das Volumen, die Kosten, die Stellfläche und die Höhe eines adiabatischen Verdichters alle wesentlich kleiner als für einen Mehrstufenverdichter mit Zwischenkühlern, wie er in konventionellen ASU's verwendet wird.
  • Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine ASU mit Synthesegas-Produktion und Umwandlung in einer kosteneffektiven Art und Weise, die geeignet ist für Ferngasverfahren (remote gasprocessing), zu integrieren. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Luftzerlegung und Erdgasverwendung zum Zwecke der Installation auf einer Offshore-Gas- oder Gas/Ölproduktionsplattform oder auf einem schwimmenden Produktions-, Lagerungs und Entladungssystem (FPSO für Floating Production Storage and Offloading) zu integrieren. Weitere Aufgaben bestehen darin, das Volumen und das Gewicht der ASU zu minimieren, die Kosten des gesamten Anlagen-Kraftwerksystems durch Optimieren der Notleistungsversorgung, welche für das Anfahren und den Betrieb der ASU notwendig ist, zu minimieren und die Überschussenergie (üblicherweise in Dampfform), welche aus der Gasumwandlung resultiert, effektiver zu verwenden. Einige oder alle dieser Aufgaben werden in verschiedenem Maße durch Verfahren der vorliegenden Erfindung gelöst. Obwohl die Erfindung zur Lösung dieser Aufgaben entwickelt wurde, ist diese nicht auf die Anwendung an entfernten Orten oder für die Verwendung von Erdgas beschränkt, sondern ist vielmehr für die breite Anwendung, wo geeignete Bedingungen und Anforderungen existieren, geeignet.
  • Gemäß einem ersten Aspekt ist die vorliegende Erfindung eine Verbesserung eines Verfahrens für die Verwendung eines Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterials, bei dem das Ausgangsmaterial teilweise unter Verwendung von Sauerstoff oxidiert wird, welcher durch Luftzerlegung zur Verfügung gestellt wird, um ein Synthesegas, enthaltend Kohlenmonoxid und Wasserstoff, zu bilden; das Synthesegas wird einem Konvertierungsverfahren mit einer exothermen Reaktion unterworfen; dabei wird das Speisegas für die Luftzerlegung wenigstens teilweise durch Arbeit verdichtet wird, die durch Expansion eines Arbeitsfluids erzeugt wird, das durch indirekten Wärmeaustausch mit wenigstens einem Synthesegas und der exothermen Reaktion verdampft wird. Die Verbesserung besteht in der Verdichtung der Speiseluft in einer adiabatischen Art und Weise, um Vorwärme dem Arbeitsfluid durch indirektem Wärmeaustausch mit der verdichteten Luft zur Verfügung zu stellen.
  • Optional können andere Anlagen-Gasverdichter üblicherweise adiabate Verdichter sein, um die Vorwärme, die durch den Einspeiseluftverdichter zur Verfügung gestellt wird, zu ergänzen.
  • Gemäß einem anderen Aspekt stellt die Erfindung eine korrespondierende Verbesserung der Vorrichtung dar, die für die Ausgangsmaterial-Nutzbarmachung verwendet wird. Diese Verbesserung ist das Vorsehen eines adiabatischen Einspeiseluftverdichters, um erwärmte Luft für das Vorwärmen des Arbeitsfluides zur Verfügung zu stellen, eines Wärmetauschers zum indirekten Wärmeaustausch zwischen der adiabatisch verdichteten Einspeiseluft und dem Arbeitsfluid, um das Arbeitsfluid vorzuwärmen, und einer Leitungseinrichtung zum Leiten des genannten vorgewärmten Arbeitsfluids zu Verdampfungseinrichtungen, die das Arbeitsfluid durch Wärmeaustausch mit dem Synthesegas oder einer exothermen Reaktion verdampfen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Verbesserung in dem Verfahren für die Nutzbarmachung eines Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterials durch eine partielle Oxidation des Ausgangsmaterials mit Sauerstoff vorgesehen, um ein Synthesegas, welches Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält, zu bilden und dieses Synthesegas einem Umwandlungsverfahren einer exothermen Reaktion zu unterwerfen, wobei der Sauerstoff durch Luftzerlegung zur Verfügung gestellt wird, bei der die Speiseluft wenigstens teilweise durch Arbeit verdichtet wird, die durch Expansion eines durch indirekten Wärmeaustausch mit wenigstens einem Synthesegas und der exothermen Reaktion erhaltenen Arbeitsfluids erzeugt wird, wobei die Verbesserung darin besteht, dass das Arbeitsfluid durch indirekten Wärmeaustausch mit adiabatisch verdichteter Einspeiseluft vorgeheizt wird.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ebenso eine Verbesserung zur Verfügung betreffend eine Vorrichtung für die Nutzbarmachung eines Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterials, aufweisend einen Ausgangsmaterial-Reaktor zur teilweisen Oxidierung des Ausgangsmaterials mit Sauerstoff, um ein Synthesegas zu bilden, welches Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält, einen Synthesegas-Umwandlungsreaktor, um das Synthesegas einem Konvertierungsverfahren mit einer exothermen Reaktion zu unterwerfen, eine Luftzerlegungseinheit zur Zerlegung von Luft, um Sauerstoff dem Ausgangsmaterial-Reaktor zuzuführen, und enthaltend einen Speiseluftverdichter, einen Arbeitsfluidkreislauf, enthaltend Verdampfungseinrichtungen zum Verdampfen des Arbeitsfluids durch indirekten Wärmeaustausch mit wenigstens einem Synthesegas oder der exothermen Reaktion, und einen Expander für die Erzeugung von Arbeit durch Ausdehnung des verdampften Arbeitsfluids sowie Mittel, die den genannten Expander mit dem Luftverdichter verbinden, wobei die Einspeiseluft wenigstens teilweise durch Arbeit verdichtet wird, die durch den Expander erzeugt wird, wobei die Verbesserung darin besteht, dass der Speiseluftverdichter ein adiabatischer Verdichter ist, welcher angewärmte Luft für das Vorwärmen des Arbeitsfluids zur Verfügung stellt und der Arbeitsfluid-Kreislauf einen Wärmetauscher zum indirekten Wärmeaustausch zwischen der adiabatisch verdichteten Einspeiseluft und dem Arbeitsfluid um das Arbeitsfluid vorzuwärmen, und Leitungseinrichtungen zum Leiten des vorgeheizten Arbeitsfluids zu den Verdampfungseinrichtungen umfasst.
  • Sofern das Synthesegas-Konvertierungsverfahren eine Fischer-Tropsch-Reaktion ist, wird eine große Wärmemenge erzeugt. Die Reaktion kann folgendermaßen dargestellt werden: CO + 2H2 → -CH2- + H2O ΔH = –36 kcal/mol.
  • Weniger, aber immer noch eine beachtliche Wärmemenge wird erzeugt, wenn das Verfahren eine katalytische Hydrierung ist, bei der Methanol erzeugt wird, und diese Reaktion kann wie folgt dargestellt werden: CO + 2H2 → CH3OH ΔH = –24 kcal/mol.
  • Andere exotherme Synthesegas-Konvertierungsverfahren weisen die Produktion von Dimethylether aus Methanol, das in situ aus dem Synthesegas hergestellt wird, und die Produktion von Ammoniak auf, bei denen die exotherme Reaktion die Reaktion des Wasserstoffgehalts des Synthesegases mit Stickstoff ist, welcher durch einen Lufttrennungsprozess bzw. -verfahren zur Verfügung gestellt wird.
  • Die Synthesegas-Konvertierungsreaktoren werden üblicherweise unter im allgemeinen isothermen Bedingungen betrieben, wobei die Reaktionswärme durch Dampferzeugung aus Wärmtauscherrohren innerhalb des Reaktors abgeleitet wird. Das synthetische Speisegas wird in einem Hochtemperatur-Reaktorsystem erzeugt, wobei Sauerstoff verwendet wird, wie z. B. ein Partial-Oxidationsreaktor oder ein autothermer Reformer-Reaktor. Das Hochtemperatur-Synthesegas, welches den Reaktor verlässt, muss auf die Betriebstemperatur des Gaskonvertierungsreaktors gekühlt werden, welche typischerweise 220 bis 280°C beträgt, wenn paraffinische Wasserstoffe vorbereitet werden sollen. Die Wärme, die durch dieses Kühlen abgeführt wird, kann zur Erzeugung von Hochdruckdampf zur mechanischen Energieproduktion verwendet werden. Die exotherme Gaskonvertierungsreaktion ist jedoch durch den Entzug der gesamten Wärme bei oder über der Temperatur der Reaktion gekennzeichnet, und es gibt nicht genug Wärme, die unterhalb dieses Temperaturniveaus im konventionellen Verfahren verfügbar ist, um die gesamte Niederniveauwärme, die für die Speisewasservorheizung notwendig ist, zur Verfügung zu stellen, um das Dampfsystem zu beliefern. Die Verwendung eines adiabatischen Speiseluftverdichters entsprechend der vorliegenden Erfindung stellt Wärme bei einem ausreichend hohen Temperaturniveau zur Verfügung, um wenigstens einen Teil des Speisewasservorwärmungsbedarfs zu liefern.
  • Die Verwendung eines adiabatischen Speiseluftverdichters bringt mehrere Vorteile. Da dieser keine Zwischenkühler hat, ist er kompakt, hat ein relativ niedriges Gewicht, eine kleine Höhe und eine kleine Stellfläche im Vergleich mit einem Zwischenkühler-Kompressor. Es besteht keine Notwendigkeit für große Kühlwasserströme zum Verdichter; üblicherweise wird ein einzelner Abstimmungskühler im Anschluss an den Speiseluft/Arbeitsfluid-Wärmetauscher vorgesehen. Diese Merkmale machen es einfach, das Verdichtungssystem modular aufzubauen, und sie sind insbesondere wünschenswert für Offshore-Gaserzeugungssysteme, wie z. B. feste Plattformen oder ein FPSO. Die adiabatischen Verdichter werden üblicherweise entweder durch Dampfturbinen oder elektrische Motoren mit Elektrizität, die aus einem Dampfturbinensystem mit zusätzlicher Gasturbinen-Sicherung gewonnen wird, betrieben.
  • Üblicherweise wird die Lufttrennung eine kryogene Luftzerlegung sein, es können aber auch andere Lufttrennungsverfahren mit erhöhten Druck, insbesondere Druckwechseladsorption, verwendet werden.
  • Das Ausgangsmaterial wird üblicherweise Erdgas sein, es kann jedoch jedes andere Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial, welches üblicherweise als eine Synthesegasquelle benutzt wird, verwendet werden.
  • Die partielle Oxidation kann mittels irgendeinem der bekannten Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durchgeführt werden, welche Sauerstoff verwenden, ist jedoch bevorzugt ein Verfahren, welches ein Gas mit einem Kohlenmonoxid: Wasserstoff-Molverhältnis von 1 : 1,6 bis 1 : 2,5 hat.
  • Üblicherweise ist das Arbeitsfluid Wasser.
  • Das Arbeitsfluid kann durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Synthesegas und/oder mit der exothermen Reaktion verdampft werden. Üblicherweise wird ein erster verdampfter Arbeits-fluidstrom bei einem ersten Druck, z. B. 10 bis 30 bar (1 bis 3 MPa) zur Verfügung gestellt durch indirekten Wärmeaustausch mit der exothermen Reaktion, und ein zweiter verdampfter Arbeitsfluidstrom bei einem höheren Druck, z. B. ungefähr 60 bar (6 MPa) wird zur Verfügung gestellt durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Synthesegas, und beide verdampften Arbeitsfluidströme werden expandiert, um zur erforderlichen Arbeit für die Luftverdichtung beizutragen.
  • Das flüssige Arbeitsfluid, welches durch indirekten Wärmeaustausch mit der adiabatisch verdichteten Luft vorgeheizt wurde, wird zum exothermen Reaktionswärmeaustausch und/oder zum Synthesegas-Wärmeaustausch geleitet, wird jedoch üblicherweise zum exothermen Wärmeaustausch geleitet.
  • Das folgende ist unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen eine lediglich beispielhafte Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In den Zeichnungen sind:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Luftzerlegungsverfahrens zur Integration in ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Darstellung einer integrierten Synthesegas-Produktion und eines Fischer-Tropsch-Prozesses zur Integration in das Luftzerlegungsverfahren von 1; und
  • 3 eine schematische Darstellung einer integrierten Synthesegas-Produktion und Methanol-Produktion zur Integration in das Lufttrennungsverfahren von 1.
  • Zunächst, unter Bezugnahme auf 1 weist ein kryogenes Luftzerlegungssystem einen adiabatischen Axialverdichter 2 auf, welcher Speiseluft 1 von Umgebungsdruck auf 5,5 bar (0,55 MPa) verdichtet und dabei deren Temperatur von 20°C auf 240°C erhöht. Die verdichtete Luft 3 wird in einem Nachkühler 4 gegenüber 28 bar (2,8 MPa) Speisewasser gekühlt, um einen vorgewärmten Speisewasserstrom 5 bei 230°C zu erhalten. Die so gekühlte Speiseluft wird weiter auf 20°C in einem Abstimmungskühler 6 gekühlt, bevor sie in einen Luftreinigungsadsorber 7 eingeleitet wird. Trockene, gereinigte Luft, welche den Adsorber verlässt, wird in einen ersten Unterstrom 8, der direkt einem kryogenen Luftseparator 9 aufgegeben wird, und einen zweiten Unterstrom 10, der weiter auf 60 bar (6 MPa) in einem zwischengekühlten Mehrstufen-Kreiselverdichter 11 verdichtet wird, aufgeteilt, bevor dieser ebenso dem Separator 9 zugegeben wird 12. Die Speiseluftunterströme 8, 12 werden im Separator 9 durch kryogene Destillation unter Verwendung eines konventionell gepumpten Sauerstoffkreislaufes getrennt, um Sauerstoff 13 bei 40 bar (4 MPa) und Abfallstickstoff 14 zur Verfügung zu stellen, wobei ein Unterstrom 15 hiervon für die Regeneration des Adsorbers 7 verwendet wird. Wahlweise kann der Boosterverdichter 11 ein adiabatischer Verdichter mit einem Nachkühler, der das Speisewasser erwärmt, gefolgt von einem Abstimmungskühler sein.
  • Der Verdichter 2 wird über einen elektrischen Generator/Motor von einer Dampfturbine 41 angetrieben, die durch Dampf angetrieben wird, der in einem Gaskonvertierungsverfahren (siehe 2) generiert wird. Sauerstoff 17 bei 40 bar (4 MPa) und 20°C, welcher vom Luftseparator 9 geliefert wird, tritt über die Leitung 17 ein und wird vorgeheizt auf 270°C gegen kondensierenden 60 bar (6 MPa)-Dampf im Wärmetauscher 18. Erdgas bei 40 bar (4 MPa) wird auf 270°C im Wärmetauscher 19 vorgeheizt und mit dem heißen Sauerstoff 21 und dem Dampf 22 in den Brenner eines partiellen Oxidationsreaktors 23 geleitet 20. Die Anteile von Dampf, Sauerstoff und Erdgas sind derart, dass das Synthesegas 24, welches erzeugt wird, ein Wasserstoff : Kohlenmonoxid-Verhältnis von 2,14 : 1 aufweist.
  • Das Synthesegas 24 verlässt den Reaktor 23 bei 1083°C und wird in einem Abwärmeverdampfer 25 gekühlt, um 60 bar (6 MPa) Dampf zu erzeugen, welcher dann auf 430°C überhitzt wird in einem Synthesegaskühler 26, um Hochdruckdampf 16 für die Turbine 41, den Reaktor 23 und den Wärmetauscher 18 zur Verfügung zu stellen. Das Synthesegas 27, welches den Kühler 26 verlässt, hat 290°C und wird in zwei Unterströme aufgeteilt, welche in dem Wärmetauscher 19 und im parallelen Wärmetauscher 28 gekühlt werden, welcher den Dampf aus einem Synthesegas-Konvertierungs-Schlammreaktor (slumy reactor) 32 überhitzt, um einen 28 bar (2,8 MPa) Dampf 29 bei 270°C zur Verfügung zu stellen. Das Synthesegas wird dann weiter auf 40°C im Wärmetauscher 30 gekühlt, in dem das 60 bar (6 MPa) Speisewasser vorgewärmt wird. Wasser wird von dem Synthesegas in dem Separator 31 getrennt, und das verbleibende Synthesegas 33 tritt in den Schlammreaktor 32 zur Fischer-Tropsch-Konvertierung in paraffinische Kohlenwasserstoffe ein. Die Wärme, welche in dem Reaktor 32 erzeugt wird, wird durch verdampfendes Wasser bei 28 bar (2,8 MPa) zurückgeführt, welches die Reaktortemperatur bei 250°C hält. Gesättigter Dampf wird von einer Dampftrommel 34 erzeugt, um den Wärmetauscher 28 zu versorgen. Sauberer Reaktorausfluss 35 wird auf 150°C im Wärmetauscher 36 gekühlt, um Speisewasser bei 28 bar (2,8 MPa) vorzuheizen, und das Restgas wird vom paraffinischen, flüssigen Kohlenwasserstoffprodukt in einem Separator 37 getrennt. Das Gas 38 stellt Treibstoff für ein Gasturbinen-Kraftwerksystem (nicht gezeigt) zur Verfügung, und das abgetrennte Flüssigprodukt wird nahe bei Umgebungstemperatur gegen Kühlwasser in einem Wärmetauscher 39 gekühlt. Die gekühlte Flüssigkeit wird in einen Abklärkessel 40 gegeben, wo paraffinische Wasserstoffe vom Wasser getrennt werden.
  • 60 bar (6 MPa) Dampf von dem Kühler 26 und 28 bar (2,8 MPa) Dampf 29 werden in der Dampfturbine 41 expandiert, welche mit einem elektrischen Generator/Motor gekoppelt ist, welcher ebenso den Haupt-ASU-Luftverdichter 2 antreibt. Das System kann gestartet werden durch das Antreiben des Elektromotors und des Hauptluftverdichters unter Verwendung von elektrischer Energie, die durch eine Gasturbine, welche das Treibstoffgas 38 nutzt, geliefert wird.
  • Der 28 bar (2,8 MPa) Speisewasserbedarf 42 des Systems wird durch vorgeheiztes Speisewasser 5 vom Nachkühler 4 und durch vorgeheiztes Speisewasser vom Wärmetauscher 36 zur Verfügung gestellt, und der 60 bar (6 MPa) Speisewasserbedarf 43 wird durch das vorgeheizte Speisewasser des Wärmetauschers 30 zur Verfügung gestellt. Sofern notwendig, kann das vorgeheizte Speisewasser 5 60 bar (6 MPa) haben und zur Unterstützung des vorgeheizten 60 bar Speisewassers aus dem Wärmetauscher 30 verwendet werden, anstatt zur Unterstützung des vorgeheizten 28 bar (2,8 MPa) Speisewassers von Wärmetauscher 36. In einer weiteren Alternative kann der Wärmetauscher 4 zwei Speisewasserströme, einen bei 60 bar (6 MPa) und den anderen bei 28 bar (2,8 MPa) heizen, um vorgeheiztes Speisewasser von beiden der Wärmetauscher 30, 36 zu ergänzen.
  • Der Abgasstrom wird nach einer Kondensierung und Entgasung zum System in bekannter Art und Weise zurückgeführt.
  • Die Tabelle I gibt eine Zusammenfassung der Hauptarbeitsbedingungen für das Verfahren der 1 und 2 ohne Speisewasservorheizung durch den adiabaten Luftverdichter 2 an.
  • Figure 00130001
  • Die Tabelle II zeigt die Menge von 60 bar (6 MPa) und 28 bar (2,8 MPa) Dampf, die erzeugt wird, sowie der erforderlichen Speisewasser-Vorwärmbedarf, im Vergleich zur gesamten Menge, die aus den Wärmetauschern 30 und 36 verfügbar ist. Die Differenz ist 21,69 MW. Der Bedarf, welcher vom ASU-Hauptluftverdichter-Nachkühler 4 verfügbar ist, ist 10,2 MW. Wahlweise kann die Verwendung eines adiabatischen Verstärkerverdichters 11 weitere 4,8 MW zur Verfügung stellen.
  • Tabelle II
    Figure 00140001
  • 3 zeigt ein Gaskonvertierungsverfahren ähnlich zu dem von 2, aber bei dem das Synthesegas in Methanol konvertiert wird. Die gleichen Bezugsziffern werden für korrespondierende Gegenstände verwendet, und nur die Hauptunterschiede zwischen den beiden Verfahren werden beschrieben.
  • Das Synthesegas, welches den Partialoxidationsreaktor 23 in der Leitung 24 verlässt, hat 1091°C und wird nach dem Kühlen in den Wärmetauschern 25, 26, 19, 28 und 30 und der Passage durch den Separator 31 auf 70 bar (7 MPa) in einem Verdichter 29 verdichtet und mit einem Rücklaufstrom 60 gemischt. Der gemischte Strom wird auf 240°C vorerhitzt in einem Wärmetauscher 61, bevor er in das Methanolreaktorsystem 32 über die Leitung 62 eintritt. Die Wärme, welche im Methanolreaktor 32 erzeugt wird, wird durch verdampfendes Wasser bei 28 bar (2,8 MPa) zurückgeführt, welches die Reaktortemperatur bei 250°C aufrecht erhält. Gesättigter Dampf wird von der Dampftrommel 34 hergestellt. Der reine Reaktorausfluss in der Leitung 65 wird im Wärmetauscher 61 zur Vorheizung des Synthesegases, welches in den Methanolreaktor eintritt, verwendet. Der Ausflussstrom wird dann auf 38°C im Wärmetauscher 36 gekühlt, und der Methanolstrom wird vom verbleibenden Gas in der Leitung 38 im Separator 37 getrennt. Ein Teil des Restgases wird zurückverdichtet auf 70 bar (7 MPa) in einem Verdichter 69 und über die Leitung 60 dem Verfahren zurückgeführt.
  • Tabelle III gibt eine Zusammenfassung der Hauptbetriebsbedingungen des Verfahrens gemäß 3.
  • Figure 00160001
  • Tabelle IV zeigt die Menge von 60 bar (6 MPa) und 28 bar (2,8 MPa)-Dampf, hergestellt in dem Verfahren nach 3, und der erforderlichen Speisewasser-Vorheizbedarf im Vergleich zur gesamten Menge, die aus den Wärmetauschern 30 und 36 verfügbar ist. Die Differenz ist 10,71 MW. Der Bedarf, welche vom ASU-Haupt-Luftverdichter-Nachkühler 4 verfügbar ist, ist 10,2 MW. Wahlweise kann die Verwendung eines adiabatischen Verstärkerverdichters 11 weitere 4,8 MW zur Verfügung stellen.
  • Tabelle IV
    Figure 00170001
  • Die Verwendung von adiabatischer Verdichtung verbessert somit die Gesamteffizienz der Verfahren nach den 2 und 3, wobei zur gleichen Zeit die Vorteile der Kompaktheit, des geringen Gewichts etc., die vorab erwähnt wurden, erreicht werden und somit geringere Kapitalkosten erforderlich werden. Die Verwendung eines Dampf-Kraftwerksystems erlaubt die effiziente Verwendung von Wärme, welche in der exothermen partiellen Oxidation und den Synthesegas-Konvertierungsreaktionen erzeugt wurde: Hochtemperaturwärme wird zur Dampfgewinnung zurückbehalten, wobei adiabatische Niedertemperatur-Wärme zur Speisewasservorheizung verwendet werden kann.
  • Für den Fachmann ist es klar, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen Details, die oben beschrieben wurden, beschränkt ist, und dass verschiedene Abwandlungen und Variationen gemacht werden können, ohne den Umfang der folgenden Ansprüche zu verlassen.

Claims (17)

  1. Verfahren für die Ausnutzung eines Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterials durch teilweise Oxidation des Ausgangsmaterials mit Sauerstoff, um ein Kohlenmonoxid und Wasserstoff aufweisendes Synthesegas zu bilden, und Unterwerfen des Synthesegases einem Konvertierungs-Verfahren mit einer exothermen Reaktion, wobei der Sauerstoff durch Lufttrennung bzw. Luftzerlegung zur Verfügung gestellt wird, bei der die eingespeiste Luft wenigstens teilweise durch Arbeit komprimiert wird, die durch Expansion eines fluiden Arbeitsmediums erzeugt wird, das durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Synthesegas und/oder der exothermen Reaktion verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, dass das fluide Arbeitsmedium durch indirekten Wärmeaustausch mit adiabatisch komprimierter Einspeisungsluft vorgewärmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Luftzerlegung eine kryogene bzw. Tieftemperatur-Luftzerlegung ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Ausgangsmaterial natürliches Gas bzw. Erdgas ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erdgas sich an einer entfernten Stelle befindet.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die exotherme Reaktion eine katalytische Hydrierung ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die katalytische Hydrierung eine Fischer-Tropsch Synthese ist, die paraffinische Kohlenwasserstoffe erzeugt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die katalytische Hydrierung Methanol erzeugt.
  8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die katalytische Hydrierung Dimethylether erzeugt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mol-Verhältnis Kohlenmonoxid/Wasserstoff des Synthesegases von 1 : 1,6 bis 1 : 2,5 reicht.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das fluide Arbeitsmedium Wasser ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das fluide Arbeitsmedium durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Synthesegas verdampft wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das fluide Arbeitsmedium durch indirekten Wärmeaustausch mit der exothermen Reaktion verdampft wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster, verdampfter Strom des fluiden Arbeitsmediums bei einem ersten Druck durch indirekten Wärmeaustausch mit der exothermen Reaktion und ein zweiter, verdampfter Strom des fluiden Arbeitsmediums bei einem höheren Druck durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Synthesegas zur Verfügung gestellt werden, und dass beide verdampften Ströme aus dem fluiden Arbeitsmedium expandiert werden, um zu den Arbeits- bzw. Energieanforderungen für die Luftkompression beizutragen.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei dem Wärmeaustausch mit der exothermen Reaktion ein flüssiges Arbeitsmedium zugeführt wird, das wenigstens teilweise durch indirekten Wärmeaustausch mit der adiabatisch komprimierten Luft vorgewärmt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei dem Synthesegas-Wärmeaustausch ein flüssiges Arbeitsmedium zugeführt wird, das wenigstens teilweise durch indirekten Wärmeaustausch mit der adiabatisch komprimierten Luft vorgewärmt wird.
  16. Vorrichtung für die Ausnutzung eines Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterials mit einem Ausgangsmaterial-Reaktor für die partielle Oxidation des Ausgangsmaterials mit Sauerstoff, um ein Synthesegas mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu bilden; einem Synthesegas-Konvertierungsreaktor, um das Synthesegas einem Konvertierungsverfahren mit einer exothermen Reaktion zu unterwerfen; einer Luftzerlegungseinheit für die Zerlegung der Luft, um dem Ausgangsmaterial-Reaktor Sauerstoff zuzuführen, und mit einem Kompressor für die Einspeisungsluft; einem eine Verdampfungsanordnung enthaltenden Kreislauf für ein fluides Arbeitsmedium, um das fluide Arbeitsmedium durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Synthesegas und/oder der exothermen Reaktion zu verdampfen, und mit einem Expander für die Erzeugung von Arbeit bzw. Energie durch Expansion des verdampften, fluiden Arbeitsmediums; und mit einer Anordnung, die den Expander mit dem Kompressor für die Einspeisungsluft koppelt, wodurch die Einspeisungsluft wenigstens teilweise durch Arbeit komprimiert wird, die von dem Expander erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor für die Einspeisungsluft ein adiabatischer Kompressor ist, der erwärmte Luft für die Vorwärmung des fluiden Arbeitsmediums zur Verfügung stellt, und dass der Kreislauf für das fluide Arbeitsmedium einen Wärmetauscher für den indirekten Wärmeaustausch zwischen der adiabatisch komprimierten Einspeisungsluft und dem fluiden Arbeitsmedium, um das fluide Arbeitsmedium vorzuwärmen, und eine Leitungsanordnung für den Transport des vorgewärmten, fluiden Arbeitsmediums zu der Verdampfungsanordnung enthält.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16 für die Durchführung eines Verfahrens, wie es in einem der Ansprüche 2 bis 15 beansprucht ist.
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