ES2712640T3

ES2712640T3 - Integración de un sistema Fischer-Tropsch y generación de gas de síntesis

Info

Publication number: ES2712640T3
Application number: ES12827425T
Authority: ES
Inventors: Rodney J Allam
Original assignee: Niquan Energy LLC
Current assignee: Niquan Energy LLC
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2019-05-14
Anticipated expiration: 2032-09-04
Also published as: EP2751024A1; US20130118891A1; AU2012301583B2; CA2847475A1; EP2751024B1; EP2751024A4; RU2014112361A; AU2012301583A1; CN103857619A; WO2013033711A1

Abstract

Un método para separar componentes, que comprende: enfriar una corriente (36) de gas de síntesis a temperatura ambiente y pasar dicho gas enfriado a través de un separador (38) para eliminar el agua condensada; pasar el gas (39) de síntesis que sale de dicho separador (38) a un sistema (40) de reactor Fischer-Tropsch de primera etapa, obteniendo así una corriente (58) de producto de dicho sistema (40) de reactor Fischer-Tropsch de primera etapa a una temperatura en la que no hay hidrocarburos sólidos presentes; pasar la corriente (58) de producto a través de un primer separador (41), produciendo así una primera corriente (42) acuosa, una primera corriente (43) de hidrocarburo y una primera corriente (44) de producto gaseoso que pasa a un sistema (45) de reactor Fischer-Tropsch de segunda etapa; pasar la corriente (46) de salida del segundo sistema (45) de reactor Fischer-Tropsch a un segundo separador (47) produciendo así una segunda corriente (48) acuosa, una segunda corriente (49) de hidrocarburos y en una segunda corriente (50) de producto gaseoso a temperatura ambiente; enviar las corrientes (43, 44) de hidrocarburos primera y segunda a un sistema (70) de tratamiento que comprende hidrotratamiento y craqueo, isomerización y separación de productos por destilación; frotar la segunda corriente (50) de producto gaseoso con un aceite (53) ligero, en una torre (51) de frotación de aceite para eliminar una mezcla de C3 y C4 y para producir una corriente (52) de aceite de salida que comprende el aceite (53) ligero, hidrocarburos C3 y C4, en los que el aceite (53) ligero se toma de un sistema de destilación del producto del sistema (70) de tratamiento y no tiene contenido de hidrocarburos C3 y C4, donde dicho sistema (70) de tratamiento es alimentado por las corrientes (43, 44) de hidrocarburos primera y segunda y una corriente de H2 pura (81); devolver la corriente (52) de aceite de salida a dicho sistema de destilación del producto de dicho sistema (70) de tratamiento; separar así C3 y C4 de la corriente (52) de aceite de salida en dos corrientes (53, 71) separadas utilizando las columnas de destilación de dicho sistema (70) de destilación del producto; dividir el gas (54) que deja la torre (51) de frotación de aceite en dos corrientes, una primera corriente (26) que se va a tratar en un separador (57) para obtener CO2 puro (27) y una segunda corriente (55) más grande que contiene CO2, H2, CO, CH4, hidrocarburos C2 sin reaccionar e inertes, donde dicha segunda corriente (55) se comprime (56) y se pasa al sistema de generación de gas de síntesis que proporciona la corriente de gas de síntesis (36).

Description

DESCRIPCION

Integracion de un sistema Fischer-Tropsch y generacion de gas de sintesis

Reivindicacion de prioridad

Esta solicitud reivindica prioridad a la Solicitud de Patente de Estados Unidos de serie No. 61/530,147, presentada el

1 de septiembre de 2011.

Campo tecnico

Esta invencion se relaciona con la integracion de un sistema Fischer-Tropsch (FT) y la generacion de gas de sintesis.

Antecedentes

Una planta FT integrada comprende un sistema de generacion de gas de sintesis de H²+CO que proporciona gas de alimentacion a un sistema de sintesis catalitico de hidrocarburos Fischer-Tropsch con un sistema asociado de energia y energia termica.

La alta eficiencia, el bajo coste de capital, junto con una baja huella de carbono, son los objetivos principales de una instalacion total. La patente de Estados Unidos 6,534,551 describe un sistema integrado de generacion de gas de sintesis que comprende una unidad de generacion de gas de sintesis de dos etapas integrada con una turbina de gas que proporciona al menos parte de la energia requerida para impulsar una planta de produccion de O². La planta de O²puede ser ya sea una unidad criogenica de separacion de aire o un reactor de membrana de transferencia de iones oxido O²mixto a alta temperatura integrado con la turbina de gas. El generador de gas de sintesis de dos etapas comprende un POX o ATR acoplado en cualquier caso en una configuracion paralela con un reformador de vapor catalitico calentado por gas/hidrocarburo (GHR) en el cual el gas de calentamiento es el producto total mixto de cada reactor.

El reactor de sintesis de hidrocarburos FT puede comprender ya sea un sistema de una sola etapa o uno de dos etapas con enfriamiento y separacion entre las etapas de las fases liquidas acuosas e hidrocarbonadas del gas de sintesis sin reaccionar y los componentes inertes en la fase gaseosa. Esta corriente de gas separada de la primera etapa se calienta y se usa como alimentacion al reactor FT de segunda etapa. La tecnica anterior relacionada adicional se divulga en los documentos CA 2752839 A1, US 6,958,364 B1 y US 2007/0142481 A1.

Son posibles varios disenos diferentes de reactores FT. Las dos mas frecuentemente consideradas son las configuraciones de lecho burbujeante de fase de pasta y de lecho fijo. Cualquiera que sea el concepto de diseno para el sistema de reactor FT que se adopte, debe haber un procedimiento para utilizar de manera eficiente el gas de escape sin condensar que sale del sistema de FT para que se pueda usar de manera efectiva en el sistema de generacion de gas de sintesis. El gas de escape contiene flujos significativos de H²y CO sin reaccionar mas una gran cantidad de CO², CH⁴C², C³y C⁴. El C³y el C⁴deben eliminarse como productos valio reciclarse en su mayoria a la seccion de generacion de gas de sintesis junto con la fraccion de CH⁴y C², mientras que se debe eliminar el N²+A inerte para evitar una acumulacion en el sistema. El tratamiento de este gas de escape con la maxima eficiencia termica y la minima emision de CO²a la atmosfera a bajo coste de capital y consumo de energia es el objeto de esta invencion.

Resumen

Un metodo para separar componentes incluye recibir gas de escape de un proceso de reaccion de sintesis de hidrocarburos de Fischer-Tropsch. El gas de escape se frota con un aceite ligero al menos a una temperatura atmosferica proxima para eliminar sustancialmente una mezcla de C³y C⁴. El C³y el C⁴se separan de la mezcla en dos corrientes separadas utilizando columnas de destilacion en un Fischer-Tropsch. El metodo de acuerdo con la invencion se define en la reivindicacion 1.

Los detalles de una o mas realizaciones de la invencion se exponen en los dibujos adjuntos y en la descripcion a continuacion. Otras caracteristicas, objetos y ventajas de la invencion seran evidentes a partir de la descripcion y los dibujos, y de las reivindicaciones.

Descripcion de los dibujos

La FIG. 1 es un ejemplo de sistema para integrar un sistema FT y la generacion de gas de sintesis.

Los simbolos de referencia similares en los diversos dibujos indican elementos similares.

Descripcion detallada

El gas de escape de un proceso de reaccion de sintesis de hidrocarburos de Fischer-Tropsch despues de la condensacion y la eliminacion de las fases liquidas acuosa e hidrocarbonada se tratara en la siguiente secuencia:

1. Frotar el gas de escape con un aceite liviano a una temperatura cercana a la atmosferica para eliminar la mayor parte de los hidrocarburos C³y C⁴mas los rastros de hidrocarburos de mayor peso molecular presentes en la fase gaseosa. El aceite ligero se toma de una de las corrientes de producto producidas en la unidad de hidrotratamiento, isomerizacion y separacion de aceite/cera FT. El aceite ligero que contiene los componentes C³y C⁴disueltos se devuelve a las columnas de destilacion en la unidad de mejoramiento FT donde los hidrocarburos C³+C⁴se separan y se eliminan como corrientes de producto.

2. El gas de escape FT retiene una presion bastante alta, ya que tipicamente, la alimentacion del gas de sintesis FT es 40 bar, mientras que el gas de escape esta a unos 36 bar. El gas de escape contiene el exceso neto de CO²producido principalmente en la unidad de generacion de gas de sintesis que debe eliminarse continuamente de la planta mas el CO²que debe reciclarse de nuevo a la unidad de generacion de gas de sintesis para lograr la proporcion requerida de CO a H²en la alimentacion FT. Esta proporcion esta tipicamente en el intervalo de 1.9 a 2.1.

Un tratamiento altamente eficiente del gas de escape FT despues de la eliminacion de C³+C⁴es separar una porcion del gas y eliminar sustancialmente todo el CO²equivalente al exceso neto de CO²que se produce en todo el sistema. El CO²se puede eliminar por absorcion en un sistema de frotacion con solventes fisicos o quimicos, tal como Selexol o amina.

La corriente de CO²separada esta disponible para secuestracion en una estructura geologica o para uso en operaciones mejoradas de recuperacion de petroleo despues de la compresion. La corriente de gas tratada de la unidad de separacion de CO²puede usarse como una parte de la corriente de combustible para la turbina de gas sin ninguna compresion adicional. Si no se requiere CO²puro, la porcion separada del gas de escape FT que contiene el producto neto de CO²de toda la instalacion de FT se puede usar como una parte de la corriente de combustible de turbina de gas y el contenido de CO²se descargara a la atmosfera con el escape de la turbina de gas del calentador a fuego. El volumen restante del gas de escape, que contiene el CO²reciclado mas algunos (CO+H²) y los hidrocarburos C¹+C², luego se comprime a una proporcion de baja presion y se recicla al punto de alimentacion del gas de sintesis. La compresion es adiabatica sin refrigerador posterior, de modo que el calor de la compresion se retiene en la corriente de gas de reciclaje presurizado. El gas de reciclaje se desulfuriza antes de mezclarse con las alimentaciones de gas natural desulfurizado fresco al POX o ATR y al g Hr .

3. El gas de escape del sistema de FT que sigue (C³+C⁴) y los pasos de eliminacion de CO²del producto neto se comprimen a la presion de entrada de generacion de gas de sintesis mas la caida de presion del sistema. Luego se mezcla con la alimentacion neta de gas natural a la seccion de generacion de gas de sintesis para producir dos corrientes de alimentacion separadas, una para el ATR y el otra para el GHR. El GHR produce aproximadamente 27% al 30% del gas de sintesis (CO+H²), mientras que el ATR produce aproximadamente 70% al 73% del gas de sintesis. A pesar de esto, es beneficioso alimentar 40% al 60% de la corriente de reciclaje al GHR y el gas de reciclaje restante al ATR. La desviacion hacia el GHR se debe a la diferencia en las vias de reaccion para la porcion de CO y H²de la alimentacion de gas de reciclaje a estas unidades. En el reactor ATR o POX, H²y CO reaccionan con O²y se oxidan a CO²y H²O en el quemador POX que produce calor que reduce la rata de alimentacion de gas natural requerida en una cantidad equivalente. En el GHR, el CO y el CO²en la corriente de reciclaje inicialmente experimentan una reaccion de metanizacion con el hidrogeno que reduce el requerimiento de alimentacion de gas natural debido a la liberacion de calor de la reaccion y la produccion de CH⁴. El efecto neto es mas favorable en terminos de la mejora de la eficiencia termica en el reformador catalitico de vapor/gas natural GHR en comparacion con el ATR. Un efecto separado es una conversion ligeramente mayor de reciclar CO²a CO por reaccion de cambio con hidrogeno en el GHR en comparacion con el ATR.

4. Una consideracion importante adicional del procedimiento de tratamiento propuesto es la eliminacion de (N²+A) con la porcion del gas de escape FT que contiene el producto neto de CO²que se define en (2). La acumulacion de N²+A en el sistema como se define, es aproximadamente cinco veces el flujo de A y N²fresco en el sistema desde las corrientes de alimentacion de oxigeno y gas natural. Notese que otro punto en el sistema donde se elimina el N²+A es el PSA de hidrogeno que se alimenta con una porcion desplazada y enfriada de la corriente de gas de sintesis del producto que sale de la caldera de calor residual. El gas residual de baja presion de este PSA que contiene (A+N²) se agrega a la corriente de gas combustible que se quema en el calentador a fuego de la turbina de gas.

La FIG. 1 muestra un diagrama del proceso. El balance de calor y material para puntos importantes en FIG1 se muestra en la Tabla 1.

La alimentacion 1 de gas natural fresco y el gas 2 combustible reciclado se precalientan en el intercambiador 3 de calor y se desulfuran por separado en las unidades 6 y 7 de todos los compuestos de azufre organicos e inorganicos. Las corrientes 58 y 60 de salida se calientan en los pases 59 y 61 de intercambiadores de calor. Las corrientes 10 y 11 calentadas se mezclan por separado en la proporcion del 50% del flujo de la corriente 11 de reciclaje al reactor 33ATR, corriente 12 y 50% del flujo de reciclaje al reactor 34 GHR, corriente 62. El flujo de alimentacion total restante al reactor 33 ATR, corriente 13 comprende el flujo 63 de gas natural mezclado con una corriente 15 de vapor superrecalentado y una corriente 17 de oxigeno precalentado. El flujo de alimentacion total al reactor 34 GHR, corriente 14 comprende la corriente 64 de flujo de gas natural mezclada con la corriente 16 de vapor supercalentado y la porcion de la corriente 62 de reciclaje. La corriente 31 de flujo de salida del reactor 33 ATR se combina con el flujo de salida de los tubos de extremo abierto rellenos de catalizador en el reactor 34 GHR y se usa el flujo total combinado en el lado de concha del reactor tubular GHR para proporcionar el calor requerido para la reaccion de reformado de vapor/hidrocarburo. La corriente 32 total del producto de gas de sintesis que sale del lado de concha del reactor 34 GHR pasa a traves de una caldera 72 de calor residual que genera vapor 65 de alta presion y un sistema 35 intercambiador de calor que comprende un conjunto de intercambiadores de calor que proporcionan calor 21 y vapor 73 de baja presion con corriente 74 de entrada condensada. Parte de la corriente 73 de vapor se utiliza para la regeneracion del solvente de amina en la unidad 57de eliminacion de CO². La corriente 36 de gas de sintesis enfriada a una temperatura cercana al ambiente pasa a traves de un separador 38 donde se elimina el agua 37 condensada y la corriente 39 de gas pasa a la primera etapa del catalizador de lecho fijo Fischer-Tropsch en sistemas 40 de reactor de tubo que incluyen intercambio de calor para calentar el gas de sintesis a la temperatura de reaccion requerida y enfriar los productos que salen de los tubos del reactor. La corriente 58 de producto total del sistema 40 de reactor a una temperatura a la que no estan presentes hidrocarburos solidos pasa a traves de un separador 41 que produce una corriente 42 acuosa, una corriente 43 de hidrocarburo y una corriente 44 de producto gaseoso que pasa al sistema 45 de reactor FT de segunda etapa. La corriente de salida del sistema 45 del reactor, corriente 46 se separa en 47 en una corriente 48 acuosa, una corriente 49 de hidrocarburos y una corriente 50 de efluente gaseoso. Las dos corrientes 42 y 48 acuosas se combinan y se envian a un sistema de tratamiento de agua. Las dos corrientes 43 y 49 de hidrocarburos se envian a un sistema 70 de tratamiento que comprende hidrotratamiento y craqueo, isomerizacion y separacion de productos por destilacion. Cada uno de los sistemas 40 y 45 de reactor FT se alimenta en el lado de la concha de los reactores tubulares con corrientes 66 y 68 de condensado precalentado que producen corrientes 67 y 69 de vapor que utilizan el calor exotermico de la reaccion FT de sintesis. La corriente 50 de producto gaseoso final a temperatura cercana a la temperatura ambiente pasa a una torre 51 de frotacion de aceite donde se frota con una fraccion 53 de aceite ligero tomada del sistema de destilacion del producto en la unidad 70 y que no tiene contenido de hidrocarburos C³y C⁴. El contenido de C³y C⁴de la corriente 50 se elimina en gran parte en la corriente 52 de salida de aceite que se devuelve a la unidad de destilacion del producto en la que el C³y C⁴adsorbidos de la corriente 50 se separan y se recuperan como parte de las corrientes 71 de producto. El gas 54 que deja la torre 51 de frotacion se divide en dos corrientes. La primera corriente 26 contiene todo el CO²que se produce como la corriente de producto neto en toda la instalacion. Se trata en el separador 57 de CO², que en este caso es un sistema de amina que utiliza parte del vapor 73 de baja presion para la regeneracion. El separador 57 de CO²se puede luego comprimir en 72 y entregar 83 a una tuberia para su eliminacion. La segunda corriente 55 mucho mas grande que contiene todo el CO²reciclado mas (H2+CO) sin reaccionar mas CH⁴e hidrocarburos C²y (N²+A) inertes se comprime en 56 y se pasa sin ningun tipo de enfriamiento como la corriente 2 al sistema de generacion de gas de sintesis. La corriente 24 de gas tratado que sale del sistema 57 de frotacion de amina de eliminacion de CO2 se mezcla con una corriente 84 de alimentacion de gas natural para formar la corriente 23 de gas combustible total a la turbina 85 de gas. La turbina de gas se acopla directamente y proporciona toda la potencia para el compresor 86 de aire principal que entrega un vapor 29 de aire de alimentacion a la planta 87 de oxigeno criogenico. La turbina de gas tambien se acopla a un generador electrico que proporciona el exceso de energia utilizada principalmente para proporcionar energia electrica para el motor de accionamiento del compresor de refuerzo de aire que es parte de la planta 87 de oxigeno criogenico de oxigeno bombeado. La planta 87 de oxigeno suministra una corriente 17 de oxigeno con una pureza del 99.5% en moles para proporcionar alimentacion al ATR 33 sin necesidad de compresion adicional. Una corriente 30 de nitrogeno residual se descarga a la atmosfera. Una porcion de la corriente 88 de gas de sintesis que sale de la caldera 72 de calor residual a medida que la corriente 75 pasa a traves de un convertidor 76 de desplazamiento catalitico de CO, que convierte la mayor parte del CO por reaccion con el exceso de vapor a H²+CO². La corriente 89 de gas de salida se enfria en el paso 77 del intercambiador de calor que produce la corriente 78 de calor y la corriente 79 ingresa en la unidad 80 de adsorcion de oscilacion de presion multilecho. La corriente de alimentacion se separa en una corriente 81 de H²pura que proporciona el H²requerido para el sistema 70 de mejoramiento de producto junto con una corriente 82 de gas combustible de baja presion. La corriente 82 de gas combustible junto con una corriente 19 de gas natural proporciona las corrientes de combustible a un calentador 89 a fuego que utiliza como un gas oxidante la corriente 90 de escape de turbina de gas caliente. Este calentador proporciona vapor 20 de calor. Las corrientes 20, 21 y 78 de calor juntas proporcionan el calor requerido para el precalentamiento de las corrientes de alimentacion que incluye el vapor de supercalentamiento y el calentamiento del gas natural, el gas de reciclaje y corrientes de oxigeno. El N²+A de red que ingresan al sistema en el gas natural de alimentacion y el concentrado de O²en la planta, y estan contenidos en las corrientes 24 y 82 de gas combustible, de modo que despues de la combustion se descarguen a la atmosfera a traves de la corriente 21 de escape desde el calentador 89 a fuego. La corriente 65 de vapor a alta presion, las corrientes 67 y 69 de vapor a presion media y parte de la corriente 73 de vapor a baja presion se supercalientan y se usan para proporcionar energia en un sistema de turbina de vapor.

Se han descrito varias realizaciones de la invencion. Sin embargo, se entendera que se pueden realizar varias modificaciones sin apartarse del espiritu y alcance de la invencion. Por consiguiente, otras realizaciones estan dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un metodo para separar componentes, que comprende:

enfriar una corriente (36) de gas de sfntesis a temperatura ambiente y pasar dicho gas enfriado a traves de un separador (38) para eliminar el agua condensada; pasar el gas (39) de sfntesis que sale de dicho separador (38) a un sistema (40) de reactor Fischer-Tropsch de primera etapa, obteniendo asf una corriente (58) de producto de dicho sistema (40) de reactor Fischer-Tropsch de primera etapa a una temperatura en la que no hay hidrocarburos solidos presentes; pasar la corriente (58) de producto a traves de un primer separador (41), produciendo asf una primera corriente (42) acuosa, una primera corriente (43) de hidrocarburo y una primera corriente (44) de producto gaseoso que pasa a un sistema (45) de reactor Fischer-Tropsch de segunda etapa;

pasar la corriente (46) de salida del segundo sistema (45) de reactor Fischer-Tropsch a un segundo separador (47) produciendo asf una segunda corriente (48) acuosa, una segunda corriente (49) de hidrocarburos y en una segunda corriente (50) de producto gaseoso a temperatura ambiente;

enviar las corrientes (43, 44) de hidrocarburos primera y segunda a un sistema (70) de tratamiento que comprende hidrotratamiento y craqueo, isomerizacion y separacion de productos por destilacion;

frotar la segunda corriente (50) de producto gaseoso con un aceite (53) ligero, en una torre (51) de frotacion de aceite para eliminar una mezcla de C³y C⁴y para producir una corriente (52) de aceite de salida que comprende el aceite (53) ligero, hidrocarburos C³y C⁴, en los que el aceite (53) ligero se toma de un sistema de destilacion del producto del sistema (70) de tratamiento y no tiene contenido de hidrocarburos C³y C⁴, donde dicho sistema (70) de tratamiento es alimentado por las corrientes (43, 44) de hidrocarburos primera y segunda y una corriente de H²pura (81);

devolver la corriente (52) de aceite de salida a dicho sistema de destilacion del producto de dicho sistema (70) de tratamiento;

separar asf C³y C⁴de la corriente (52) de aceite de salida en dos corrientes (53, 71) separadas utilizando las columnas de destilacion de dicho sistema (70) de destilacion del producto;

dividir el gas (54) que deja la torre (51) de frotacion de aceite en dos corrientes, una primera corriente (26) que se va a tratar en un separador (57) para obtener CO²puro (27) y una segunda corriente (55) mas grande que contiene CO², H², CO, CH⁴, hidrocarburos C²sin reaccionar e inertes, donde dicha segunda corriente (55) se comprime (56) y se pasa al sistema de generacion de gas de sfntesis que proporciona la corriente de gas de sfntesis (36).