ES2914704T3 - Calentamiento de gas de cola dentro del tanque de compensación de PSA - Google Patents

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Abstract

Un método de mejora de la eficiencia de un sistema de generación de hidrógeno integrado que comprende: producir una corriente de gas de síntesis en un reformador con vapor que tiene una zona de combustión; introducir al menos una parte de la corriente de gas de síntesis a un reactor de conversión de gas de agua; enfriar la corriente de gas de síntesis convertida para producir una corriente de gas de síntesis convertida enfriada; introducir la corriente de gas de síntesis convertida enfriada en una unidad de adsorción por oscilación de presión, produciendo de ese modo una corriente de predominantemente hidrógeno y un gas de cola que comprende predominantemente subproductos; dirigir dicho gas de cola a uno o más tanques de compensación que tienen un dispositivo de intercambio de calor dispuesto en los mismos y calentar indirectamente dicho gas de cola haciéndolo pasar sobre una superficie de dicho dispositivo de intercambio de calor dentro del cual se enfría un fluido caliente, obteniendo de ese modo un gas de cola calentado; y dirigir dicho gas de cola calentado a la zona de combustión del reformador.

Description

DESCRIPCIÓN
Calentamiento de gas de cola dentro del tanque de compensación de PSA
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método de mejora de la eficiencia de un sistema de generación de hidrógeno integrado mediante la introducción de un medio para calentar el gas de cola de PSA dentro del tanque de compensación de PSA.
Antecedentes de la invención
Los procedimientos de reformado de metano con vapor (SMR) se usan ampliamente en la industria para convertir una materia prima (por ejemplo, gas natural) en una corriente de gas de síntesis que contiene principalmente hidrógeno y monóxido de carbono al someterla a una secuencia de reacciones endotérmicas netas. Dado que la reacción de reformado es endotérmica, se suministra calor a los tubos cargados con catalizador ubicados en la sección de combustión del reformador de metano con vapor mediante quemadores. El combustible para los quemadores proviene de fuentes tales como la unidad de adsorción por oscilación de presión (PSA) en forma de gas de purga, también conocido como gas de cola. Un combustible de reposición, tal como gas natural, también se suministra a los quemadores. Las siguientes reacciones se producen dentro de los tubos empaquetados con el catalizador:
CnHm nHO <=> (n 0,5m) H2 + nCO
CO H2O <=> CO2 H2
El producto de gas de síntesis bruto (es decir, gas de síntesis) del reformador, que contiene principalmente hidrógeno, monóxido de carbono y agua, se procesa adicionalmente en operaciones unitarias posteriores, tal como el reactor de conversión y la unidad de PSA. Un ejemplo del funcionamiento del reformador de metano con vapor se describe en Drnevich y col (patente US-7.037.485).
Normalmente, el gas de síntesis, que se produce a partir del reformador a alta temperatura, debe enfriarse hasta casi temperatura ambiente para la purificación en la unidad de PSA posterior, que separa la corriente para dar un producto de hidrógeno casi puro y el gas de cola. Es esta corriente de gas de cola de la PSA la que se recicla a los quemadores del reformador. Los productos de la combustión en el quemador (gas de combustión) también se enfrían para recuperar su calor. Estas necesidades de enfriamiento se logran en parte mediante precalentamiento de las corrientes de proceso y generación de vapor.
La cantidad de calor que va a recuperarse supera la necesaria para hacer funcionar el procedimiento, y no todo el calor restante puede recuperarse eficazmente mediante la generación de vapor. Este calor desaprovechado reduce la eficiencia global de la planta. Una corriente grande que a menudo no se calienta es el gas de cola de PSA debido al alto gasto de inversión y la caída de presión asociada con precalentadores de gas de cola independientes convencionales. Si esta corriente puede calentarse de manera rentable sin una caída de presión adicional, la eficiencia global del procedimiento aumentará debido a una disminución correspondiente en el combustible de reposición requerido.
El calentamiento del gas de cola de PSA se ha descrito en la técnica anterior. Véanse, por ejemplo, las publicaciones de solicitudes de patentes estadounidenses n.os: 2009/0230359 A1, 2005/0178063 A1, 2006/0231463 A1, 2007/0051042 A1, 2009/0232729 A1 y la patente US-4.149.940. Sin embargo, estos intercambiadores de calor de tipo carcasa y tubos o placas independientes son normalmente grandes y caros. Sólo puede tolerarse una presión mínima en la corriente de gas de cola de PSA de baja presión antes de que se vea afectada la recuperación de hidrógeno en la PSA, disminuyendo la eficiencia global de la planta. En la técnica relacionada, tal como, por ejemplo, la patente US-8.187.363 B2 publicada como US2001/0100214 A1 por Grover aborda la posibilidad de calentar la corriente de gas de cola a través del uso de un intercambiador de tipo placas antes de introducir la misma en la zona de combustión del SMR. Un intercambiador de este tipo todavía introducirá una caída de presión no deseada y requiere un gasto de inversión significativo. Por tanto, es deseable calentar la corriente de gas de la cola de PSA con una disminución mínima en su presión, mientras se minimiza la inversión adicional requerida.
Con respecto al tanque de compensación de gas de cola de PSA, la técnica relacionada se ha centrado en un mezclado aumentado dentro del recipiente de tanque de compensación, tal como se muestra en las patentes US-6.607.006 B2 y 6.719.007 B2. El foco del documento US-6.607.006 B2 es la “atenuación de amplitud de las propiedades de variante de tiempo de la corriente de fluido” , que es la introducción de corrientes de variantes de tiempo en un volumen cerrado para controlar la distribución del tiempo de residencia, con las ecuaciones que rigen “ restricciones de uniformidad” tal como se muestra en el documento. El documento 6.719.007 B2 también describe “atenuar la amplitud” , con un enfoque en la zona de mezclado que contiene una entrada y tres o más salidas para tres o más partes de fluido individuales. No se menciona calentamiento dentro del recipiente del tanque de compensación.
Para superar las desventajas de la técnica relacionada, uno de los objetivos de la presente invención es proporcionar un método para aumentar la temperatura del gas de cola de PSA incorporando una superficie de intercambio de calor dentro del tanque de compensación de gas de cola de PSA. Esto permite calentar el gas de cola de PSA sin un intercambiador de calor adicional que introduce una caída de presión adicional entre el tanque de compensación de gas de cola de PSA y la zona de combustión del SMR.
Otro objeto de la invención es aumentar la eficiencia global de la planta de un sistema de generación de hidrógeno a través de un medio novedoso para aumentar la temperatura del gas de cola de PSA. Esta invención añade los medios para calentar el gas de cola de PSA dentro del/de los tanque(s) de compensación de gas de cola de PSA existentes.
Otros objetos y aspectos de la presente descripción resultarán evidentes para una persona con experiencia en la técnica tras la revisión de la memoria descriptiva, los dibujos y las reivindicaciones adjuntas a esto.
Resumen de la invención
Esta invención se refiere a un método de mejora de la eficiencia de un sistema de generación de hidrógeno integrado. En un aspecto de la invención, el método incluye:
producir una corriente de gas de síntesis en un reformador con vapor que tiene una zona de combustión; introducir al menos una parte de la corriente de gas de síntesis a un reactor de conversión de gas de agua; enfriar la corriente de gas de síntesis convertida para producir una corriente de gas de síntesis convertida enfriada; introducir la corriente de gas de síntesis convertida enfriada en una unidad de adsorción por oscilación de presión, produciendo de ese modo una corriente de predominantemente hidrógeno y un gas de cola que comprende predominantemente subproductos;
dirigir dicho gas de cola a uno o más tanques de compensación que tienen un dispositivo de intercambio de calor dispuesto en los mismos y calentar indirectamente dicho gas de cola haciéndolo pasar sobre una superficie de dicho dispositivo de intercambio de calor dentro del cual se enfría un fluido caliente, obteniendo de ese modo un gas de cola calentado; y
dirigir dicho gas de cola calentado a la zona de combustión del reformador.
Breve descripción de los dibujos
Lo anterior y otros aspectos, características y ventajas de la presente invención resultarán más evidentes a partir de los siguientes dibujos, en donde:
La figura 1 es una representación esquemática de un sistema de generación de hidrógeno donde el gas de cola de PSA se dirige a un tanque de compensación con calentamiento indirecto interno antes de recircular el gas de cola a la zona de combustión del SMR.
Descripción detallada de la invención
El método se describirá con referencia a la figura 1, un sistema 100 de generación de hidrógeno en donde se produce gas 55 de síntesis caliente, una mezcla de hidrógeno (H2 ), monóxido de carbono (CO) y componentes no deseados (por ejemplo, agua, metano, etc.), a partir de un reformador 40 con vapor (SMR). Se enfría el gas 55 de síntesis y se dirige preferiblemente a un reactor 80 de conversión de gas de agua para convertir adicionalmente CO y agua para dar H2 y CO2. Se enfría esta corriente 85 de gas de síntesis resultante hasta casi temperatura ambiente (~100 0F) a través de una serie de intercambiadores 110 y 220 de calor. Se eliminará el agua condensada de la corriente en tambores 120 y 125 del deshidratador mecánico para gas y se envía la corriente a una unidad 200 de PSA.
La PSA está formada por varios lechos adsorbentes dependiendo del tamaño de la planta. La separación se logra accionando la adsorción/desorción usando diversos niveles de presión. Se toma el producto de hidrógeno purificado como corriente 150 a una presión de ~1136 a 3549 kPa (150-500 psig), mientras que se tomarán los componentes restantes como corriente 205 de gas de cola a ~ 136 kPa (5 psig). Cuanto menor sea esta presión de descarga de gas de cola, mejor será la recuperación de H2 lograda por la PSA y, por tanto, mejor será la eficiencia global de la planta. La presión de descarga está configurada en gran medida por la presión requerida para suministrar el gas 215 de cola a los quemadores 50 en la zona de combustión del SMR 40, donde se usa como combustible. Para un SMR grande normal, este conducto de combustible de gas de cola podría ser de cientos de pies de largo, incluyendo pasar desde casi ras de suelo hasta ~50 pies de elevación para alcanzar los quemadores. Se usa tubería de gran diámetro para minimizar la caída de presión a través de esta distancia.
Debido a la naturaleza cíclica del procedimiento de PSA, la corriente de gas de cola no se genera a una velocidad de flujo o composición constante. Se envía la corriente 205 de gas de cola a uno o más tanques 210 de compensación, lo que permite que el gas de cola de los diversos lechos de PSA se mezcle bien, manteniendo una composición de gas de cola con una variación en el índice de Wobbe y el flujo, de /- 5 %. El índice Wobbe es una medida típica de la energía de combustión del gas y tiene en cuenta el valor de calentamiento y el peso específico del gas. Dentro del/de los tanque(s) de compensación de la presente invención, está(n) los medios para calentar el gas de cola a través de una superficie 230 de calentamiento, tal como un serpentín o un intercambiador de calor, que aumenta indirectamente la temperatura del gas de cola enfriando un fluido caliente. Las temperaturas resultantes del gas de la cola son normalmente de entre 65,6 0C (150 0F) y 260 0C (500 0F), o más, dependiendo de la fuente y la temperatura del fluido caliente usado. Mediante la integración del precalentamiento de la corriente de gas de cola en el tanque de compensación de PSA y, por tanto, eliminando de ese modo la necesidad de precalentadores de gas de cola independientes posteriores al tanque 210 de compensación, la caída de presión permanece baja.
En una realización preferida, el medio para calentar el gas de cola será a través de intercambio de calor indirecto, más preferiblemente logrado a través de serpentines de intercambio de calor dispuestos dentro del tanque de compensación de PSA. El gas de cola dentro del tanque de compensación fluirá a través del exterior de los serpentines, con un fluido de temperatura más alta que fluye dentro de los serpentines. La fuente del fluido de temperatura más alta se genera preferiblemente dentro del sistema de generación de hidrógeno. Por ejemplo, el fluido puede ser una corriente 225 de vapor saturado de baja presión dirigido desde un generador 220 de vapor de baja presión a una temperatura de entre 121 (250 0F) y 1770C (350 0F). Alternativamente, el fluido de temperatura más alta puede ser una corriente de vapor de alta presión saturado generada a partir de un calderín 240 de vapor a una temperatura de entre 1770C (350 0F) y 260 0C (500 0F). Alternativamente, puede utilizarse vapor de alta presión recalentado dirigido desde un recalentador 250 de vapor a una temperatura de entre 260 0C (500 0F) y 427 0C (800 0F). Alternativamente, puede utilizarse una porción de una corriente de agua calentada como agua desmineralizada o agua 255 de alimentación de calderas. Alternativamente, puede utilizarse una corriente de gas de síntesis que proviene de uno de los intercambiadores 110 de calor. Pueden utilizarse adicionalmente otras corrientes o combinaciones de corrientes obvias para un experto en la técnica.
En una realización alternativa, la fuente del fluido de temperatura más alta puede suministrarse desde una fuente externa al sistema de generación de hidrógeno. Por ejemplo, pueden utilizarse fluidos calientes del refino cercano o instalaciones de fabricación química. Estas corrientes importadas pueden ser, por ejemplo, pero no se limitan a, una corriente de vapor saturado de baja o alta presión, una corriente de vapor recalentado de baja o alta presión, gas del procedimiento o de desecho calentado o agua caliente.
El fluido de temperatura más alta entrará normalmente cerca de la parte superior del tanque de compensación de PSA y fluya hacia abajo, permitiendo que cualquier líquido condensado fluya hacia abajo, asistido por la gravedad. En la realización preferida, se mezcla la corriente 245 de vapor enfriado/condensado con el condensado del procedimiento desde un tambor 120 del deshidratador mecánico para gas y se recirculan y se envían a un desaireador 130. Además de los serpentines 230 de calentamiento, el tanque 210 de compensación también puede contener medios convencionales para aumentar el mezclado interno del gas de cola, tal como deflectores.
Se mezcla la corriente 215 de gas de cola calentada con combustible de reposición (por ejemplo, gas natural 260) y aire 270, antes de quemarse mediante quemadores 50 en la zona de combustión del reformador 40. Se enfrían los productos de combustión (es decir, el gas de combustión) en una sección 60 de convección del SMR a ~ 149 0C (300 0F) y se ventila. El enfriamiento del gas de síntesis y el gas de combustión se logran calentando otras corrientes de proceso dentro del sistema de generación de hidrógeno con intercambiadores de calor, incluyendo calentar la alimentación del reformador, agua desmineralizada, agua de alimentación de la caldera y aire de combustión, agua hirviendo para la generación de vapor, calentar el vapor y la mezcla de alimentación/vapor.
El combustible de reposición requerido para la combustión es menor que el que se requeriría si el gas de cola no se calentara dando como resultado ahorros operativos. Debido a la evitación de cualquier precalentador de gas de cola independiente entre el tanque 210 de compensación y los quemadores 50, la caída de presión en la corriente 215 es menor, lo que significa que la presión de la corriente 205 de gas de cola es menor, aumentando la recuperación de H2 de la PSA 200.
El sistema de generación de hidrógeno puede contener adicionalmente otras opciones conocidas por un experto en la técnica, incluyendo, pero sin limitarse a otros reactores, tales como prerreformadores, y diversos tipos de conversión de gas de agua (alta temperatura, temperatura media y/o baja temperatura). Pueden producirse múltiples presiones de vapor, incluyendo vapor de alta presión para exportación, vapor de proceso para las reacciones de reformado y conversión de gas agua, y vapor de baja presión para su uso dentro de la planta. Podrían enfriarse entradas de fluido de gas 55 de síntesis y tomarse como producto directamente o podría purificarse para generar CO subproducto.
Ejemplo
Este ejemplo ilustra la reducción de la caída de presión para la corriente de gas de cola a través del uso de una instalación de intercambio de calor de tipo serpentín dentro de un tanque de compensación de gas de cola en comparación con un precalentador de gas de cola independiente. Se llevaron a cabo simulaciones totales del procedimiento de la planta de hidrógeno y el dimensionamiento de los intercambiadores de calor, logrando la misma mejora global de la eficiencia de producción para el procedimiento en comparación con un procedimiento sin ningún precalentamiento de gas de cola, tal como se muestra en la tabla 1, a continuación.
Tabla 1
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Para un procedimiento que produce 100 MMSCFD de hidrógeno, se genera gas de síntesis en un horno de SMR alimentado con gas natural, con conversión adicional de CO a hidrógeno logrado en un reactor de conversión de alta temperatura (HTS). Se enfría la corriente de gas de síntesis resultante en una serie de intercambiadores de calor y el agua condensada se elimina en los tambores del deshidratador mecánico para gas. Uno de los intercambiadores de calor que enfría el gas de síntesis produce vapor saturado de 308 kPa (30 psig) a partir del agua de alimentación de la caldera. La corriente de gas de síntesis enfriada entra en una PSA de hidrógeno de 12 lechos a 43,3 0C (110 0F) y se separa para dar un hidrógeno con la pureza del producto de 2170 kPa (300 psig) y un gas de cola de 136 kPa (5 psig). Se pasa el gas de cola de cada uno de los 12 lechos a un tanque de compensación de gas de cola a una velocidad de flujo combinada promedio de 2522 kmol/h (5560 lbmoles/h) donde se mezcla bien y se calienta mediante serpentines de precalentamiento de gas de cola integrados dentro del tanque de compensación de gas de cola. Este precalentador de gas de cola tiene vapor saturado de 308 kPa (30 psig) a una velocidad de flujo de 145 kmol/h (320 lbmoles/h) condensándose en el interior de los serpentines, calentando el gas de cola que fluye en el exterior de los serpentines.
El vapor saturado de 308 kPa (30 psig) con una temperatura de ~ 134 0C (274 0F) fluye hacia abajo a través del serpentín a medida que se condensa. El gas de cola fluye a través de los serpentines a medida que se calienta. Se calienta el gas de cola a una temperatura de ~ 107 0C (224 0F) y se retira del tanque de compensación de gas de cola con un flujo, presión y temperatura casi constantes. Mediante el calentamiento del gas de cola desde 43 °C (110 0F) hasta 1070C (224 0F) se reduce el flujo de combustible de reposición requerido en un 4,6 % y da como resultado una mejora global de la eficiencia del procedimiento de 74,5 kJ/m3 (2 BTTU/SCF) de hidrógeno producido en una base de alimentación, combustible y producción de vapor, en comparación con un procedimiento similar sin precalentamiento de gas de cola.
Ejemplo comparativo
Para un sistema de generación de hidrógeno convencional de 2831700 m3 (100 MMSCFD) usando tecnología convencional de un precalentador de gas de cola independiente ubicado posteriormente al tanque de compensación de gas de cola, se calienta el gas de cola mediante vapor saturado de 308 kPa (30 psig). Para producir el mismo calentamiento de gas de cola desde 43 0C (110 0F) hasta 107 0C (224 0F), la caída de presión añadida de estas 29 ton en el precalentador de gas de cola independiente es normalmente de entre 1,03 - 1,72 kPa (entre 0,15 y 0,25 psi).

Claims (13)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Un método de mejora de la eficiencia de un sistema de generación de hidrógeno integrado que comprende:
    producir una corriente de gas de síntesis en un reformador con vapor que tiene una zona de combustión;
    introducir al menos una parte de la corriente de gas de síntesis a un reactor de conversión de gas de agua;
    enfriar la corriente de gas de síntesis convertida para producir una corriente de gas de síntesis convertida enfriada;
    introducir la corriente de gas de síntesis convertida enfriada en una unidad de adsorción por oscilación de presión, produciendo de ese modo una corriente de predominantemente hidrógeno y un gas de cola que comprende predominantemente subproductos;
    dirigir dicho gas de cola a uno o más tanques de compensación que tienen un dispositivo de intercambio de calor dispuesto en los mismos y calentar indirectamente dicho gas de cola haciéndolo pasar sobre una superficie de dicho dispositivo de intercambio de calor dentro del cual se enfría un fluido caliente, obteniendo de ese modo un gas de cola calentado; y dirigir dicho gas de cola calentado a la zona de combustión del reformador.
  2. 2. El método según la reivindicación 1, en donde la temperatura del gas de cola calentado oscila entre aproximadamente 65,6 y 260 0C (de 150 a 500 0F).
  3. 3. El método según la reivindicación 1, en donde el dispositivo de intercambio de calor es un serpentín o un intercambiador de calor.
  4. 4. El método según la reivindicación 1, en donde el fluido caliente que fluye a través del dispositivo de intercambio de calor dispuesto en el tanque de compensación es una corriente de vapor de baja presión saturado o recalentado de desde 107 hasta 204 °C (de 225 a 400 0F).
  5. 5. El método según la reivindicación 1, en donde el fluido caliente que fluye a través del dispositivo de intercambio de calor dispuesto en el tanque de compensación es una corriente de vapor de alta presión saturado o recalentado de desde 177 hasta 427 °C (de 350 a 800 0F).
  6. 6. El método según la reivindicación 1, en donde el fluido caliente que fluye a través del dispositivo de intercambio de calor dispuesto en el tanque de compensación es agua calentada.
  7. 7. El método según la reivindicación 1, en donde el fluido caliente que fluye a través del dispositivo de intercambio de calor dispuesto en el tanque de equilibrio es gas de síntesis generado en el reformador con vapor.
  8. 8. El método según la reivindicación 1, en donde el fluido caliente que fluye a través del dispositivo de intercambio de calor dispuesto en el tanque de compensación se importa desde el exterior del sistema de generación de hidrógeno.
  9. 9. El método según la reivindicación 1, en donde la corriente de gas de síntesis convertida enfriada se dirige a la unidad de adsorción por oscilación de presión a una presión que oscila entre 1136 y 3549 kPa (de 150 a 500 psig).
  10. 10. El método según la reivindicación 1, en donde el gas de cola calentado dirigido a la zona de combustión del reformador se retira del tanque de compensación a una presión de entre 108 y 446 kPa (entre 1 y 50 psig).
  11. 11. El método según la reivindicación 10, en donde el gas de cola calentado dirigido a la zona de combustión del reformador se retira del tanque de compensación a una presión de entre 115 y 150 kPa (entre 2 y 7 psig).
  12. 12. El método según la reivindicación 1, en donde la presión del gas de cola calentado retirado del tanque de compensación no se reduce adicionalmente haciéndolo fluir a través de un dispositivo de intercambio de calor adicional antes de entrar en la zona de combustión del reformador.
  13. 13. El método según la reivindicación 1, en donde el gas de cola comprende metano, agua y otras impurezas.
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