ES2926723T3 - Procedimiento e instalación para la producción de metanol a partir de gas de síntesis rico en hidrógeno - Google Patents

Procedimiento e instalación para la producción de metanol a partir de gas de síntesis rico en hidrógeno Download PDF

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Abstract

La invención se refiere a un método y una planta para la producción de metanol a partir de un gas de síntesis con déficit de hidrógeno. Una corriente que contiene hidrógeno procedente de una etapa de recuperación de hidrógeno se alimenta a una corriente de gas fresco procedente de una unidad reformadora, corriente que comprende hidrógeno y óxidos de carbono. Se obtiene una corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno con un número estequiométrico SN, definido como SN = [n(H2) - n(CO2)]/[n(CO) + n(CO2)], de 2,0 o mayor. La corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno se combina con una corriente de gas residual y la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno y la corriente de gas residual se pasan a través de un lecho de un catalizador de síntesis de metanol a presión y temperatura elevadas para obtener una corriente de producto que comprende metanol. y la corriente de gas residual, y la corriente de producto se enfría Separar el metanol de la corriente de gas residual. De acuerdo con la invención, parte de la corriente de gas residual se separa como corriente de gas de lavado y parte de la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno se separa y se combina con la corriente de gas de lavado, obteniéndose una corriente de gas de síntesis mixta, y el corriente de gas de síntesis mixta que se alimenta a la etapa de recuperación de hidrógeno para generar la corriente que contiene hidrógeno. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento e instalación para la producción de metanol a partir de gas de síntesis rico en hidrógeno
Campo de la Invención
La invención se refiere a un procedimiento, así como a una instalación para la producción de metanol a partir de una corriente de gas de reposición pobre en hidrógeno, aportando una corriente que contiene hidrógeno a la corriente de gas de reposición pobre en hidrógeno, de modo que se obtiene una corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno con un coeficiente estequiométrico de 2,0 o mayor. La invención también se refiere al uso del procedimiento según la invención o de la instalación según la invención para la producción de metanol a partir de gas de reposición producido por reformado autotérmico y/u oxidación parcial.
Estado de la Técnica
A escala industrial, el metanol se produce a partir de gas de síntesis. El gas de síntesis es una mezcla principalmente de hidrógeno (H2), monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2). Además, presenta pequeñas cantidades de componentes gaseosos que son inertes en las condiciones de síntesis de metanol. El monóxido de carbono, así como el dióxido de carbono se reúnen a menudo bajo la expresión "óxidos de carbón" u "óxidos de carbono". En el proceso conocido hoy como síntesis de metanol a baja presión, el gas de síntesis se convierte en metanol y agua (como subproducto inevitable) a una presión de síntesis de 60 a 120 bares. El gas de síntesis empleado, frecuentemente denominado gas de reposición, se hace pasar en este caso a través de un lecho de catalizador de un catalizador de síntesis de metanol después de la compresión a la presión de síntesis respectiva a temperaturas del catalizador habitualmente superiores a 200 °C. En el caso del catalizador de síntesis de metanol se trata habitualmente de una composición que presenta cobre como especie catalíticamente activa. Dependiendo de cómo se lleve a cabo el procedimiento, se emplean uno o más reactores conectados en serie o en paralelo, cada uno de los cuales tiene un lecho de catalizador correspondiente. En este caso, la reacción de los óxidos de carbono para dar metanol y agua en el catalizador, debido al establecimiento de un equilibrio termodinámico de acuerdo con las reacciones,
CO2 3 H2 ^ CHaOH H2O,
CO 2 H2 ^ CHsOH
no es completa. Por esta razón, el proceso de producción suele ejecutarse como un proceso en circuito en el denominado bucle (loop) de síntesis. Con ello, la mezcla de reacción obtenida a la salida del reactor se enfría por debajo del punto de ebullición del metanol con el fin de separar el metanol y el agua del circuito. Al mismo tiempo, el gas de síntesis que no ha reaccionado se devuelve al catalizador de síntesis de metanol para una reacción renovada. Una corriente parcial del gas de síntesis que no ha reaccionado se retira continuamente como corriente de gas de purga (purge) para evitar un aumento de la concentración de componentes inertes en el bucle de síntesis a lo largo del tiempo.
La composición del gas de reposición o de un gas de síntesis en general se caracteriza por el denominado coeficiente estequiométrico SN como
Figure imgf000002_0001
Una composición de gas de reposición que está equilibrada estequiométricamente para la síntesis de metanol se caracteriza por un coeficiente estequiométrico SN de 2,0.
Valores inferiores a 2,0 indican déficit de hidrógeno, mientras que valores superiores a 2,0 indican exceso de hidrógeno.
Los gases de síntesis con déficit de hidrógeno se obtienen, por ejemplo, de procesos que incluyen una etapa de oxidación parcial o de la producción de gas de síntesis por gasificación del carbón. En tal caso, el hidrógeno se consume casi por completo en la síntesis de metanol, mientras que una parte sustancial de los óxidos de carbono no reacciona. Esto conduce a una composición en el bucle de síntesis que se caracteriza por una alta proporción de óxidos de carbono pero una baja proporción de hidrógeno. Esto tiene como consecuencia, entre otros, que el reactor de síntesis de metanol tiene que diseñarse con un alto volumen de catalizador y que el contenido de subproductos (en particular, alcoholes superiores y cetonas) es más alto de lo deseado.
Para poder utilizar también gas de síntesis pobre en hidrógeno a escala industrial en la producción de metanol, el gas de síntesis se puede ajustar al coeficiente de estequiometría deseado de dos o más, por ejemplo mediante hidrógeno procedente de una instalación de recuperación de hidrógeno. Esto es posible, por ejemplo, recuperando hidrógeno de la corriente de purga.
El documento DE 11 2006 001310 T5 describe una síntesis de metanol a partir de un gas de síntesis que tiene un déficit de hidrógeno. El documento EP 3205622 B1 da a conocer un procedimiento en el que el gas de síntesis que no ha reaccionado, denominado gas residual, se alimenta parcialmente (como gas de barrido) a una etapa de recuperación de hidrógeno. Con ello se obtiene una corriente que contiene hidrógeno, que se aporta a la corriente de gas de reposición. A continuación, la mezcla resultante se comprime a la presión de síntesis y se hace reaccionar para dar metanol.
Sin embargo, las cantidades de hidrógeno a obtener de la corriente parcial del gas de síntesis que no ha reaccionado no son suficientes a menudo para obtener un gas de síntesis con un coeficiente estequiométrico suficientemente alto. Por ejemplo, gases de síntesis con un alto déficit de hidrógeno pueden requerir una proporción tan alta de corriente de purga para la recuperación de hidrógeno que el circuito de síntesis deba funcionar a bajas presiones o que la relación entre la corriente de gas de reciclaje a la corriente de gas de reposición deba ajustarse en un nivel bajo.
Para contrarrestar estas desventajas, también es imaginable ramificar parte del gas de reposición antes de la síntesis de metanol y alimentarlo a una etapa de recuperación de hidrógeno. La desventaja de esta disposición consiste en que una parte del hidrógeno se pierde en la etapa de recuperación de hidrógeno antes de ingresar al ciclo de síntesis. Además, tras el enriquecimiento con este hidrógeno, el gas de síntesis presenta un coeficiente estequiométrico mayor que dos, lo que puede dar lugar a que la corriente de gas de purga no utilizada en este caso tenga una proporción importante de hidrógeno que no ha reaccionado.
El documento US 7.786.180 B2 propone, por lo tanto, alimentar una corriente mixta a base de gas de reposición y gas de purga a la etapa de recuperación de hidrógeno para superar, al menos en parte, las desventajas arriba mencionadas. Una desventaja de esta disposición es, por ejemplo, que la corriente de gas de reposición tiene que ser estrangulada por una válvula reductora de presión para compensar al menos la pérdida de presión generada por la etapa de recuperación de hidrógeno. La presión perdida con ello en la tubería de gas de reposición debe compensarse en la compresión posterior a la presión de síntesis.
Descripción de la invención
Una misión de la presente invención consiste en proporcionar un procedimiento y una instalación para la producción de metanol, que superen, al menos en parte, las desventajas de la técnica anterior. En particular, una misión de la presente invención consiste en proporcionar un procedimiento y una instalación que no requiera un estrangulamiento de la corriente principal de gas de reposición por un dispositivo reductor de la presión.
Mediante las reivindicaciones independientes se aporta cumplir, al menos en parte, al menos una de las misiones anteriores. Las reivindicaciones dependientes proporcionan formas de realización preferidas que contribuyen al cumplimiento, al menos en parte, de al menos una de las misiones. Ejecuciones preferidas de componentes de una categoría de acuerdo con la invención son, si corresponde, también preferidas para componentes del mismo nombre o componentes correspondientes de una categoría de acuerdo con la invención diferente en cada caso.
Las expresiones "que presenta", "que comprende" o "que incluye", etc., no excluyen que puedan estar contenidos otros elementos, sustancias constitutivas, etc. El artículo indeterminado "un" no excluye que pueda estar presente una pluralidad.
Los problemas anteriores se resuelven, al menos en parte, mediante un procedimiento para la producción de metanol, en el que una corriente que contiene hidrógeno de una etapa de recuperación de hidrógeno se aporta a una corriente de gas de reposición de una unidad de reforma, que comprende hidrógeno y óxidos de carbono, obteniéndose una corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno con un coeficiente estequiométrico SN, definido como SN= [n(H2)-n(CO2)] / [n(CO) n(CO2)], de 2,0 o mayor, y en el que la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno se combina con una corriente de gas residual y la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno y la corriente de gas residual se hacen pasar a través de un lecho de un catalizador de la síntesis de metanol a presión elevada y temperatura elevada, obteniéndose una corriente de producto que comprende metanol y la corriente de gas residual, y en el que la corriente de producto se enfría para separar metanol de la corriente de gas residual. De acuerdo con la invención, está previsto que de la corriente de gas residual se separe una parte en forma de corriente de gas de purga y una parte de la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno se separe y se combine con la corriente de gas de purga, obteniéndose una corriente de gas de síntesis mixta, y la corriente de gas de síntesis mixta se aporta a la etapa de recuperación de hidrógeno para generar la corriente que contiene hidrógeno.
De acuerdo con la invención, la corriente de gas de reposición y la corriente de gas de purga derivada de la corriente de gas residual no se aportan a la etapa de recuperación de hidrógeno, sino que la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno, que ya ha sido ajustada con hidrógeno a un coeficiente estequiométrico de 2,0 o mayor, se aporta a la etapa de recuperación de hidrógeno junto con la corriente de gas de purga. De este modo se puede prescindir de un estrangulamiento de la corriente de gas de reposición para desviar parte de la corriente de gas de reposición en dirección a la etapa de recuperación de hidrógeno. Además, las investigaciones han demostrado que se pueden conseguir ahorros en relación con la energía de compresión a utilizar mediante la realización del procedimiento según la invención.
En el caso de la corriente de gas de reposición se trata preferentemente de una corriente de gas de síntesis procedente de una unidad de reforma, que se caracteriza, en particular, por un déficit de hidrógeno, de manera que el coeficiente estequiométrico del gas de reposición es, en particular, menor que 2,0. Una corriente de gas de reposición de este tipo se genera, en particular, en una unidad de reforma, la cual comprende una etapa de oxidación parcial de un gas de alimentación que contiene carbono para generar el gas de síntesis. Por ejemplo, la corriente de gas de reposición puede generarse a partir del reformado autotérmico de un gas de alimentación con contenido en carbono. En el caso del gas de alimentación se trata preferiblemente de gas natural. Además, la corriente de gas de reposición se puede generar a partir de la gasificación de carbón. Antes de aportar la corriente que contiene hidrógeno y comprimirla a la presión de síntesis, la corriente de gas de reposición se enfría a una temperatura de preferiblemente 40 °C o menos para la condensación y eliminación del agua. La corriente de gas de reposición presenta habitualmente una presión entre 35 y 60 bares, por lo que se requiere una compresión adicional a la presión de síntesis antes de la reacción en el catalizador de síntesis de metanol.
Una unidad de reforma puede comprender una unidad para convertir (reformar) una materia prima con contenido en carbono gaseosa o una materia prima con contenido en carbono sólida. Un ejemplo de una materia prima con contenido en carbono gaseosa es el gas natural. Ejemplos de materias primas con contenido en carbono sólidas son el carbón, los desechos sólidos (basura) y la biomasa.
La corriente que contiene hidrógeno presenta preferentemente un contenido de hidrógeno del 95 % en volumen o más. Se pretende una corriente con contenido en hidrógeno que contenga hidrógeno puro o esencialmente puro. Además de la corriente con contenido en hidrógeno, mediante la etapa de recuperación de hidrógeno también se genera una corriente de gas de escape, la cual comprende componentes que son inertes bajo las condiciones de la síntesis de metanol, así como pequeñas cantidades de óxidos de carbono que no han reaccionado.
La reacción de la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno y de la corriente de gas residual para dar metanol (y agua) tiene lugar en el catalizador de la síntesis de metanol. La reacción tiene lugar en un bucle de síntesis, es decir, el gas de síntesis que no ha reaccionado en el catalizador se devuelve (recicla) como corriente de gas residual a la entrada del reactor correspondiente y se hace reaccionar para dar metanol en el catalizador de síntesis de metanol junto con gas de síntesis rico en hidrógeno utilizado por primera vez. La reacción en el catalizador de síntesis de metanol tiene lugar preferentemente a una temperatura del catalizador de 220 °C a 270 °C y preferentemente a una presión de 55 bares a 80 bares. La reacción en el catalizador de síntesis de metanol tiene lugar preferiblemente en una o más etapas del reactor conectadas en serie o en paralelo, comprendiendo cada una de las etapas del reactor un lecho de catalizador correspondiente. En particular, las etapas del reactor comprenden un reactor refrigerado por agua y un reactor refrigerado por gas dispuesto a continuación del reactor refrigerado por agua. Catalizadores adecuados son materiales a base de cobre conocidos del estado de la técnica, con cobre como especie catalíticamente activa, un ejemplo de esto es una composición de catalizador que comprende cobre, óxido de zinc, así como óxido de aluminio.
Una forma de realización preferida del procedimiento según la invención se caracteriza porque la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno se comprime y una parte de la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno comprimida se separa y se combina con la corriente de gas de purga. La corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno se comprime preferentemente a la presión de síntesis. Preferiblemente, la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno se comprime a una presión de 70 bares o más y hasta una presión de 90 bares. Como han demostrado las investigaciones y se explica en detalle más adelante, mediante este tipo de realización del procedimiento se logran ahorros en la energía de compresión requerida. Preferiblemente, en este sentido, la corriente de gas residual se comprime y se combina con la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno comprimida y las corrientes combinadas se hacen pasar a través del lecho del catalizador de síntesis de metanol. La corriente de gas de purga se deriva de la corriente de gas residual, en particular antes de que se comprima la corriente de gas residual. La corriente de gas residual se comprime preferentemente a la presión de síntesis. Preferiblemente, la corriente de gas residual se comprime a una presión de 70 bares o más y hasta una presión de 90 bares.
Una forma de realización preferida del procedimiento según la invención se caracteriza porque la corriente que contiene hidrógeno se comprime mediante un compresor de hidrógeno, y la corriente que contiene hidrógeno comprimida se combina con la corriente de gas de reposición, obteniéndose la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno, y una parte de la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno se separa y se combina con la corriente de gas de purga. Como han demostrado las investigaciones y se explica más adelante, mediante este tipo de realización del procedimiento se logran ahorros en la energía de compresión requerida. La corriente que contiene hidrógeno es comprimida por el compresor de hidrógeno a una presión que está de aproximadamente 1 a 2 bares por encima de la presión del gas de reposición (aprox. 35 a 60 bares). En este contexto, preferiblemente la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno y la corriente de gas residual se comprimen juntas y se hacen pasar a través del lecho del catalizador de síntesis de metanol. Preferiblemente, la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno y la corriente de gas residual se comprimen juntas a la presión de síntesis. En particular, la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno y la corriente de gas residual se comprimen juntas a una presión de 70 bares o más y hasta una presión de 90 bares. La corriente de gas de purga se deriva inevitablemente de la corriente de gas residual antes de la compresión común de la corriente de gas residual y la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno.
Una forma de realización preferida del procedimiento según la invención se caracteriza porque la proporción de corriente másica de la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno en la corriente de gas de síntesis mixta está entre 0,10 y 0,95, preferiblemente entre 0,20 y 0,90, más preferiblemente entre 0,30 y 0,80 y más preferentemente entre 0,50 y 0,75.
La corriente másica se puede representar, por ejemplo, con la unidad “kmol/h” (kilomoles por hora).
Una forma de realización preferida del procedimiento según la invención se caracteriza porque la proporción de la corriente másica de la parte separada de la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno, con relación a la corriente másica total de gas de síntesis rica en hidrógeno está entre 0,001 y 0,999, preferentemente entre 0,005 y 0,800, más preferentemente entre 0,010 y 0,500, más preferentemente entre 0,020 y 0,200 y más preferentemente entre 0,050 y 0,100.
Una forma de realización preferida del procedimiento según la invención se caracteriza porque la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno presenta un coeficiente estequiométrico SN de 2,00 a 2,20, preferiblemente de 2,02 a 2,10 y más preferiblemente de 2,05 a 2,07.
Una forma de realización preferida del procedimiento según la invención se caracteriza porque la corriente de gas de reposición presenta un coeficiente estequiométrico SN menor que 2,0, preferiblemente de 1,70 a 1,95, más preferiblemente de 1,75 a 1,90 y más preferiblemente de 1,78 a 1,85. El gas de síntesis de la reforma autotérmica presenta a menudo un coeficiente estequiométrico en torno a 1,80.
Una forma de realización preferida del procedimiento según la invención se caracteriza porque la etapa de recuperación de hidrógeno comprende un dispositivo de absorción de presión alterna para separar el hidrógeno de la corriente de gas de síntesis mixta. Se puede generar hidrógeno puro o al menos casi puro a altas presiones, por ejemplo de 40 a 60 bar, por medio de un dispositivo de absorción de presión alterna. Si la etapa de recuperación de hidrógeno ya proporciona hidrógeno a alta presión, las etapas de compresor dispuestas a continuación, por ejemplo para comprimir hidrógeno (compresor de hidrógeno) o para comprimir la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno, pueden diseñarse correspondientemente más pequeñas. Además, cuanto mayor sea la pureza del hidrógeno producido en la etapa de recuperación de hidrógeno, más lento será el aumento de la concentración de componentes inertes en el bucle de síntesis.
Alternativamente a un dispositivo de absorción de presión alterna, la etapa de recuperación de hidrógeno también puede incluir una etapa de separación de membrana para separar el hidrógeno de la corriente de gas de síntesis mixta. También son imaginables combinaciones de uno o más dispositivos de absorción de presión alterna y una o más etapas de separación de membrana.
Una forma de realización preferida del procedimiento según la invención se caracteriza porque la corriente que contiene hidrógeno presenta una proporción de hidrógeno de al menos 95 % en vol., preferiblemente de al menos 99 % en vol., más preferiblemente de al menos 99,5 % en vol., más preferiblemente de al menos 99,9% en vol.
Los problemas antes mencionados también se resuelven, al menos en parte, mediante una instalación para la producción de metanol, que presenta los siguientes componentes de la instalación que están en comunicación fluida entre sí: una unidad de reforma para generar una corriente de gas de reposición que presenta hidrógeno y óxidos de carbono; una etapa de recuperación de hidrógeno para generar una corriente que contiene hidrógeno, en donde la unidad de reforma y la etapa de recuperación de hidrógeno están configuradas de tal manera que, a partir de la corriente que contiene hidrógeno y la corriente de gas de reposición se puede obtener una corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno con un coeficiente estequiométrico SN, definido como SN = [n(H2) - n(CÜ2)j / [n(CO) n(CÜ2)j, de 2.0 o mayor; una etapa de reactor que comprende un lecho de catalizador de síntesis de metanol, estando la etapa de reactor configurada de tal manera que la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno, así como una corriente de gas residual pueden pasar a través del lecho de catalizador de síntesis de metanol a presión elevada y temperatura elevada, por lo que se puede obtener una corriente de producto que comprende metanol y la corriente de gas residual; un dispositivo refrigerador para enfriar la corriente de producto, en donde el dispositivo refrigerador está configurado de manera que el metanol pueda separarse de la corriente de gas residual. De acuerdo con la invención, está previsto que la instalación esté configurada de tal manera que de la corriente de gas residual pueda separarse una parte como corriente de gas de purga y de la corriente de gas de síntesis pueda separarse y combinarse con la corriente de gas de purga, por lo que se puede obtener una corriente de gas de síntesis mixta, y la corriente de gas de síntesis mixta de la etapa de recuperación de hidrógeno puede suministrarse para generar la corriente que contiene hidrógeno.
Los problemas antes mencionados también se resuelven, al menos en parte, mediante el uso del procedimiento según la invención o de la instalación según la invención para la producción de metanol a partir de gas de reposición producido por reforma autotérmica y/u oxidación parcial.
Ejemplos de realización
La invención se explica con mayor detalle en lo que sigue mediante dos ejemplos según la invención y un ejemplo comparativo, sin por ello limitar el objeto de la invención. Otras características, ventajas y posibilidades de aplicación de la invención resultan de la siguiente descripción de los ejemplos de realización en relación con los dibujos y los ejemplos numéricos.
Muestran,
la Figura 1,
un diagrama de flujo de bloques esquemático de un procedimiento de producción o una instalación 100 para la síntesis de metanol según un primer ejemplo de realización de la invención,
la Figura 2,
un diagrama de flujo de bloques esquemático de un procedimiento de producción o una instalación 200 para la síntesis de metanol según un segundo ejemplo de realización de la invención,
la Figura 3,
un diagrama de flujo de bloques esquemático de un procedimiento de producción o una instalación 300 para la síntesis de metanol según el estado de la técnica.
En el caso de la realización del procedimiento según la Figura 1, una corriente de gas de reposición 11, por ejemplo generada en una instalación para la reforma autotérmica de gas natural (no mostrada), se combina con una corriente que contiene hidrógeno 12, con lo que se genera una corriente de gas de síntesis 13 rica en hidrógeno con un coeficiente estequiométrico de 2,0 o mayor. La corriente de gas de síntesis 13 rica en hidrógeno se comprime mediante una etapa de compresor 30 a la presión de síntesis. Una parte de la corriente de gas de síntesis 13 rica en hidrógeno se separa como una corriente de gas de síntesis parcial 14 rica en hidrógeno y se combina con una corriente de gas de purga 15, con lo cual resulta una corriente de gas de síntesis 16 mixta. La corriente de gas de síntesis 16 mixta se alimenta a la etapa de recuperación de hidrógeno 31, en la que la corriente que contiene hidrógeno 12 con una proporción de hidrógeno de al menos 99 % en vol. se genera mediante absorción de presión alterna. El gas de escape 17 generado simultáneamente en la etapa de recuperación de hidrógeno 31, que contiene óxidos de carbono y componentes inertes bajo las condiciones de la síntesis de metanol, puede utilizarse, por ejemplo, como gas combustible en la unidad de reforma antepuesta de la síntesis de metanol.
La parte principal 18 de la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno comprimida a la presión de síntesis se combina con una corriente de gas residual 19 comprimida a la presión de síntesis en una etapa de compresor 32. La corriente de gas de síntesis 20 combinada resultante se calienta en un intercambiador de calor 33 y se aporta a un reactor de metanol 34 como corriente de gas de síntesis 21 calentada. En el reactor de metanol 34 tiene lugar la reacción del gas de síntesis de la corriente de gas de síntesis 21 para dar metanol y agua en el catalizador de síntesis de metanol del lecho de catalizador 35. La corriente de producto 22 resultante de la reacción en el reactor 34 que, además de metanol y agua, también comprende gas de síntesis o gas residual que no ha reaccionado, se enfría luego sucesivamente a través de los intercambiadores de calor 36, 33 y 37, resultando en cada caso las corrientes de producto 23, 24 y 25 dispuestas a continuación de los respectivos intercambiadores de calor. A continuación, en un separador 38 tiene lugar la separación de la fase líquida 25 que presenta metanol y agua, así como una fase gaseosa que comprende gas residual. El gas de síntesis o gas residual que no ha reaccionado en el reactor 34 se extrae del separador 38 como corriente de gas residual 26. Al mismo tiempo, una corriente de metanol bruto 27 que presenta metanol y agua se extrae del separador 38 y se aporta a un procesamiento posterior, por ejemplo, una rectificación (no mostrada). La corriente de gas de purga 15 se separa de la corriente de gas residual 26 y una corriente de gas residual 28 restante se comprime a la presión de síntesis en la etapa del compresor 32. La corriente de gas residual 19 comprimida a la presión de síntesis se combina de nuevo con la corriente de gas de síntesis 18 rica en hidrógeno y se aporta de nuevo a la reacción para dar metanol en el reactor de metanol 34.
La Figura 2 muestra un modo de realización del procedimiento modificado con respecto al ejemplo de la Figura 1, según otro ejemplo de la invención. Según la realización del procedimiento conforme a la Figura 2, la corriente con contenido en hidrógeno 12 generada en la etapa de recuperación de hidrógeno 31 se comprime en un compresor de hidrógeno 40, obteniéndose una corriente con contenido en hidrógeno 51 comprimida, que se combina con la corriente de gas de reposición 11. Esto da como resultado una corriente de gas de síntesis 13 rica en hidrógeno, cuya parte principal 18 se aporta a la etapa del compresor 41 para la compresión a la presión de síntesis y parte de la cual se ramifica como una corriente parcial de gas de síntesis 14 rica en hidrógeno y se combina con la corriente de gas de purga 15. La corriente de gas de síntesis 16 mixta resulta de las corrientes 14 y 15. La corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno 18, así como la corriente de gas residual se aportan juntas a una etapa de compresor 41. La etapa de compresor 41 dispone de dos boquillas en el lado de succión, lo cual posibilita la compresión simultánea de la corriente de gas de síntesis 18 rica en hidrógeno y la corriente de gas residual 28, obteniéndose la corriente de gas de síntesis 20 combinada, la cual se calienta en el intercambiador de calor 33 y se aporta al reactor de metanol 34 en forma de corriente de gas de síntesis 21.
Con respecto a los otros elementos representados en la Figura 2, son válidas las declaraciones hechas en relación con la Figura 1.
La Figura 3 muestra un tipo de realización del procedimiento conocido del estado de la técnica. A este respecto, a la etapa de recuperación de hidrógeno 31 se la aporta asimismo una corriente de gas mixto a base de gas de síntesis y gas de purga y se utiliza para la recuperación de hidrógeno. Sin embargo, en el caso de la proporción de gas de síntesis de la corriente de gas mixto se trata de una corriente 60 de gas de reposición parcial que se deriva de la corriente 11 de gas de reposición (principal) con ayuda del elemento de estrangulamiento 70. La corriente 60 de gas de reposición parcial y la corriente de gas de purga 15 se combinan y aportan a la etapa de recuperación de hidrógeno 31 en forma de una corriente de gas de síntesis 61 mixta. A diferencia de los ejemplos según la invención presentados anteriormente, la corriente 61 mixta de gas de síntesis no se genera por consiguiente a partir de gas de síntesis ya enriquecido con hidrógeno y gas de purga, sino a partir de gas de reposición y gas de purga. Sin embargo, como se muestra en los siguientes ejemplos numéricos, este tipo de realización del procedimiento tiene desventajas en comparación con el procedimiento según la invención. Una desventaja resulta del uso inevitable del elemento de estrangulamiento 70 necesario para estrangular la corriente de gas de reposición 11 (principal). La disminución de la presión por el elemento de estrangulamiento 70 debe compensarse mediante la etapa de compresor 30.
Las ventajas de la invención se muestran a continuación mediante dos ejemplos numéricos. Ambos ejemplos representan casos simulados, que se calcularon utilizando el software de simulación "Aspen Plus".
Ejemplo 1
El Ejemplo 1 se basa en la realización del procedimiento según la Figura 1, en comparación con el procedimiento según el estado de la técnica (Figura 3 - Ejemplo Comparativo).
La corriente de gas de síntesis o la corriente de gas de reposición (11) pobres en hidrógeno presenta la siguiente composición según el Ejemplo 1 y el Ejemplo Comparativo:
Figure imgf000007_0001
De ello resulta un coeficiente estequiométrico SN de 1,86 para la corriente de gas de síntesis o la corriente de gas de reposición pobres en hidrógeno.
Argón, nitrógeno y metano representan componentes de gas inertes bajo las condiciones de la síntesis de metanol y se eliminan esencialmente del ciclo de síntesis a través de la corriente de gas de purga (15).
La corriente de gas de síntesis (13, 18) presenta según el Ejemplo 1 y el Ejemplo Comparativo la siguiente composición:
Figure imgf000007_0002
De ello resulta un coeficiente estequiométrico SN de 2,07 para la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno.
La corriente másica del gas de síntesis rico en hidrógeno aportada a la etapa de recuperación de hidrógeno (31) (proporción 14 en la corriente total del gas de síntesis rico en hidrógeno) es de 1451,5 kmol/h. La corriente másica de la corriente de gas de purga (15) asciende a 1306,3 kmol/h. Ambas corrientes juntas forman la corriente de gas de síntesis (16) mixta con una corriente másica de 2757,8 kmol/h. Para el Ejemplo 1, esto da como resultado una proporción de la corriente másica o proporción másica de la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno en la corriente de gas de síntesis mixta de 0,53.
La proporción de la corriente másica o proporción másica de la parte (14) separada de la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno con relación a la corriente de gas de síntesis total del gas de síntesis rico en hidrógeno (13) es, según el ejemplo 1, 0,059. Con respecto al consumo de energía, resulta el siguiente cuadro en comparación con la realización del procedimiento según el Ejemplo Comparativo (Figura 3) con la misma cantidad de producción de metanol bruto (metanol bruto = mezcla de metanol y agua):
Figure imgf000008_0001
En base a los ahorros de energía alcanzados con respecto al rendimiento del compresor requeridos para comprimir el gas de síntesis a la presión de síntesis (etapa 30 del compresor en la Figura 1 y la Figura 3), resulta un ahorro de energía anual de 71867 GJ (71867 GJ/a). Además, la realización del procedimiento según el Ejemplo 1 (Figura 1) ofrece un mayor potencial para generar vapor a alta presión como vapor de exportación.
Ejemplo 2
El Ejemplo 2 se basa en la realización del procedimiento según la Figura 2, en comparación con el procedimiento según el estado de la técnica (Figura 3 - Ejemplo Comparativo).
La corriente de gas de síntesis o la corriente de gas de reposición (11) pobres en hidrógeno presenta la siguiente composición según el Ejemplo 2 y el Ejemplo Comparativo:
Figure imgf000008_0002
De ello resulta un coeficiente estequiométrico SN de 1,80 para la corriente de gas de síntesis o la corriente de gas de reposición pobres en hidrógeno.
La corriente de gas de síntesis (13, 18) presenta según el Ejemplo 2 y el Ejemplo Comparativo la siguiente composición:
Figure imgf000009_0001
De ello resulta un coeficiente estequiométrico SN de 2,05 para la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno. La corriente másica del gas de síntesis rico en hidrógeno aportada a la etapa de recuperación de hidrógeno (31) (proporción 14 en la corriente total del gas de síntesis rico en hidrógeno) es de 2280,0 kmol/h. La corriente másica de la corriente de gas de purga (15) asciende a 976,4 kmol/h. Ambas corrientes juntas forman la corriente de gas de síntesis (16) mixta con una corriente másica de 3256,4 kmol/h. Para el Ejemplo 2, esto da como resultado una proporción de la corriente másica o proporción másica de la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno en la corriente de gas de síntesis mixta de 0,70.
La proporción de la corriente másica o proporción másica de la parte (14) separada de la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno con relación a la corriente de gas de síntesis total del gas de síntesis rico en hidrógeno (13) es, según el ejemplo 2, 0,091.
Con respecto al consumo de energía, resulta el siguiente cuadro en comparación con la realización del procedimiento según el Ejemplo Comparativo (Figura 3) con la misma cantidad de producción de metanol bruto (metanol bruto = mezcla de metanol y agua):
Figure imgf000009_0002
En base a los ahorros de energía alcanzados con respecto al rendimiento del compresor requerido para comprimir el gas de síntesis a la presión de síntesis (etapa 30 del compresor en la Figura 3; proporción de gas de síntesis de la etapa del compresor 41, así como compresor de hidrógeno 40 en la Figura 2), resulta un ahorro de energía anual de 206548 GJ (206548 GJ/a).
Lista de símbolos de referencia
100, 200 Procedimiento, instalación (invención)
300 Procedimiento, instalación (estado de la técnica)
11 Corriente de gas de reposición
12, 51 Corriente con contenido en hidrógeno
13, 18 Corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno
14 Corriente parcial de gas de síntesis rica en hidrógeno
15 Corriente de gas de purga
Corriente de gas de síntesis mixta (invención) Gas de escape
, 26, 28 Corriente de gas residual
Corriente de gas de síntesis combinada
Corriente de gas de síntesis
, 23, 24, 25 Corriente de producto
Corriente de gas residual
Corriente de metanol bruto
, 32, 41 Etapa de compresor
Etapa de recuperación de hidrógeno
, 36, 37 Intercambiador de calor
Separador
Compresor de hidrógeno
Corriente parcial de gas de reposición
Corriente de gas de síntesis mixta (estado de la técnica) Elemento de estrangulamiento

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento (100, 200) para la producción de metanol, en el que una corriente (12, 51) que contiene hidrógeno de una etapa de recuperación de hidrógeno (31) se aporta a una corriente de gas de reposición (11) de una unidad de reforma, que comprende hidrógeno y óxidos de carbono, obteniéndose una corriente de gas de síntesis (13, 18) rica en hidrógeno con un coeficiente estequiométrico SN, definido como SN= [n(H2)-n(CO2)] / [n(CO) n(CO2)], de 2,0 o mayor, y en el que la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno se combina con una corriente de gas residual (19, 28) y la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno y la corriente de gas residual se hacen pasar a través de un lecho de un catalizador de la síntesis de metanol (35) a presión elevada y temperatura elevada, obteniéndose una corriente de producto (22, 23, 24, 25) que comprende metanol y la corriente de gas residual, y en el que la corriente de producto se enfría para separar metanol (27) de la corriente de gas residual,
caracterizado por que
de la corriente de gas residual se separa una parte en forma de corriente de gas de purga (15) y se separa una parte (14) de la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno y se combina con la corriente de gas de purga, obteniéndose una corriente de gas de síntesis (16) mixta, y la corriente de gas de síntesis mixta se aporta a la etapa de recuperación de hidrógeno para generar la corriente que contiene hidrógeno.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno se comprime y una parte de la corriente de gas de síntesis (18) rica en hidrógeno comprimida se separa y se combina con la corriente de gas de purga.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado por que la corriente de gas residual se comprime y se combina con la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno comprimida y las corrientes combinadas se hacen pasar a través del lecho del catalizador de síntesis de metanol.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que la corriente que contiene hidrógeno se comprime mediante un compresor de hidrógeno (40), y la corriente que contiene hidrógeno comprimida se combina con la corriente de gas de reposición, obteniéndose la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno, y una parte de la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno se separa y se combina con la corriente de gas de purga.
5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado por que la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno y la corriente de gas residual se comprimen juntas y se hacen pasar a través del lecho del catalizador de síntesis de metanol.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la proporción de corriente másica de la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno en la corriente de gas de síntesis mixta está entre 0,10 y 0,95, preferiblemente entre 0,20 y 0,90, más preferiblemente entre 0,30 y 0,80 y más preferentemente entre 0,50 y 0,75.
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la proporción de la corriente másica de la parte separada de la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno, con relación a la corriente másica total de gas de síntesis rica en hidrógeno está entre 0,001 y 0,999, preferentemente entre 0,005 y 0,800, más preferentemente entre 0,010 y 0,500, más preferentemente entre 0,020 y 0,200 y más preferentemente entre 0,050 y 0,100.
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno presenta un coeficiente estequiométrico SN de 2,00 a 2,20, preferiblemente de 2,02 a 2,10 y más preferiblemente de 2,05 a 2,07.
9. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que porque la corriente de gas de reposición presenta un coeficiente estequiométrico SN menor que 2,0, preferiblemente de 1,70 a 1,95, más preferiblemente de 1,75 a 1,90 y más preferiblemente de 1,78 a 1,85.
10. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la etapa de recuperación de hidrógeno comprende un dispositivo de absorción de presión alterna para separar el hidrógeno de la corriente de gas de síntesis mixta.
11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que la etapa de recuperación de hidrógeno comprende una etapa de separación de membrana para separar hidrógeno de la corriente de gas de síntesis mixta.
12. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la corriente que contiene hidrógeno presenta una proporción de hidrógeno de al menos 95 % en vol., preferiblemente de al menos 99 % en vol., más preferiblemente de al menos 99,5 % en vol., más preferiblemente de al menos 99,9% en vol.
13. Una instalación (100, 200)'para la producción de metanol, que presenta los siguientes componentes de la instalación que están en comunicación fluida entre sí:
una unidad de reforma para generar una corriente de gas de reposición (11) que presenta hidrógeno y óxidos de carbono;
una etapa de recuperación de hidrógeno (31) para generar una corriente (12, 51) que contiene hidrógeno, en donde la unidad de reforma y la etapa de recuperación de hidrógeno están configuradas de tal manera que, a partir de la corriente que contiene hidrógeno y la corriente de gas de reposición se puede obtener una corriente de gas de síntesis (13) rica en hidrógeno con un coeficiente estequiométrico SN, definido como SN = [n(H2) - n(CO2)] / [n(CO) n(CO2)], de 2.0 o mayor;
una etapa de reactor (34) que comprende un lecho de catalizador de síntesis de metanol (35), estando la etapa de reactor configurada de tal manera que la corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno, así como una corriente de gas residual (19, 26, 28) pueden pasar a través del lecho de catalizador de síntesis de metanol a presión elevada y temperatura elevada, por lo que
se puede obtener una corriente de producto (22, 23, 24, 25) que comprende metanol y la corriente de gas residual; un dispositivo refrigerador (33, 36, 37) para enfriar la corriente de producto, en donde el dispositivo refrigerador está configurado de manera que el metanol (27) pueda separarse de la corriente de gas residual.
caracterizada por que
la instalación está configurada de manera que de la corriente de gas residual se puede separar una parte como corriente de gas de purga y de la corriente de gas de síntesis se puede separar una parte y se puede combinar con la corriente de gas de purga,
con lo que se puede obtener una corriente de gas de síntesis (16) mixta, y la corriente de gas de síntesis mixta se puede aportar a la etapa de recuperación de hidrógeno para generar la corriente que contiene hidrógeno.
14. Uso del procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 12 o de la instalación según la reivindicación 13 para la producción de metanol a partir de gas de reposición producido por reformado autotérmico y/u oxidación parcial.
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