WO2014044387A1 - Anlage und verfahren zur herstellung von ethylen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a plant for the production of ethylene, in particular by oxidative coupling of methane, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a process for the production of ethylene.
  • Such a plant has a reactor in which oxygen and methane are introduced for the oxidative coupling of methane.
  • methyl radicals are formed at high temperatures (about 600-880 ° C.) on a catalytic surface (for example a two-component or multicomponent metal oxide catalyst with alkali metals, alkaline earth elements and / or elements from the group of rare earths) in the reactor, which then recombine in the gas phase to ethane, which is subsequently converted to ethylene, so that as a result a first
  • the plant further includes a fluid-conducting connected to the reactor
  • Processing unit which is designed to separate the first stream into at least one C 1. -Stream comprising hydrocarbons having a carbon atom and further CO and H 2 , and in an ethylene product stream, as well as a separation device connected to the processing unit (eg
  • Pressure swing adsorption device designed to separate the C 2 feed stream into a hydrogen-rich hydrogen product stream and a low-hydrogen residual gas stream which is conventionally fired. Furthermore, for ethylene or olefin production, the steam splitting
  • the present invention is based on the object, a system or a
  • a connected to the workup unit steam cleavage device for generating an olefin- and hydrogen-containing crude gas stream is provided, wherein the work-up unit is adapted to separate the crude gas stream together with the first stream in at least the C 1. -Stream and the ethylene product stream, the plant to is designed to return at least a portion of the residual gas stream as an insert in the OCM reactor.
  • the first stream and the crude gas stream are combined in the workup unit, wherein the individual streams can be pre-cleaned before merging. Is from the aggregated power then preferably the C ⁇ - separated material flow as well as the ethylene product stream.
  • the steam cracking device which may have one or more cracking furnaces for vapor cracking, is preferably designed to use as feed hydrocarbons, such as e.g. Ethane, propane, natural gas condensates and / or heavier feeds, such as e.g.
  • feed hydrocarbons such as e.g. Ethane, propane, natural gas condensates and / or heavier feeds, such as e.g.
  • the workup unit is preferably designed and provided to separate off an ethane-rich and propane-rich material stream from the first material stream produced in the oxidative coupling of methane and the crude gas stream generated during the steam cracking, which is used as an insert in the workup unit
  • the separating unit is preferably also fluid-conducting with the
  • Steam separation device is connected, wherein the system is adapted to feed at least a portion of the residual gas stream in the steam splitter, which is adapted to suppress that part of the residual gas stream to those for the steam splitting of the aforementioned use (eg ethane and / or heavier uses such as naphtha ) provide or contribute to the heat required.
  • the system according to the invention can be designed to provide a
  • oxygen and methane are introduced into a reactor, methane in the reactor oxidatively coupled to form a first stream, produced by steam cracking of a hydrocarbon-containing insert in a steam cracking an olefin- and hydrogen-containing crude gas stream, said first stream together with the raw gas stream in a workup unit into an ethylene product stream and a d. -Stoffstrom
  • Crude gas separated an ethane and high-propane stream, which is used as an insert in the steam fission.
  • At least one partial stream of the residual gas stream is preferably suppressed to generate heat for the said steam splitting. Furthermore, a partial stream of the hydrogen product stream is preferred in the
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a system according to the invention
  • FIG. 1 shows a plant 1 for the production of ethylene, which contains a reactor 2 for the oxidative coupling of methane (so-called OCM reactor)
  • Processing unit 3 a separation unit (for example pressure swing adsorption device) 4 and a steam separation device 5 (steam cracker) with at least one
  • the plant 1 has a steam splitting device 5, into which, as an insert E, e.g. Ethan and / or naphtha and water vapor is fed, said use in the steam splitter 5 to produce a
  • Crude gas stream R is split, the u.a. Olefins, especially ethylene, and
  • said first optionally pre-purified stream S and possibly pre-cleaned crude gas stream R are combined and into a C 3+ stream (hydrocarbons having three or more than three carbon atoms), an ethylene product stream P, a separated ethane and propane-rich stream S "and a d.-stream, wherein the d. Stream is fed to generate a hydrogen product stream W in the separation unit 4.
  • the ethane-rich and propane-rich material stream S "separated off in the work-up device 3 is added as an additional use to the steam cracking device 5.
  • the d.-material stream is separated into a hydrogen product stream W and a hydrogen-poor residual gas stream S '
  • Pressure swing adsorption can be used, in which the C 1- stream of material is added at elevated pressure through at least one adsorber, so that hydrogen passes through the at least one adsorber and forms said hydrogen product stream W, wherein the heavier components, such as CH 4 and CO, to the at least one adsorber are adsorbed and desorbed at a lower pressure, resulting in the hydrogen-poor residual gas flow S 'results (this also contains in particular hydrogen from a partial stream of the hydrogen product stream W, which was used to rinse the at least one adsorber).
  • the residual gas stream S ' is then returned as an insert into the reactor 2. Furthermore, a portion of the residual gas stream S 'for underfiring in the
  • Steam splitter 5 are given to generate or contribute to the heat required for the steam cracking. Furthermore, it is preferable to use CH 4 for under-firing, which can be branched off upstream of the reactor 2.
  • part of the hydrogen product stream W can be used for hydrogenating constituents of the first material stream S or of the crude gas stream R (for example in the processing unit 3).

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Description

Beschreibung
Anlage und Verfahren zur Herstellung von Ethylen
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von Ethylen, insbesondere durch oxidative Kopplung von Methan, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Ethylen.
Eine derartige Anlage weist einen Reaktor auf, in den zur oxidativen Kopplung von Methan Sauerstoff und Methan eingeleitet werden. Bei der Reaktion werden zunächst Methylradikale bei hohen Temperaturen (ca. 600-880°C) an einer katalytischen Oberfläche (z.B. zwei- oder mehrkomponentige Metalloxidkatalysator mit Alkali-, Erdalkalielementen und/oder Elementen aus der Gruppe der seltenen Erden) im Reaktor gebildet, die sodann in der Gasphase zu Ethan rekombinieren, das im weiteren Verlauf zu Ethylen umgewandelt wird, so dass im Ergebnis ein erster
Stoffstrom enthaltend zumindest Ethan und Ethylen vorliegt. Die Anlage weist des Weiteren eine mit dem Reaktor strömungsmittelleitend verbundene
Aufarbeitungseinheit auf, die zum Trennen des ersten Stoffstromes in zumindest einen C1.-Stoffstrom, der Kohlenwasserstoffe mit einem Kohlenstoffatom und ferner CO und H2 aufweist, sowie in einen Ethylen produktstrom ausgebildet ist, sowie eine mit der Aufarbeitungseinheit verbundene Trenneinrichtung (z.B.
Druckwechseladsorptionseinrichtung), die dazu ausgebildet ist, den C^- Stoffstrom in einen wasserstoffreichen Wasserstoffproduktstrom sowie einen wasserstoffarmen Restgasstrom zu trennen, der üblicherweise verfeuert wird. Des Weiteren ist zur Ethylen- bzw. Olefinherstellung dje Dampfspaltung
(Steamcracking) bekannt. Hierbei wird ein kohlenwasserstoffhaltiger Einsatz mit Wasserdampf gemischt, wobei das so gebildete Einsatzgas zur Spaltung üblicherweise durch metallische Rohre eines Spaltofens geführt wird, die zur Deckung des
Wärmebedarfs des endothermen Spaltprozesses von außen mit Brennern beheizt werden. Der so erhaltene olefin- und wasserstoffhaltige Rohgasstrom wird
üblicherweise gereinigt und in die gewünschten Olefine, insbesondere Ethylen, zerlegt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage bzw. ein
Verfahren der eingangs genannten Art weiter zu verbessern.
Dieses Problem wird durch eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach ist eine mit der Aufarbeitungseinheit verbundene Dampfspaltungseinrichtung zur Erzeugung eines olefin- und wasserstoffhaltigen Rohgasstromes vorgesehen, wobei die Aufarbeitungseinheit dazu ausgebildet ist, den Rohgasstrom zusammen mit dem ersten Stoffstrom in zumindest den C1.-Stoffstrom sowie den Ethylenproduktstrom zu trennen, wobei die Anlage dazu ausgebildet ist, zumindest einen Teil des Restgasstromes als Einsatz in den OCM-Reaktor zurückzuführen. Vorzugsweise werden der erste Stoffstrom sowie der Rohgasstrom in der Aufarbeitungseinheit zusammengeführt, wobei die einzelnen Ströme vor dem Zusammenführen vorgereinigt werden können. Aus dem zusammengeführten Strom wird sodann bevorzugt der C-\ - Stoffstrom sowie der Ethylenproduktstrom abgetrennt.
Die erfindungsgemäße Verzahnung eines OCM-Reaktors mit einer
Dampfspaltungseinrichtung (Streamcracker) ist von Vorteil, da der bei der
Dampfspaltung erzeugte und in den OCM-Reaktor zurückgeführte Wasserstoff einerseits im OCM-Reaktor durch Wasserstoffverbrennung Energie bereitstellt und andererseits den Katalysator im Reaktor aktiviert sowie eine Verkokung im Reaktor vermindert .
Die Dampfspaltungseinrichtung, die zur Dampfspaltung einen oder mehrere Spaltöfen aufweisen kann, ist bevorzugt dazu ausgebildet, als Einsatz Kohlenwasserstoffe wie z.B. Ethan, Propan, Erdgaskondensate und/oder schwerere Einsätze, wie z.B.
Naphtha, in Gegenwart von Wasserdampf unter Entstehung des insbesondere
Wasserstoff- und ethylenhaltigen Rohgases zu spalten. Weiterhin ist die Aufarbeitungseinheit vorzugsweise dazu eingerichtet und vorgesehen, aus dem bei der oxidativen Kopplung von Methan erzeugten ersten Stoffstrom sowie dem bei der Dampfspaltung erzeugten Rohgasstrom einen ethan- und propanreichen Stoffstrom abzutrennen, der als Einsatz in die mit der Aufarbeitungseinheit
entsprechend strömungsmittelleitend verbundene Dampfspaltungseinrichtung eingespeist wird. Ferner ist bevorzugt auch die Trenneinheit strömungsmittelleitend mit der
Dampfspaltungseinrichtung verbunden, wobei die Anlage dazu ausgebildet ist, zumindest einen Teil des Restgasstromes in die Dampfspaltungseinrichtung einzuspeisen, die dazu ausgebildet ist, jenen Teil des Restgasstromes zu unterfeuern, um die für die Dampfspaltung des vorgenannten Einsatzes (z.B. Ethan und/oder schwerere Einsätze wie Naphtha) benötigte Wärme bereitzustellen bzw. zu dieser beizutragen. Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Anlage dazu ausgebildet sein, einen
Teilstrom des Wasserstoffproduktstromes in die Aufarbeitungseinheit zurückzuführen und dort insbesondere zum Hydrieren von Kohlenwasserstoffen zu verwenden.
Weiterhin wird das erfindungsgemäße Problem durch ein Verfahren zur Erzeugung von Ethylen mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Danach wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Sauerstoff und Methan in einen Reaktor eingeleitet, Methan im Reaktor unter Entstehung eines ersten Stoffstromes oxidativ gekoppelt, mittels Dampfspaltung eines kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzes in einer Dampfspaltungseinrichtung ein olefin- und wasserstoffhaltiger Rohgasstrom erzeugt, der besagte erste Stoffstrom zusammen mit dem Rohgasstrom in einer Aufarbeitungseinheit in einen Ethylenproduktstrom und einen d. -Stoffstrom
aufgetrennt, der d.-Stoffstrom in einer Trenneineit in einen Wasserstoffproduktstrom und einen wasserstoffarmen Restgasstrom getrennt, und zumindest ein Teilstrom des Restgasstromes als Einsatz in den Reaktor zurückgeführt.
Vorzugsweise wird weiterhin von dem besagten ersten Stoffstrom bzw. dem
Rohgasstrom ein ethan- und propanreicher Stoffstrom abgetrennt, der als Einsatz in die Dampfspaltung gegeben wird.
Bevorzugt wird des Weiteren zumindest ein Teilstrom des Restgasstromes zur Erzeugung von Wärme für die besagte Dampfspaltung unterfeuert. Weiterhin wird bevorzugt ein Teilstrom des Wasserstoffproduktstromes in die
Aufarbeitungseinheit zurückgeführt, um dort z.B. zum Hydrieren von
Kohlenwasserstoffen verwendet zu werden. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgende
Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figur erläutert werden.
Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage bzw.
eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Ethylen.
Figur 1 zeigt eine Anlage 1 zur Herstellung von Ethylen, die einen Reaktor 2 zur oxidativen Kopplung von Methan (sogenannter OCM-Reaktor), eine
Aufarbeitungseinheit 3, eine Trenneinheit (z.B. Druckwechseladsorptionseinrichtung) 4 sowie eine Dampfspaltungseinrichtung 5 (Steamcracker) mit zumindest einem
Spaltofen aufweist.
In den Reaktor 2 wird CH4 und 02 eingespeist, um im Reaktor 2 bei erhöhten
Temperaturen Methan oxidativ an einer Katalysatoroberfläche zu koppeln. Hierbei entsteht ein erster Stoffstrom S, der u.a. Ethylen und Ethan enthält.
Des Weiteren weist die Anlage 1 eine Dampfspaltungseinrichtung 5 auf, in die als Einsatz E z.B. Ethan und/oder Naphtha sowie Wasserdampf eingespeist wird, wobei besagter Einsatz in der Dampfspaltungseinrichtung 5 unter Erzeugung eines
Rohgasstromes R gespalten wird, der u.a. Olefine, insbesondere Ethylen, und
Wasserstoff enthält.
In einer stromab des Reaktors 2 vorgesehen Aufarbeitungseinrichtung 3 wird der besagte erste ggf. vorgereinigte Stoffstrom S sowie der ggf. vorgereinigte Rohgasstrom R zusammengeführt und in einen C3+-Stoffstrom (Kohlenwasserstoffe mit drei oder mehr als drei Kohlenstoffatomen), einen Ethylenproduktstrom P, einen ethan- und propanreichen Stoffstrom S" sowie einen d.-Stoffstrom aufgetrennt, wobei der d.- Stoffstrom zur Erzeugung eines Wasserstoffproduktstromes W in die Trenneinheit 4 eingespeist wird. Der in der Aufarbeitungseinrichtung 3 abgetrennte ethan- und propanreiche Stoffstrom S" wird als zusätzlicher Einsatz in die Dampfspaltungseinrichtung 5 gegeben. In der Trenneinheit 3 wird der d. -Stoffstrom in einen Wasserstoffproduktstrom W und einen wasserstoffarmen Restgasstrom S' getrennt. Hierzu kann z.B. eine
Druckwechseladsorption verwendet werden, bei der der C1--Stoffstrom bei erhöhtem Druck durch zumindest einen Adsorber gegeben wird, so dass Wasserstoff den mindestens einen Adsorber passiert und den besagten Wasserstoffproduktstrom W bildet, wobei die schwereren Komponenten, wie z.B. CH4 und CO, an dem mindestens einen Adsorber adsorbiert werden und bei einem niedrigeren Druck desorbiert werden, woraus der wasserstoffarme Restgasstrom S' resultiert (dieser enthält insbesondere auch Wasserstoff aus einem Teilstrom des Wasserstoffproduktstromes W, der zum Spülen des mindestens einen Adsorbers verwendet wurde).
Der Restgasstrom S' wird sodann als Einsatz in den Reaktor 2 zurückgegeben. Des Weiteren kann ein Teil des Restgasstromes S' zum Unterfeuern in die
Dampfspaltungseinrichtung 5 gegeben werden, um die für die Dampfspaltung benötigte Wärme zu generieren bzw. dazu beizutragen. Des Weiteren wird zum Unterfeuern vorzugsweise CH4 verwendet, das stromauf des Reaktors 2 abgezweigt werden kann.
Schließlich kann ein Teil des Wasserstoffproduktstromes W zum Hydrieren von Bestandteilen des ersten Stoffstromes S bzw. des Rohgasstromes R verwendet werden (z.B. in der Aufarbeitungseinheit 3).
Bezugszeichenliste
1 Anlage
2 OCM-Reaktor
3 Aufarbeitungseinheit
4 Trenneinheit (z.B. Druckwechseladsorptionseinrichtung)
5 Dampfspaltungseinrichtung
E Einsatz für Dampfspaltung
S Erster Stoffstrom
S' Wasserstoffhaltiger Restgasstrom
S" Ethan- und propanreicher Stoffstrom
R Olefin- und wasserstoffhaltiger Rohgasstrom
P Ethylenproduktstrom
W Wasserstoffproduktstrom

Claims

Patentansprüche
Anlage zur Erzeugung von Ethylen, mit:
- einem Reaktor (2), der zur oxidativen Kopplung von Methan eingerichtet und vorgesehen ist,
- einer mit dem Reaktor (2) verbundenen Aufarbeitungseinheit (3), die zum
Trennen eines bei der oxidativen Kopplung von Methan erzeugten ersten Stoffstromes (S) in zumindest einen d.-Stoffstrom sowie einen
Ethylenproduktstrom (P) ausgebildet ist, und
- einer mit der Aufarbeitungseinheit (3) verbundenen Trenneinheit (4), die dazu ausgebildet ist, den d - Stoffstrom zumindest in einen wasserstoffreichen Produktstrom (W) und einen wasserstoffarmen Restgasstrom (S1) zu trennen, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Aufarbeitungseinheit (3) verbundene Dampfspaltungseinrichtung (5) zur Erzeugung eines olefin- und wasserstoffhaltigen Rohgasstromes (R) vorgesehen ist, wobei die Aufarbeitungseinheit (3) dazu ausgebildet ist, den Rohgasstrom (R) zusammen mit dem ersten Stoffstrom (S) in zumindest den d.- Stoffstrom sowie den Ethylenproduktstrom (P) zu trennen, wobei die Anlage (1) dazu ausgebildet ist, zumindest einen Teil des Restgasstromes (S') als Einsatz in den Reaktor (2) zurückzuführen.
Anlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Dampfspaltungseinrichtung (5) dazu ausgebildet ist, als Einsatz (E) einen oder mehrere der folgenden Stoffe in Gegenwart von Wasserdampf unter Entstehung des besagten Rohgasstromes (R) zu spalten: Kohlenwasserstoff, Ethan, Propan, Erdgaskondensate, und/oder Naphtha.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Aufarbeitungseinheit (3) dazu ausgebildet ist, aus dem bei der oxidativen
Kopplung von Methan erzeugten ersten Stoffstrom (S) und/oder dem Rohgasstrom (R) des Weiteren einen ethan- und propanreichen Stoffstrom (S") abzutrennen.
Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Aufarbeitungseinheit (3) derart mit der Dampfspaltungseinrichtung (5) verbunden ist, dass jener ethan- und propanreiche Stoffstrom (S") aus der
Aufarbeitungseinheit (3) als Einsatz in die Dampfspaltungseinrichtung (5) einleitbar ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinheit (4) derart mit der Dampfspaltungseinrichtung (5) verbunden ist, dass zumindest ein Teil des Restgasstromes (S1) in die
Dampfspaltungseinrichtung (5) einleitbar ist, wobei die Dampfspaltungseinrichtung (5) dazu ausgebildet ist, jenen Teil des Restgasstromes (S') zur Bereitstellung von Wärme in der Dampfspaltungseinrichtung (5) zu verfeuern.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinheit (4) durch eine Druckwechseladsorptionseinheit gebildet wird, die dazu ausgebildet ist, den d.- Stoffstrom mittels einer
Druckwechseladsorption in den wasserstoffreichen Produktstrom (W) und den wasserstoffarmen Restgasstrom (S') zu trennen.
Verfahren zur Erzeugung von Ethylen, insbesondere unter Verwendung einer Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
- Sauerstoff und Methan in einen Reaktor (2) eingeleitet werden,
- Methan im Reaktor (2) unter Entstehung eines ersten Stoffstromes (S) oxidativ gekoppelt wird,
- mittels Dampfspaltung eines kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzes (E) in einer Dampfspaltungseinrichtung (5) ein olefin- und wasserstoffhaltiger Rohgasstrom (R) erzeugt wird,
- der besagte erste Stoffstrom (S) zusammen mit dem Rohgasstrom (R) in einer Aufarbeitungseinheit (3) in einen Ethylenproduktstrom (P) und einen d.- Stoffstrom aufgetrennt wird,
- der d. -Stoffstrom in einer Trenneineit (4) in einen Wasserstoffproduktstrom (W) und einen wasserstoffarmen Restgasstrom (S') getrennt wird, und - zumindest ein Teilstrom des Restgasstromes (S') als Einsatz in den Reaktor (2) zurückgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass von dem besagten ersten Stoffstrom (S) und/oder dem Rohgasstrom (R) in der Aufarbeitungseinheit (3) des Weiteren ein ethan- und propanreicher Stoffstrom (S") abgetrennt wird, der als Einsatz in die Dampfspaltungseinrichtung (5) zurückgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstrom des Restgasstromes (S1) zur Erzeugung von Wärme für die
Dampfspaltung in der Dampfspaltungseinrichtung (5) verfeuert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der
.-Stoffstrom in der Trenneinheit (4) mittels einer Druckwechseladsorption in den Wasserstoffproduktstrom (W) und den wasserstoffarmen Restgasstrom (S') getrennt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (E) für die Dampfspaltung durch einen oder mehrere der folgenden Stoffe gebildet wird: Ethan, Propan, Erdgaskondensate, und/oder Naphtha.
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