[发明专利]天然气的转化

说明书

技术领域

存在多种方法以将天然气（NG）转化为液体。这些方法中的大多数是基于催化性费-托（Fischer-Tropsch）反应以将重整的合成气转化为石油液体。存在一些非费-托合成方法，其通过将甲烷裂解和氢化处理（hydro-treating）成为乙烯将NG转化为液体。这些方法具有使用固定床、移动床、流化床或淤浆相反应器（浆液相反应器）的工艺反应器结构。在与反应器单元独立的精炼厂配置中，这些方法也使用分馏单元。本发明涉及能够用于提高反应速率和分馏装置分离效率的改进的反应器设计结构。这导致提高的经济规模，并能够用于更紧凑和更为成本有效的整体工厂设计。

背景技术

用于NG到石油液体的转化的工艺通常被称为“气体至液体”（GTL）工艺。整体转化过程涉及对所使用的技术是针对技术具体的一些个别的处理步骤。这些具体的步骤也取决于所使用的原料和中间反应产物或者所选择的处理路线。

处理步骤一般遵循以下序列：

a.原料供应过程-对于传统的GTL工厂，通过众多生产井从生产天然气田直接提取NG。然而，也可以由压缩天然气（CNG）源或涉及再气化的液化天然气（LNG）储罐提供天然气。

b.原料调整过程-当直接从井口进料时，必须对NG进行水和烃露点控制，以及处理任何存在的酸性气体。对于CNG和LNG原料，在压缩之前已经调整过NG因此不需要进一步调整。

c.重整过程-大量的重整工艺路线是可用的。蒸汽重整、部分氧化重整、和自热重整是转化甲烷（CH₄）（NG通常是85%至99%的甲烷）成为由一氧化碳（CO）和氢气（H₂）组成的合成气的相同基础处理顺序的所有变化方式。取决于所使用的转化方法，合成气可以具有不同的碳-氢比率。在进一步的下游烃链增长反应中，碳-氢比率至关重要。

d.乙烯裂解过程–对于通过乙炔/乙烯路线的NG至液体的转化，没有使用重整过程以形成碳链增长前体或反应物。在这个过程中，甲烷（CH₄）在高温下缺氧条件下裂解为乙炔（C₂H₂），其使用氢将乙炔氢化处理为乙烯（C₂H₄）。乙烯是含有在受控条件下促进碳原子数链增长的反应性的多官能性分子。

e.合成气调整-在需要时，通过除去过量的二氧化碳（CO₂）和氮气（N₂），以任何再循环的气体将合成气调整为纯的合成气。

f.氢气净化过程-含有主要是氢（H₂）的主组成的再循环气体，在它与合成气在反应器内混合作为反应器进料气体之前，必须以至少90vol%浓度的氢清洗。取决于所使用的技术，氢单元通常是膜或变压吸附单元。

g.空气分离过程-此步骤取决于所使用的重整工艺以及在重整技术中是否需要纯氧。因此，在一般的氧气生产装置中，可将适用于GTL处理的空气分离过程用于重整反应物。这通常是变压吸附、膜或低温分离过程所特有的。

h.主反应过程-GTL工艺的核心是将调整后的反应器进料气体（C₁（CO）或C₂）转化为大多在C₄至C₂₀碳原子数范围内的较长链长的烃类产物。最常见的处理路线是通过催化的费-托工艺，其中的碳原子数断链是所使用的工艺温度和压力以及反应器的类型和催化剂（铁与钴）的函数。对于乙烯反应路线，使用在功能上与费-托催化剂类似的碱性烃链增长催化剂或酸性沸石。然而，由于在工艺分子中不存在氧，因此反应机理不同，即来自重整器的进料气体（如一氧化碳，CO）中的氧仅适用于费-托反应。对于乙烯处理，仅存在烃类并且水不作为反应产物形成。因此，这具有一些处理装置的益处。现有技术的反应器设计具有在固定床、移动床、流化床或淤浆相结构中的催化剂。

i.来自主反应器的反应产物包含碳基化合物的混合物，其必须精制到商业产品规格。这包括汽油和柴油基产品，以及液化石油气（LPG）、煤油、航空燃料、轻馏分烯烃和较重的蜡和裂解型原料产物。在精炼厂中，主要根据沸点差和蒸馏切分点（蒸馏截取点，distillation cut points），使用多个分馏塔来分离这些产品。

j.蒸汽和发电过程-虽然所有的轻馏分废气都可以燃烧，但它们通常用作能量源以驱动锅炉系统或发电单元。