[发明专利]使用基于氧转运膜的重整系统生产甲醇的方法和系统

说明书

发明领域

本发明涉及使用基于氧转运膜的重整系统作为合成气来源生产甲醇的方法和系统，且更具体地，涉及用于将基于氧转运膜的重整系统与蒸汽甲烷重整器或其它常规的合成气生产装置及进一步与甲醇合成系统和方法整合的方法和系统。

背景

甲醇生产方法通常包括将包含氢、一氧化碳和二氧化碳的压缩合成气在升高的温度和压力下引入包含一个或更多个甲醇合成催化剂床的甲醇转化器反应器中，所述催化剂例如氧化铜和氧化锌催化剂。合成气中的一氧化碳和二氧化碳与氢在催化剂上反应形成甲醇。所述甲醇合成方法通常在回路中操作，其中一部分压缩合成气每次经过甲醇转化器反应器时转化成甲醇。通过将甲醇产物气流冷却至低于甲醇露点的温度，以使得粗甲醇和水冷凝下来回收甲醇产物，剩余的气体通过甲醇转化器反应器再循环。在甲醇转化器反应器中产生的粗甲醇和水典型地在排出容器或“闪蒸”容器中降低压力。因为大多数粗甲醇包含大范围的杂质，所以必须对所述粗甲醇进行纯化以除去此类杂质，从而生产化学等级质量的甲醇。用于甲醇纯化的优选技术是蒸馏法。

合成气典型地由化学计量比(H2–CO2) / (CO + CO2)表征，其通常称作模数。约2.0的模数定义用于甲醇生产的合成气的合意的化学计量比。甲醇生产中合成气的其它重要的特性包括合成气中一氧化碳与二氧化碳的比例及惰性物质的浓度。高的一氧化碳与二氧化碳的比例典型地增加反应速率和可获得的每一次经过转化，同时减少水的形成，由此降低了催化剂失活速率。合成气中的高浓度的惰性物质，例如甲烷、氩、氮等，典型地降低活性反应物的分压。因为甲醇转化反应是放热反应，所以较低的温度有利于合成气向甲醇转化。压力也将影响甲醇转化反应，压力增加也有利于甲醇形成。

在许多甲醇生产设备中，常将进入压缩合成气与回收的未反应气流混合以形成供应至甲醇转化器反应器中的合成气流。可吹扫一部分未反应的气流以防止惰性物质在甲醇转化器反应器中聚集。吹扫流的量典型地从总的未反应气流的1%至6%间的任意值变化并通常取决于进入合成气中的惰性物质的量：较高水平的惰性物质通常要求较多的吹扫流，较低水平的惰性物质通常要求较少的吹扫流。

许多甲醇生产者面临的挑战是使合成气生产或甲醇工厂的前段与甲醇合成或甲醇工厂的后段的整合最优化。前段合成气生产与甲醇合成或甲醇工厂的后段的整合迄今集中于在合成气生产部分中使用来自甲醇合成部分的吹扫流和使用热回收系统，其有效利用在甲醇工厂的两个部分中生成的过量的热。

也可以回收含有未转化的氢和/或甲烷逃逸(methane slip)的吹扫流并将其再循环返回至甲烷工厂的前段或合成气生产部分。类似地，典型地将在放热的甲醇转化反应中生成的过量的热用于预热至甲醇合成部分的合成气进料、用于生成饱和蒸汽、用于预热重整器进料流和/或用于加热用在合成气生产过程中使用的锅炉给水。吹扫流的一些现有技术用途包括在吹扫流中使用氢和/或甲烷逃逸作为进料或燃料来源，以用于前段蒸汽甲烷重整(SMR)、部分氧化(POx)、自热重整(ATR)过程中。其它现有技术已建议从吹扫流中回收氢并将回收的氢与合成气混合以改善用于甲醇生产的合成气的模数。

如本文使用的，蒸汽甲烷重整(SMR)是将包括甲烷和轻质烃的天然气通过与蒸汽反应来催化转化成含有氢和一氧化碳的合成气。所述反应是吸热反应，这要求显著量的能量输入。在高温下使用催化剂进行蒸汽甲烷重整过程，所述催化剂在燃炉(fired furnace)内的管中。正如为防止催化剂焦化所要求的，使用的蒸汽的量过量于反应化学剂量要求。在蒸汽甲烷重整中不使用氧。

在另一方面，部分氧化是非催化过程，其中允许低于化学计量的量的氧气与天然气在高温下反应产生蒸汽和二氧化碳。残留的甲烷通过与高温蒸汽和二氧化碳反应产生合成气来重整。自热重整是部分氧化过程的变体，但其使用催化剂以允许重整在低于POx过程的温度下发生。