專利名稱：蒸汽轉(zhuǎn)化裝置與共生動(dòng)力裝置的聯(lián)合生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及甲烷和輕質(zhì)烴類的蒸汽轉(zhuǎn)化與共生動(dòng)力裝置的聯(lián)合生產(chǎn)方法，導(dǎo)致合成氣，合成氣副產(chǎn)物，動(dòng)力和蒸汽地生成，與非聯(lián)合的生產(chǎn)方法相比具有改善的熱效率及較低的投資和操作費(fèi)用。
如(1)所示，輕質(zhì)烴類的蒸汽轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氫氣和一氧化碳是廣泛應(yīng)用的工業(yè)生產(chǎn)方法。
(1)
pH=206KJ/mol
由于過量蒸汽的存在，如水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)(2)所示，一些一氧化碳和蒸汽同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)。
(2)
在煉油工業(yè)中，蒸汽轉(zhuǎn)化是大多數(shù)生產(chǎn)氫的全套設(shè)備的主要組成部分。來自氫生產(chǎn)裝置的大約90％的氫是通過蒸汽轉(zhuǎn)化直接生產(chǎn)。其余的10％是通過水煤氣轉(zhuǎn)換方法生產(chǎn)，該方法需要在烴水蒸汽轉(zhuǎn)化裝置中產(chǎn)生的CO。在由天然氣生產(chǎn)甲醇的方法(3)中以及在費(fèi)-托法(4)中蒸汽轉(zhuǎn)化也是必要的組成部分。
(3)
(4)
根據(jù)日漸增長(zhǎng)的環(huán)境問題，預(yù)計(jì)對(duì)氫氣和甲醇的需求將增加，從而導(dǎo)致需要更大的蒸汽轉(zhuǎn)化能力。因此，能帶來改善的效率和較低的應(yīng)用費(fèi)用的聯(lián)合方法是及時(shí)并有吸引力的選擇方案。
蒸汽轉(zhuǎn)化一般在多管固定床反應(yīng)器中進(jìn)行，用加熱爐外部加熱反應(yīng)器，例如通過燃燒燃料如甲烷和丙烷，為反應(yīng)供熱。由于蒸汽轉(zhuǎn)化是高度吸熱反應(yīng)，因而燃料的量、所需傳熱面積的大小以及低的熱效率使得多管反應(yīng)器中的蒸汽轉(zhuǎn)化非常昂貴。而且，加熱爐溫度很高以致在管狀反應(yīng)器中需要昂貴的耐熱合金。
另外，一般的多管蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)器在高的蒸汽與碳之比(S/C)為4∶6下操作。對(duì)于在烴原料，通常是甲烷的最佳蒸氣轉(zhuǎn)化需要高的蒸汽與碳之比，而且也需要大量的過量蒸汽來抑制結(jié)焦形成。因此，應(yīng)將蒸汽的生產(chǎn)計(jì)入成本中。一個(gè)消除昂貴的傳熱面積的方法是通過使用兩個(gè)連通的流化床，其中任何一個(gè)可以是上流或下流固定流化床，快速流化床或循環(huán)流化床。在這樣的設(shè)計(jì)中，在一個(gè)流化床中通過可燃?xì)怏w的燃燒直接加熱重整催化劑，然后將熱催化劑傳送到另一具進(jìn)行蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)的流化床中。這樣，在進(jìn)行燃燒的床中獲得的熱量能被直接傳送到烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置部分以為反應(yīng)(1)提供所需顯熱和吸熱反應(yīng)熱。循環(huán)重整催化劑至燃燒段并通過燃燒在轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程中形成的任何結(jié)焦來再生催化劑。由于連續(xù)再生消除了對(duì)連續(xù)結(jié)焦積聚和因此導(dǎo)致的永久性催化劑失活的擔(dān)憂，從而可使用較低的蒸汽與碳的比率以帶來進(jìn)一步的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。
這種設(shè)計(jì)的一個(gè)主要障礙是由于蒸汽轉(zhuǎn)化通常在壓力(150-400psig)條件下進(jìn)行，因而燃燒和催化劑加熱所需的空氣必須壓縮以保持在催化劑循環(huán)回路中的壓力平衡。壓縮所需的能量費(fèi)用很高，并在某種程度上抵消了改善的傳熱相對(duì)于傳統(tǒng)的非接觸傳熱的好處。將外部氣體壓縮送至燃燒器/再生器所消耗的部分能量通過膨脹由燃燒器/再生器排出的熱加壓氣體與固體分離后進(jìn)入汽輪機(jī)以產(chǎn)生動(dòng)力而可能被回收。由于汽輪機(jī)葉片的過度腐蝕，所以一般的汽輪機(jī)不能在夾帶顆粒的高溫(＞1400°F)下操作，這造成了第二個(gè)主要的工藝障礙。只有在可燃?xì)怏w被首先冷卻到可使用工業(yè)用催化劑過濾器的溫度下時(shí)才能選擇過濾熱氣體。通過一些外部的介質(zhì)的冷卻會(huì)引起熱效率進(jìn)一步降低。在這些低溫條件下，幾乎得不到壓縮所需的過剩能量中的凈能量，這導(dǎo)致高投資費(fèi)用以及熱效率的損失。
本發(fā)明的目的是通過蒸汽轉(zhuǎn)化過程與共生動(dòng)力設(shè)備的聯(lián)合來消除上述障礙，蒸汽轉(zhuǎn)化過程由兩個(gè)連通的流體床組成。為達(dá)到該目的，將流化床工藝裝置與聯(lián)合的循環(huán)動(dòng)力裝置聯(lián)合。這種聯(lián)合部分地涉及從來自燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置的壓縮機(jī)的壓縮空氣流中排出部分壓縮空氣。將該“借用的”壓縮空氣與可燃?xì)怏w一起導(dǎo)入我們的烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置反應(yīng)器的燃燒段中。使用“借用的”空氣的小型增壓壓縮機(jī)來補(bǔ)償燃燒器中的壓力降。通過將來自催化劑再生器的熱壓縮尾氣與被傳送到動(dòng)力裝置燃燒器的動(dòng)力裝置壓縮氣流混合，使“借用的”壓縮空氣以及一些過剩熱量隨后回到動(dòng)力裝置中。熱可燃?xì)怏w與剩余的壓縮空氣流的混合充分降低了尾氣的溫度從而允許通過過濾除去催化劑碎屑，同時(shí)無任何熱動(dòng)力學(xué)損失。同時(shí)，增加了到動(dòng)力裝置燃燒器的空氣流的溫度和壓力以利于燃燒。
通過消除蒸汽轉(zhuǎn)化過程的燃燒段對(duì)于大型空氣壓縮機(jī)的需求，有利地增加了所建議的流化床蒸汽轉(zhuǎn)化過程的能量效率，因此，顯著降低了在能量和投資中的壓縮費(fèi)用。由于該聯(lián)合，通過幾個(gè)未曾料到的協(xié)同效應(yīng)得到了上述優(yōu)點(diǎn)。該聯(lián)合不僅消除了對(duì)大型壓縮機(jī)和氣輪機(jī)的需求，而且允許以熱有效的方式利用熱燃燒氣體的能量，這是因?yàn)榕c非聯(lián)合的燃?xì)廨啓C(jī)相比，通過熱燃燒氣體與過剩的冷空氣的混合可以濾掉顆粒而沒有熱動(dòng)力效率的損失。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于催化劑連續(xù)再生降低了維持很低的單通路結(jié)焦形成的需要，使烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置的過量蒸汽的減少。
還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過從流化床再生器引入熱壓縮氣體，可以降低聯(lián)用的循環(huán)動(dòng)力裝置的壓縮和燃燒費(fèi)用。
附圖


圖1是聯(lián)合的工藝裝置的圖解流程圖。
詳細(xì)說明
在本發(fā)明中，蒸汽轉(zhuǎn)化裝置和共生燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置聯(lián)合。蒸汽轉(zhuǎn)化裝置由兩個(gè)連通的流化床組成，這樣在T1溫度下，轉(zhuǎn)化催化劑連續(xù)排出第一個(gè)流化床，烴水蒸氣轉(zhuǎn)化的反應(yīng)器，并且在與烴水蒸汽轉(zhuǎn)化器氣體產(chǎn)物分離后，于T2溫度下進(jìn)入另一個(gè)流化床燃燒器/再生器且T2＞T1。
本發(fā)明預(yù)計(jì)使用的流化床工藝類型包括快速流化床、固定流化床和循環(huán)流化床。所有這些工藝類型以上流或下流方式運(yùn)用。固定流化床是其中氣體速度大于最小流態(tài)化所需的速度但小于完成氣動(dòng)輸送所需要的速度的流化床。盡管床表面可能是高度不規(guī)則的，但是床表面是被很好限定。固定流化床的例子包括沸騰和湍動(dòng)流化床。循環(huán)流化床是流化床工藝，由此催化劑被連續(xù)從床中移出(或者是上流取向或者是下流取向)，然后再次導(dǎo)入床中以補(bǔ)充固體的供應(yīng)。在高速度(＞50ft/sec)下，反應(yīng)器中的固體密度是低的，即低于2lb/ft3，并且當(dāng)用上流方式時(shí)，這種類型的流化床稱為提升反應(yīng)器。在較低的速度下，同時(shí)氣流還夾帶有催化劑，在反應(yīng)器中形成相對(duì)緊密的床層。這種類型的床常被稱為快速流化床。這些類型的反應(yīng)器之間沒有明確的界線，并且為了本發(fā)明的目的，以這樣的方式處理催化劑顆粒足以使它們能容易地在燃燒/再生段和反應(yīng)段之間流動(dòng)。
在本發(fā)明中，在T2溫度下，從燃燒器/再生器排出的催化劑再次進(jìn)入蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中，在此，在燃燒器/再生器中積聚的熱量被用來向高度吸熱的轉(zhuǎn)化反應(yīng)加注能量。由于轉(zhuǎn)化反應(yīng)一般在高壓下操作，所以燃燒器/再生器需要一定壓力下的燃燒空氣供應(yīng)，該壓力等于烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置操作壓力加上為克服連通的床回路中的任何壓力降所必需的任何量的附加壓力。通過與共生燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置的聯(lián)合提供燃燒器/再生器的壓縮空氣。
在共生動(dòng)力裝置中，通過在中等壓力下(例如，200-400psig)燃燒可燃?xì)怏w形成熱的加壓氣體來產(chǎn)生動(dòng)力，該熱的加壓氣體然后膨脹并冷卻以分別形成動(dòng)力和蒸汽。在動(dòng)力裝置的燃燒器中的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過燃料燃燒所需的化學(xué)計(jì)量的空氣量(150-200％)最初被壓縮到預(yù)定的燃?xì)廨啓C(jī)入口加壓器中(例如，200-400psig)。在動(dòng)力裝置的燃燒器中需要這些大量過量的空氣充當(dāng)受熱器以緩減燃燒溫升并將燃燒器溫度維持在由輔助裝備設(shè)定的約束范圍內(nèi)。因?yàn)閴嚎s空氣過量存在，所以在燃燒器/再生器中借用由共生動(dòng)力裝置燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)排出的部分壓縮空氣。先前用于控制動(dòng)力裝置的燃燒器溫度的稀釋空氣被來自燃燒器/再生器的送回到聯(lián)用的循環(huán)動(dòng)力裝置的熱的加壓尾氣所代替，并與作為動(dòng)力裝置燃燒器氣流的殘余空氣流混合。這樣的聯(lián)合降低了與流化床蒸汽轉(zhuǎn)化工藝有關(guān)的操作和投資費(fèi)用。
在燃燒器/再生器的熱尾氣中夾帶的固體顆粒會(huì)損壞動(dòng)力設(shè)備燃?xì)廨啓C(jī)葉片從而引起腐蝕。因此，過濾燃燒器/再生器熱尾氣以除去夾帶的顆粒。為此目的的市場(chǎng)上可以買到的過濾器的溫度容限被限制在如大約1450°F，而燃燒器/再生器排出的熱尾氣的溫度一般遠(yuǎn)高于該容限。通過與較冷的動(dòng)力裝置燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)空氣流的殘余氣流混合能將熱尾氣充分冷卻。使熱可燃?xì)怏w和較冷的壓縮的動(dòng)力裝置空氣流的混合氣體平衡至可接受的溫度，這樣混合氣流能通過過濾器，然后送至動(dòng)力裝置的燃燒器。
比起傳統(tǒng)使用的多管反應(yīng)器，使用聯(lián)合的流化床蒸汽轉(zhuǎn)化裝置具有更多的優(yōu)點(diǎn)。普通的蒸汽轉(zhuǎn)化需要大量的過量蒸汽，大量過量蒸汽是在固定床蒸汽轉(zhuǎn)化操作中抑制結(jié)焦形成來延長(zhǎng)循環(huán)壽命所需要的。在流化床中，因?yàn)樵谠偕髦写呋瘎┻B續(xù)再生，從而維持低的單程結(jié)焦形成的需要降低了。
本發(fā)明預(yù)計(jì)使用的蒸汽轉(zhuǎn)化方法所需壓力高于約100psi。優(yōu)選壓力范圍是約100psi-約1000psi；更優(yōu)選約150psi-約600psi；最優(yōu)選約150psi-約450psi。蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)器優(yōu)選溫度范圍是約1350°F-約2000°F，最優(yōu)選約1500°F至約1650°F。蒸汽轉(zhuǎn)化一般需要約1600°F至約1650°F的溫度。
正如本技術(shù)領(lǐng)域已知的，蒸汽轉(zhuǎn)化方法一般使用氧化鋁載體上的鎳催化劑。供在流化床中使用，固體催化劑顆粒大小一般在2-150微米范圍內(nèi)，優(yōu)選大多數(shù)顆粒在約40-120微米，更優(yōu)選約90微米。催化劑優(yōu)選耐磨的。蒸汽轉(zhuǎn)化進(jìn)料包括水蒸氣以及烴，一般是輕質(zhì)鏈烷烴，優(yōu)選甲烷(天然氣)或乙烷，盡管也可以使用其它烴類，包括液體石油氣體(LPG)，石腦油，一般為直餾石腦油或可以是例如輕石腦油，全程石腦油或甚至是重石腦油的裂化石腦油，煉油廠尾氣或伴生天然氣。如下所述，二氧化碳可用為輔助進(jìn)料加入到烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置中。產(chǎn)品流由氫氣，一氧化碳和二氧化碳，及未反應(yīng)的蒸汽和烴組成。
在圖1中舉例說明動(dòng)力裝置和蒸汽轉(zhuǎn)化工藝裝置的聯(lián)合。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1中的流程圖，A部分表示蒸汽轉(zhuǎn)化工藝裝置。通過管線1將用于蒸汽轉(zhuǎn)化的含有按一定的蒸汽/碳(S/C)比率的蒸汽和甲烷，在該實(shí)例中是4∶1，也可以是約2∶1-6∶1，例如，28.25MMSCFD(百萬標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/天)的甲烷和113MMSCFD的水蒸汽的加壓氣體原料流引入烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置反應(yīng)器2中，在本實(shí)例中反應(yīng)器2是固定流化床。進(jìn)料入口溫度為大約500°F。烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置的反應(yīng)器2含有流態(tài)化的固體顆粒催化劑床(未顯示)，催化劑床在足以進(jìn)行蒸汽轉(zhuǎn)化的溫度本實(shí)例中為1650°F下。該溫度范圍可以在約1350°F-2000°F，優(yōu)選高于1600°F。在約300psig壓力下將加壓原料流引入烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置中。轉(zhuǎn)化床可以在約150-450psig壓力條件下操作。當(dāng)93％CH4轉(zhuǎn)化時(shí)，在烴水蒸汽轉(zhuǎn)化裝置反應(yīng)器中的蒸汽轉(zhuǎn)化需要68.1MW(兆瓦)的能量以產(chǎn)生100MMSCFD H2。
正如工業(yè)上已實(shí)用的作為降低H2O/CO2比率的技術(shù)方法，除水蒸汽外，二氧化碳可作輔助進(jìn)料加入到烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置中。對(duì)于能加入到一般的蒸汽轉(zhuǎn)化裝置的CO2量的限制是碳的形成，與蒸汽相比，由于CO2輔助進(jìn)料引起的的碳的形成是更加普遍的。對(duì)于變化的水蒸汽，CO2和甲烷的比率，已計(jì)算了熱學(xué)的碳極限值(“Syngas for Cl-Chemistry.Limits ofthe Steam Reforming Process”,Jens Rostrup-Nielson,Methane Conversion,Bibby,D.M.Chang,C.D.Howe,R.F.andYurchak,S.(Editors)Elsevier Science Publishers,PP.73-78and“Aspects ofCO2-Reforming of Methane”,J.R.Rostrup Nielson,Natural Gas Conversion Ⅱ,Curry-Hyde,H.E.and Howe,R.F.(Editors)Elsevier Science,pps25-41.).碳的形成實(shí)際限制了能在傳統(tǒng)的蒸汽轉(zhuǎn)化裝置中形成的用來避免壓力降和管道堵塞的CO2的量。在本設(shè)計(jì)中不存在這種限制，因?yàn)榇呋瘎牧骰矡N水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置連續(xù)排出并在再生器中燃燒除碳。
通過管線3在溫度約1650°F或在約1350°F-2000°F和壓力約300psig或約100-1000psig的條件下，將含有H2，如約89.27MMSCFD；CO，如約14.41；CO2，如約11.02；H2O，如約76.28和CH4，如約1.98(此處單位是MMSCFD)的氣態(tài)產(chǎn)品流出物從轉(zhuǎn)化反應(yīng)器排出。
將來自烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置反應(yīng)器2的用過的催化劑經(jīng)導(dǎo)管4送入燃燒器/再生器5再加熱。催化劑的燃燒器/再生器一般高于烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置的溫度下操作，同時(shí)溫差通過在再生器中燃燒輕質(zhì)烴類，例如可燃?xì)怏w和在蒸汽轉(zhuǎn)化步驟中沉積在催化劑上的結(jié)焦來提供。在本實(shí)例中，選用甲烷為燃燒器/再生器燃料。在本實(shí)例中燃燒器/再生器對(duì)烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置的溫差為150°F，但可優(yōu)選約20°F-約1000°F；更優(yōu)選約50°F-約400°F；最優(yōu)選約150°F-約200°F。溫度與設(shè)備的限制有關(guān)。對(duì)于轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中的給定熱需求，根據(jù)下式，可見溫度和循環(huán)速率是相關(guān)的
Q=傳送到轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中的熱量(Btu/min)
=固體流速(Btu/min)
Cp=熱容(Btu/lbm-F°)
ΔT=溫差(°F)
在燃燒器/再生器5中，在本實(shí)例中包含與空氣混合的燃料的燃料流含有9.04甲烷和20％化學(xué)計(jì)量的過量空氣，并在約300psig或約100-1000psig壓力下和在溫度為260°F或約200°F-900°F的條件下通過管線7和16導(dǎo)入燃燒器/再生器，并在燃燒器/再生器中燃燒燃料和結(jié)焦產(chǎn)生熱量。在燃燒器/再生器中將催化劑加熱至溫度約1800°F或約1500°F-2200°F。由烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置的反應(yīng)器和燃燒器/再生器間的壓力差推動(dòng)使再生催化劑通過導(dǎo)管6從燃燒器/再生器5排出并送回轉(zhuǎn)化反應(yīng)器2中。P燃燒器＞P轉(zhuǎn)化反應(yīng)器；PP～3-100psi。
將通過管線3從烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置反應(yīng)器2排出的氣態(tài)產(chǎn)物流出物任選傳至其它下游設(shè)備如轉(zhuǎn)換反應(yīng)器42，蒸汽發(fā)生器44和廢料鍋爐45，隨后通過變壓吸收器(PSA)47的通道來分離氫氣產(chǎn)物。下文進(jìn)一步討論其它的下游設(shè)備。
在圖1中的C部分，蒸汽轉(zhuǎn)化過程與共生燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置聯(lián)合。圖1中的B部分表示共生動(dòng)力裝置。
再次參照?qǐng)D1，在B部分的動(dòng)力裝置中，通過管線10將空氣(約251.4MMSCFD、75°F和10psig)傳送至燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)11中，在本實(shí)例中壓縮機(jī)11使用能量為24.8MW。在本實(shí)例中通過管線12，在壓力約為150psig和溫度約為252°F下，將壓縮空氣流，52.83O2和198.60N2從主壓縮機(jī)排出。如圖1C部分所示，在連接點(diǎn)13處將管線12中的部分壓縮空氣流轉(zhuǎn)移到管線14中，以“借用”空氣和壓力來聯(lián)合到蒸汽轉(zhuǎn)化工藝裝置中。排出的部分空氣可具有約50-1000psig，優(yōu)選150-400psig的壓力和約300°F-900°F，優(yōu)選約400°F-700°F的溫度。將管線14中的轉(zhuǎn)移的壓縮空氣傳送到增壓壓縮機(jī)15中，壓縮機(jī)15使用的能量為例如約4.2MW，這樣，在通過管線16從增壓壓縮機(jī)排出前，轉(zhuǎn)移的壓縮空氣的壓力上升至約300psig和溫度約307°F。將管線16中的空氣(25.99O2和97.75N2)導(dǎo)入用于催化劑燃燒器/再生器5的氣態(tài)燃料流7中。這樣，從動(dòng)力裝置中獲得了用于蒸汽轉(zhuǎn)化工藝裝置的空氣和壓力。因此，對(duì)于蒸汽轉(zhuǎn)化工藝裝置不需單獨(dú)的主壓縮機(jī)，只使用小型增壓壓縮機(jī)。
同時(shí)，在連接點(diǎn)13后管線12中的殘余壓縮空氣(約26.84O2和100.85N2)通過管線17輸送到交叉點(diǎn)18，在此處，管線19中的熱可燃?xì)怏w與線路17中的壓縮空氣流混合形成混合的，重新組成的氣流20，熱可燃?xì)怏w溫度為約1800°F或約1500°F-2200°F，優(yōu)選約1650°F-1850°F，壓力為300psig或約150450psig，本實(shí)例中熱可燃?xì)怏w含有36.44CO2,21.75H2O,2.54O2,97.46N2，并含有來自燃燒器/再生器5的催化劑小顆粒。來自燃燒器/再生器5的管線19中的熱可燃?xì)怏w含有由于流化床催化劑磨耗產(chǎn)生的細(xì)粒。磨耗一般由流化床中粒子的機(jī)械磨損和粉碎產(chǎn)生。在該情況下，混合前，管線17中的壓縮空氣溫度為約252°F和壓力150psig。在交叉點(diǎn)18處進(jìn)行的混合將所得混合的，重新組合的氣流的溫度調(diào)節(jié)至約1200°F或約700°F-1600°F，優(yōu)選約1000°F-1400°F。這樣，來自燃燒器/再生器的熱可燃?xì)饬髋c動(dòng)力裝置壓縮空氣的混合氣具有足夠低的溫度以允許通過通常使用的過濾器除去催化劑細(xì)粒。通常使用的過濾器溫度一般限制在低于1400°F。在沒有17和19的額外加熱和冷卻條件下，設(shè)定最大混合溫度限定了動(dòng)力裝置(如產(chǎn)生的動(dòng)力)和蒸汽轉(zhuǎn)化裝置(如產(chǎn)生的氫氣)的相對(duì)規(guī)模。
在交叉點(diǎn)18處的氣流混合之后，混合氣流通過管線20傳送通過過濾器21。混合氣流從過濾器排出，同時(shí)除去了催化劑細(xì)粒，并且壓力約為150psig、溫度為約1190°F的混合氣流經(jīng)過管線22輸送至動(dòng)力裝置的燃燒器23。在混合氣進(jìn)入燃燒器前，用于燃燒的燃料，如約6.5MMSCFD甲烷，在約250°F和150psig下經(jīng)管線22a導(dǎo)入管線22與混合的氣流混合。在管線22b中溫度為約1168°F、壓力為約150psig，并含有例如6.5CH4,36.44CO2,32.21O2,198.60N2,21.75H2O并優(yōu)選含有如150-200％過量空氣的混合的燃燒燃料和氣流在溫度為約2000°F或約1700°F-2800°F，優(yōu)選約2000°F-約2300°F時(shí)在燃燒器23中燃燒，產(chǎn)生含有如在2000°F和150psig下的42.66CO2,19.21O2,198.60N2和34.47H2O的燃燒燃料氣體，并經(jīng)管線24將其由燃燒器傳送到汽輪機(jī)25。燃?xì)廨啓C(jī)的入口溫度是約1700°F-2800°F，優(yōu)選約2000°F-2400°F。減壓驅(qū)動(dòng)了汽輪機(jī)的葉輪。壓縮能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能(Velocity energy)并用來產(chǎn)生動(dòng)力，在該情況下例如約76.6MW的動(dòng)力，并經(jīng)管線26排出。部分動(dòng)力經(jīng)管線27轉(zhuǎn)移而驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)11。在27a中的管線27中動(dòng)力的剩余量可用于別處，如補(bǔ)充至煉油廠。
這樣，在1350°F和10psig下經(jīng)管線28從汽輪機(jī)25中排出的含有42.66CO2,19.21O2,198.60N2和34.47H2O的熱氣體用于在蒸汽發(fā)生器29中產(chǎn)生71.3MW。蒸汽發(fā)生器29排出的氣體(如在約500°F和10psig下的42.66CO2,19.21O2,198.60N2和34.47H2O)經(jīng)管線30輸送到廢料鍋爐31。將管線32中的從廢料鍋爐中排出的氣體傳送到分離罐中并分離得到如，在管線35中的34.47水和在管線34中可傳送到煙道中的42.66CO2、19.21O2和198.60N2。
在任選的實(shí)施方案中，在A部分的蒸汽轉(zhuǎn)化工藝裝置中，在經(jīng)管線3將氣態(tài)產(chǎn)品流出物從蒸汽轉(zhuǎn)化裝置反應(yīng)器中排出后，將流出物任選循環(huán)至轉(zhuǎn)換反應(yīng)器42。將水導(dǎo)入管線3以產(chǎn)生蒸汽從而將流出物冷卻到過濾可接受的程度。對(duì)于高溫氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)，將流出物冷卻至約700°F。通過經(jīng)過蒸汽發(fā)生器41，烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置流出物也能被冷卻，產(chǎn)生約53.5MW的蒸汽能，并且使在管線41a中的流出物溫度降低至約700°F。如果不用最初的預(yù)過濾器冷卻設(shè)備，則蒸汽發(fā)生器41和過濾器40的位置可以交換。
在轉(zhuǎn)換反應(yīng)器42中，高溫氣體轉(zhuǎn)換在約700°F的入口溫度和約300psig條件下絕熱地進(jìn)行。正如平衡約束所限定的，在轉(zhuǎn)換反應(yīng)器中約轉(zhuǎn)化75％的一氧化碳，這樣在約812°F和300psig時(shí)，轉(zhuǎn)換反應(yīng)器流出物43含有例如，約100.01MMSCFDH2,1.98甲烷，22.04CO2,3.67CO和65.54水。管線43中的轉(zhuǎn)換反應(yīng)器流出物用于在蒸汽發(fā)生器44中產(chǎn)生約16.7MW蒸汽，借此冷卻管線44a中的轉(zhuǎn)換反應(yīng)器流出物至約500°F。在廢料鍋爐45中進(jìn)一步冷卻管線44a中的流出物至100°F，并在回轉(zhuǎn)式吸收器(PSA)47中的壓力處理之前，在分離罐46中除去水以提純氫氣。通過管線48收集氫氣產(chǎn)物。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，消除了轉(zhuǎn)換反應(yīng)器并且將來自PSA裝置的含有如1.98甲烷的CO、CO2和甲烷付產(chǎn)物直接送至催化劑燃燒器/再生器用作附加燃料(未顯示)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)換反應(yīng)器保留在制氫裝置中，并與優(yōu)選的實(shí)施方案相似，在將來自PSA的副產(chǎn)物，如在約100°F來自PSA 47的約3.67CO,22.04CO2和1.98甲烷壓縮到燃燒器/再生器操作壓力后，將其送至燃燒器/再生器(未顯示)。在這兩種情況下，便于降低蒸汽到烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置的流量，因此降低了實(shí)用費(fèi)用，在進(jìn)入轉(zhuǎn)換反應(yīng)器42之前，蒸汽可加入到烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置流出物3中。這樣，蒸汽適用于兩個(gè)目的，即冷卻反應(yīng)器流出物和補(bǔ)充在烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置流出物中的任何烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置的蒸汽，以使轉(zhuǎn)換反應(yīng)器中的最大轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步降低實(shí)用費(fèi)用。
在圖1所示的熱聯(lián)合的裝置中，氫氣的選擇性不如在傳統(tǒng)氫氣裝置中重要，因?yàn)闅錃馐莵碜月?lián)用的循環(huán)動(dòng)力裝置，蒸汽發(fā)生器和廢料鍋爐的有動(dòng)力的共產(chǎn)品。
與動(dòng)力、蒸汽和氫氣的產(chǎn)生的有關(guān)總效率的改善和基建投資的節(jié)省決定了該裝置的總體獨(dú)特重要性。
另一個(gè)實(shí)施方案包括與甲醇裝置的隨后的聯(lián)合(未顯示)。將烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置的合成氣傳送至甲醇裝置并反應(yīng)產(chǎn)生甲醇。生成甲醇的反應(yīng)需要合成氣作為原料。反應(yīng)一般使用鋅-鉻氧化物催化劑，溫度為300°F-700°F，壓力為500-5000psig。在甲醇裝置中需要的部分動(dòng)力可由在共生燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置中產(chǎn)生的動(dòng)力提供。
權(quán)利要求
1．一種蒸汽轉(zhuǎn)化裝置和共生動(dòng)力裝置的聯(lián)合的生產(chǎn)方法，其中
蒸汽轉(zhuǎn)化裝置包括兩個(gè)連通的流化床；第一個(gè)流化床包括含有催化劑的烴水蒸氣轉(zhuǎn)化器，在足以產(chǎn)生包括合成氣氫氣和一氧化碳和二氧化碳的混合氣的條件下，催化劑用于使蒸汽和輕質(zhì)烴類反應(yīng)；第二個(gè)流化床包括燃燒器/再生器，燃燒器/再生器接受第一個(gè)流化床的用過的催化劑并為加熱催化劑提供熱量，并通過與催化劑直接接觸燃燒可燃?xì)怏w來平衡反應(yīng)吸熱，也產(chǎn)生熱可燃?xì)怏w；
共生動(dòng)力裝置包括裝備了空氣壓縮機(jī)和燃燒器的燃?xì)廨啓C(jī)；
聯(lián)合包括排出來自動(dòng)力裝置的燃?xì)廨啓C(jī)空氣壓縮機(jī)壓縮空氣流中的一部分壓縮空氣；將排出的壓縮空氣導(dǎo)入燃燒器/再生器；將來自燃燒器/再生器的熱可燃?xì)怏w與動(dòng)力裝置壓縮空氣流的剩余空氣流混合以產(chǎn)生重新組合的氣流，并將其送入共生燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置的燃燒器。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中兩個(gè)流化床中任何一個(gè)選自由提升反應(yīng)器，下流反應(yīng)器，循環(huán)流化床，快速流化床和固定流化床。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中動(dòng)力裝置和蒸汽轉(zhuǎn)化裝置的聯(lián)合還包括過濾重新組合的氣流。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中燃燒器/再生器的熱可燃?xì)怏w與動(dòng)力裝置的壓縮空氣流的剩余空氣流的混合產(chǎn)生了溫度低于約1450°F，合適于用一般方法過濾的重新組合的氣流。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中排出的部分壓縮空氣壓力為約50-約1000psig和溫度為約300°F-900°F；在壓力為約100-1000psig下操作燃燒器/再生器和烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置流化床，來自烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置的合成氣溫度為約1350°F-約2000°F；來自燃燒器/再生器的熱可燃?xì)怏w溫度為約1500°F-2200°F；重新組合的氣流溫度為約700°F-1600°F并且燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度為約1700°F-2800°F。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中排出的部分壓縮空氣壓力為約150-400psig，溫度為約400°F-700°F；在壓力為約150-450psig下操作燃燒器/再生器和烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置流化床；來自烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置的合成氣溫度為約1500°F-1650°F；來自燃燒器/再生器的熱可燃?xì)怏w溫度為約1650°F-1850°F；重新組合的氣流溫度為約1000°F-1400°F并且燃?xì)廨啓C(jī)的入口溫度為約2000°-2400°F。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中聯(lián)合的蒸氣轉(zhuǎn)化裝置與共生動(dòng)力裝置還與甲醇裝置聯(lián)合，這樣使在烴水蒸氣轉(zhuǎn)化裝置中產(chǎn)生的合成氣反應(yīng)產(chǎn)生甲醇，并且在甲醇裝置中所需的一部分動(dòng)力可以由在共生燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置中產(chǎn)生的動(dòng)力提供。
全文摘要
一種蒸汽轉(zhuǎn)化裝置和共生動(dòng)力裝置的聯(lián)合的生產(chǎn)方法,其中蒸汽轉(zhuǎn)化裝置包括兩個(gè)連通的流化床;第一個(gè)流化床包括含有催化劑的烴水蒸氣轉(zhuǎn)化器;第二流化床包括接受用過的催化劑并提供加熱催化劑的熱量的燃燒器/再生器。兩個(gè)裝置的聯(lián)合是通過將來自裝備有空氣壓縮機(jī)的動(dòng)力裝置燃?xì)廨啓C(jī)的一部分壓縮空氣排出并將排出的壓縮空氣導(dǎo)入燃燒器/再生器完成的。
文檔編號(hào)C01B3/44GK1214037SQ9619591
公開日1999年4月14日 申請(qǐng)日期1996年5月24日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月6日
發(fā)明者R·J·思米尼, D·O·馬勒爾, R·施納爾, G·J·特曼 申請(qǐng)人:美孚石油公司