Способ производства жидких синтетических моторных топлив

 

Использование: нефтехимия. Способ получения жидких синтетических моторных топлив из углеродного сырья включает синтез метанола, отделение полученных в результате синтеза метанола воды и отводимого газа, синтез высших углеводородов преимущественно из метанола, получение из высших углеводородов моторных топлив и отделение получившейся при этом воды и отводимого газа. Отводимые газы сжигают, из воды и продуктов сгорания получают высоконапорную и высокотемпературную парогазовую смесь, используют ее в качестве теплоносителя в технологических процессах - синтезе метанола, синтезе высших углеводородов и получении моторных топлив, и/или из ее тепловой энергии и энергии давления получают электрическую энергию, которую используют в указанных технологических процессах, а после использования тепла парогазовую смесь разделяют на продукты сгорания и воду, часть которой используют в указанных технологических процессах. Технический результат: уменьшение энергетических затрат на выполнение технологических процессов производства жидких синтетических моторных топлив. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам производства жидких синтетических моторных топлив (метанола, бензина, реактивного, дизельного топлива, сжиженного газа и др.) из сырья, содержащего углерод, преимущественно из углеводородного газа природного и нефтяного.

Известен способ (Фишера - Тропша) производства жидких синтетических моторных топлив (см. Журнал "Химия и технология топлив и масел" - 1996 - 3 - С. 117), включающий выполнение технологических процессов: тепловой конверсии углеводородного сырья с получением синтез-газа (СО:Н₂); синтеза из последнего высших углеводородов; отделения высших углеводородов, воды и отводимых газов, получившихся в результате синтеза; получения из высших углеводородов моторных топлив.

Основным недостатком этого способа является его высокая энергоемкость, которая в основном связана с тепловой конверсией. Кроме того, этот способ обладает низкой селективностью. Отводимые газы содержат 25-30% метана и 15-20% углеводородов С₂-С₄. Высшие углеводороды составляют 24-45%. Содержащаяся в них бензиновая фракция имеет октановое число 40-45. Для повышения октанового числа требуется обработка соответствующей фракции высших углеводородов с дополнительными энергетическими затратами.

Другим недостатком является то, что после отделения высших углеводородов и воды в воде присутствуют жидкие углеводороды, для удаления которых необходимо иметь очистные сооружения и затрачивать дополнительную энергию.

Более прогрессивным методом производства жидких синтетических моторных топлив из углеродного сырья является способ фирмы "Мобил" (см. журнал "Химия и технология топлив и масел" - 1996 - 3 - С.21), (прототип). Этот способ включает выполнение технологических процессов: синтеза метанола; отделения метанола, воды и отводимых газов, получившихся в результате синтеза; синтеза из метанола высших углеводородов; отделения получившихся в результате синтеза высших углеводородов, воды и отводимых газов; получения из высших углеводородов моторных топлив. Причем синтез метанола производят преимущественно из синтез-газа или путем неполного окисления кислородом углеводородного газа.

Способ фирмы "Мобил" имеет по сравнению со способом Фишера - Тропша более высокую селективность. Например, из одной тонны метанола получается до 390 кг бензина с октановым числом порядка 90,44 кг газа и 566 кг воды. Однако способ фирмы "Мобил" является очень энергоемким. Основная доля затрат энергии приходится на производство метанола.

Другим существенным недостатком описанного способа является то, что после отделения воды от метанола в ней остается растворенным от 1 до 3% последнего. Кроме того, после отделения воды от высших углеводородов в ней присутствуют углеводороды в виде мелкодисперсной фазы. Для удаления метанола и углеводородов из воды требуются специальные очистные установки и дополнительные энергетические затраты.

Настоящим изобретением решается задача снижения энергетических затрат на выполнение технологических процессов производства жидких синтетических моторных топлив.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе производства жидких синтетических моторных топлив из углеродного сырья, включающем синтез метанола, отделение, полученных в результате синтеза метанола, воды и отводимого газа, синтез высших углеводородов преимущественно из метанола, получение из высших углеводородов моторных топлив и отделение получившихся при этом воды и отводимого газа, после отделения отводимые газы сжигают, из воды и продуктов сгорания получают высоконапорную и высокотемпературную парогазовую смесь, используют ее в качестве теплоносителя в технологических процессах синтезе метанола, синтезе высших углеводородов и получении моторных топлив, и (или) из ее тепловой энергии и энергии давления получают электрическую энергию, которую используют в технологических процессах, а после использования тепла парогазовую смесь разделяют на продукты сгорания и воду, часть которой использую г в технологическом процессе.

Воду, используемую для получения высоконапорной и высокотемпературной парогазовой смеси нагревают до парообразного состояния теплом продуктов сгорания Высоконапорную и высокотемпературную парогазовую смесь получают путем смешивания пара с продуктами сгорания в присутствии катализатора, содержащего железо и (или) никель.

Высоконапорную и высокотемпературную парогазовую смесь получают путем смешивания пара с продуктами сгорания эжекционным методом.

Электрическую энергию получают срабатыванием высокотемпературной и высоконапорной парогазовой смеси в газотурбинной электростанции.

Данный технический прием позволяет разложить, находящийся в воде метанол и углеводороды на нетоксичные вещества - двуокись углерода и водяной пар, получить высокотемпературный и высоконапорный теплоноситель, с помощью которого транспортируют тепловую энергию и вырабатывают электрическую энергию. Полученную тепловую и электрическую энергию применяют для выполнения технологических процессов, а именно при синтезе метанола, синтезе высших углеводородов и получении моторных топлив. Таким образом, данный технический прием позволяет уменьшить или полностью исключить потребление энергии из сторонних источников и исключить использование специальных очистных установок.

Воду, используемую для получения высоконапорной и высокотемпературной парогазовой смеси, нагревают до парообразного состояния теплом продуктов сгорания.

Этот технический прием позволяет интенсифицировать процесс смешения пара с продуктами сгорания и уменьшить затраты энергии на его выполнение.

Высоконапорную и высокотемпературную парогазовую смесь получают путем смешивания пара с продуктами сгорания в присутствии катализатора, содержащего железо и (или) никель.

Данный технический прием позволяет интенсифицировать процесс разложения метанола и углеводородов, присутствующих в воде, на двуокись углерода и водяной пар.

Высоконапорную и высокотемпературную парогазовую смесь получают путем смешивания пара с продуктами сгорания эжекционным методом.

Описанный технический прием позволяет производить процесс смешения в случае, когда один из взаимодействующих потоков имеет пониженное давление. В результате выполнения этого приема получают парогазовую смесь повышенного давления и, таким образом, исключают энергетические затраты на нагнетание одного из взаимодействующих потоков.

Электрическую энергию получают срабатыванием тепловой энергии и энергии давления парогазовой смеси в газотурбинной электростанции.

Вышеописанный технический прием позволяет эффективно получать электрическую энергию из высокотемпературной и высоконапорной парогазовой смеси.

Совокупность применения новых технических приемов в предлагаемом способе позволяет получить тепловую и электрическую энергию, применить ее в технологических процессах синтезе метанола, синтезе высших углеводородов и в производстве жидких синтетических моторных топлив, уменьшив или полностью исключив тем самым потребление энергии из сторонних источников, что является решением поставленной технической задачи.

Заявителю не известны способы производства жидких синтетических моторных топлив из углеродного сырья, в которых бы уменьшение энергетических затрат на выполнение технологических процессов производства жидких синтетических моторных топлив достигалось подобным образом.

На чертеже представлена принципиальная технологическая схема производства жидких моторных топлив - метанола и бензина, из углеводородного (природного) газа.

Производство состоит из установок: синтеза метанола 1; синтеза высших углеводородов из метанола 2; получения из высших углеводородов моторных топлив 3.

Установка синтеза метанола 1 содержит: компрессор 4 для сжатия углеводородного газа; мембранный блок 5 разделения воздуха на кислород и азот, возвращаемый в атмосферу; компрессор 6 для сжатия кислорода и рекуперативные подогреватели 7, 8 кислорода и углеводородного газа; реактор 9 синтеза метанола; рекуперативный теплообменник 10; холодильник 11; сепаратор 12, подключенный к эжекторному смесителю 13 и дроссельному регулятору давления 14; ректификационный колонный аппарат 15, верхняя часть которого подключена к воздушному охладителю 16 и рефлюксной емкости 17, а нижняя часть к насосу 18.

Установка синтеза метанола 2 содержит: насос 19 нагнетания и подачи метанола; подогреватель 20; реактор 21 синтеза высших углеводородов; холодильник 22; сепаратор 23; компрессор 24 для осуществления рециркуляции газового потока.

Установка получения моторных топлив 3: содержит колонный аппарат 25, нижняя часть которого подключена к подогревателю 26 и сепаратору 27, а верхняя к компрессору 28 для сжатия отводимых газов.

Для транспортировки отводимых газов в камеру сгорания 29 из установки 1 служит трубопровод 30, а из установки 3 - трубопровод 31. К камере сгорания подключен компрессор 32 для сжатия и подачи в нее атмосферного воздуха. На выходе камеры сгорания 29 установлен испаритель 33, который подключен водопроводами 34 и 35 соответственно к установкам 1 и 2, а паропроводом 36 и трубопроводом 37, транспортирующем продукты сгорания, - к эжекторному смесителю 38. Эжекторный смеситель 38 может быть снабжен катализатором, содержащим железо и (или) никель. Эжекторный смеситель 38 подключен к турбине 39 газотурбинной электростанции 40, а также к смесителю 41. На выходе из турбины установлен сепаратор 42 с колонным аппаратом 43. К водопроводу, отводящему воду из сепаратора 42, подключен рециркуляционный насос 44, который в свою очередь подключен к воздушному охладителю 45.

Жидкие синтетические моторные топлива - метанол и бензин производятся на представленной установке по предлагаемому способу следующим образом.

В установке 1 синтеза метанола выполняются технологические процессы: сжатия углеводородного газа до давления 7,0 МПа компрессором 4; разделения мембранным агрегатом 5 атмосферного воздуха на азот, возвращаемый в атмосферу и кислород; сжатия компрессором 6 кислорода до давления 7,0 МПа; нагрев в подогревателях 7 и 8 кислорода и углеводородного газа до температуры 450^o С; подачи нагретых кислорода и углеводородного газа в реактор 9; синтеза из них метанола; охлаждения в рекуперативном теплообменнике 10 и холодильнике 11 газоводометанольной смеси до температуры 70^oС; разделения в сепараторе 12 газоводометанольной смеси на водный раствор метанола и газ, одна часть которого подается смесителем 13 вновь на синтез, а другая часть отводится по трубопроводу 30 в камеру сгорания 29. Водный раствор метанола разделяют на воду и метанол в ректификационном аппарате 15.95% метанол по трубопроводам 46 и 47 подают, соответственно, на установку 2 и потребителю, а воду насосом 18 нагнетают с давлением 13,0 МПа по водопроводу 34 в испаритель 33.

В установке 2 синтеза высших углеводородов метанол нагнетают с давлением 2,0 МПа насосом 19 через подогреватель 20 в реактор 21, в котором при температуре порядка 380^oС на катализаторах (сверхвысококремнеземных синтетических цеолитах типа ZSM, промотированных солями металлов калия, свинца, кальция, цезия, серебра, никеля и др.) синтезируют высшие углеводороды. Полученные в реакторе 20 продукты охлаждают до температуры 50^oС в холодильнике 22 и отделяют друг от друга в сепараторе 23. Газ сжимают компрессором 24 и отправляют вновь на синтез. Воду подают по трубопроводу в испаритель 33, а высшие углеводороды направляют по трубопроводу 48 в установку 3.

Из установки 3 получения моторных топлив отводят по трубопроводу 49 бензин потребителю, а по трубопроводу 31 газ в камеру сгорания 29.

В камеру сгорания 29, кроме отводимых из установок 1 и 3 газов, нагнетается компрессором 32 воздух с давлением 0,7 МПа. Продукты сгорания подают через испаритель 33 в эжекторный смеситель 38. Воду в испарителе 33 при давлении 13,0 МПа превращают в пар, который по паропроводу 36 подают в эжектор 38. В эжекторном смесителе 38 водяной пар смешивают с продуктами сгорания и получают высоконапорную (давление 10,0 МПа) и высокотемпературную (900^oС) парогазовую смесь.

Тепловую энергию парогазовой смеси используют для нагрева технологических потоков в подогревателях 7, 8, 20, 26. И (или) из тепловой и энергии давления парогазовой смеси в газотурбинной электростанции 40 получают электрическую энергию, которую применяют в компрессорах 4, 5, 24, 28, 32, насосах 18, 19, 44, холодильниках 11, 22, воздушных охладителях 16, 45 для выполнения технологических процессов.

После турбины 39 парогазовую смесь разделяют при температуре 40-50^oС в сепараторе 42 на продукты сгорания, отводимые через колонный аппарат 43 в атмосферу, и воду, отводимую по водопроводу. Часть воды, нагнетаемую насосом 44, охлаждают в воздушном охладителе 45 и подают на орошение в колонный аппарат 43 для снижения выбросов водяного пара в атмосферу. Другую часть воды подают в смеситель 41 для регулирования температуры парогазовой смеси, подаваемой для нагрева технологических потоков в подогреватели 7, 8, 20, 26. После использования тепла парогазовой смеси в технологическом процессе, ее разделяют в сепараторе 42 на продукты сгорания и воду.

Пример Способ производства жидких синтетических моторных топлив из углеродного сырья - природного газа, имеющего компонентный состав: СH₄-97%, С₂Н₆-0,057%, С₃Н₈-1,15%, С₄Н₁₀-0,70%, С_5+B-0,093 %, реализуется следующим образом.

В установке 1 выполняют технологические процессы: синтеза метанола, отделения метанола, воды и отводимого газа, получившихся в результате синтеза. В установке 2 проводят технологические процессы: синтеза высших углеводородов из метанола. В установке 3 выполняют технологические процессы: получения из высших углеводородов моторных топлив; отделения получившихся при этом воды и отводимого газа.

После отделения в установках 1 и 2 отводимые газы сжигают в камере сгорания 29, воду смешивают с продуктами сгорания в эжекторном смесителе 38. При высокой температуре (порядка 900^oС) в водной среде метанол и углеводороды разлагаются на двуокись углерода и пары воды. Для интенсификации процесса смешения воду смешивают с продуктами сгорания после ее предварительного нагрева в испарителе 33 до парообразного состояния. С целью интенсификации процесса разложения метанола и углеводородов, находящихся в воде, ее в парообразном состоянии смешивают с продуктами сгорания в присутствии катализатора, содержащего железо и (или) никель. Полученную парогазовую смесь подают в качестве теплоносителя в установки 1-3 для нагрева кислорода и углеводородного газа в нагревателях 7 и 8, метанола в нагревателе 20 и жидких углеводородов в подогревателе 26.

Из тепловой энергии и энергии давления парогазовой смеси получают электрическую энергию в газотурбинной электростанции 40. Электроэнергию подают в установки 2-3 для применения при выполнении технологических процессов: сжатия природного газа компрессором 4, воздуха компрессорами 6 и 32, отводимых газов компрессорами 24 и 28, нагнетания метанола насосом 19, воды насосами 18 и 44, охлаждения технологических потоков холодильниками 11, 16, 22, 45. После использования тепловой энергии и энергии давления парогазовой смеси ее разделяют в сепараторе 42 на воду и продукты сгорания, состоящие практически из двуокиси углерода.

При производительности по исходному газу 14660 нм³ в час (117,3 млн. нм³/год) получают 125 кг в час (1000 т/год) 98%-ного метанола и 731 кг в час (5848 т/год) бензина с октановым числом 92-95, вырабатывается 40,18 МВт электроэнергии и 15,3 МВт тепловой энергии. Указанного количества вырабатываемой энергии достаточно для выполнения всех технологических процессов производства жидкого синтетического топлива.

Таким образом, сжигание отводимых газов, получение из воды и продуктов сгорания высоконапорной и высокотемпературной парогазовой смеси, использование ее в качестве теплоносителя в технологических процессах - синтезе метанола, синтезе высших углеводородов и получении моторных топлив и (или) получение из ее тепловой энергии и энергии давления электрической энергии, использование полученной энергии в технологических процессах, а также разделение после использования тепла парогазовой смеси на продукты сгорания и воду, часть которой используется в технологическом процессе, позволило уменьшить энергетические затраты на выполнение технологических процессов производства жидких синтетических моторных топлив.

Формула изобретения

1. Способ производства жидких синтетических моторных топлив из углеродного сырья, включающий синтез метанола, отделение полученных в результате синтеза метанола воды и отводимого газа, синтез высших углеводородов преимущественно из метанола, получение из высших углеводородов моторных топлив и отделение получившейся при этом воды и отводимого газа, отличающийся тем, что после отделения отводимые газы сжигают, из воды и продуктов сгорания получают высоконапорную и высокотемпературную парогазовую смесь, используют ее в качестве теплоносителя в технологических процессах - синтезе метанола, синтезе высших углеводородов и получении моторных топлив, и/или из ее тепловой энергии и энергии давления получают электрическую энергию, которую используют в указанных технологических процессах, а после использования тепла парогазовую смесь разделяют на продукты сгорания и воду, часть которой используют в указанных технологических процессах.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воду, используемую для получения высоконапорной и высокотемпературной парогазовой смеси, нагревают до парообразного состояния теплом продуктов сгорания.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что высоконапорную и высокотемпературную парогазовую смесь получают путем смешивания пара с продуктами сгорания в присутствии катализатора, содержащего железо и/или никель.

4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что высоконапорную и высокотемпературную парогазовую смесь получают путем смешивания пара с продуктами сгорания эжекционным методом.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрическую энергию получают срабатыванием высокотемпературной и высоконапорной парогазовой смеси в газотурбинной электростанции.

РИСУНКИ

Рисунок 1