Método de reformación de hidrocarburo-vapor con exportación de vapor limitada.

Un método para generar hidrógeno en una instalación de producción (501) que comprende:

formar una corriente de mezcla de gas de suministro de reformador

(510) a partir de una corriente de vapor de suministro (503) y una corriente de materia prima de reformador (1) que comprende un hidrocarburo, en el que la corriente de vapor de suministro (503) tiene un primer caudal de masa de vapor, R1;

introducir una corriente de mezcla de gas de suministro de reformador (510) en una pluralidad de tubos de reformador que contienen catalizador (525) de un reformador catalítico (500) y hacer reaccionar el hidrocarburo con el vapor en una reacción de reformación bajo las condiciones de reacción efectivas para formar una mezcla de gas reformada (512) que comprende hidrógeno;

introducir un combustible (532) en una sección de combustión (550) del reformador (500) en donde el combustible comprende gas residual absorbedor de oscilación de presión;

introducir oxígeno y nitrógeno (533) en la sección de combustión (550) del reformador (500); quemar el combustible (532) con el oxígeno en la sección de combustión (550) bajo condiciones efectivas para quemar el combustible para formar una mezcla de gas de producto de combustión (560) y generar calor para suministrar energía para la reacción de reformación;

extraer la mezcla de gas de producto de combustión (560) de la sección de combustión (550) del reformador (500);

extraer la mezcla de gas reformada (512) de la pluralidad de tubos de reformador que contienen catalizador (525); y

generar una corriente de gas intermedia que comprende vapor procedente de una corriente que contiene agua líquida (577) a través del intercambio de calor indirecto entre la corriente que contiene agua líquida (577) y al menos una de una corriente formada a partir de la mezcla de gas preformada (512) y una corriente formada a partir de la mezcla de gas de producto de combustión (560), comprendiendo la corriente de gas intermedia (555) vapor que tiene una presión de 2 MPa a 12 MPa y que tiene un segundo caudal de masa de vapor, R2, caracterizada por que:

; del 90% al 100% del segundo caudal de masa de vapor, R2, se genera a través del intercambio de calor indirecto entre el vapor que contiene agua líquida (577) y la corriente formada a partir de la mezcla de gas reformada (512), y/o del 0 al 10% del segundo caudal de masa de vapor, R2, se genera a través del intercambio de calor indirecto entre la corriente que contiene agua líquida (577) y la corriente formada a partir de la mezcla de gas de producto de combustión (560);

el oxígeno y el nitrógeno (533) son introducidos en la sección de combustión (550) del reformador (500) en una relación molar de O2 a N2 de 0,6 a 0,8.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E09155083.

Solicitante: AIR PRODUCTS AND CHEMICALS, INC..

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 7201 HAMILTON BOULEVARD ALLENTOWN PA 18195-1510 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: GENKIN,EUGENE S, Dimartino,SR. Stephen Paul, Zagnoli,David Anthony, ALVAREZ,MIGUEL RAFAEL, HARRIS,CHRISTOPHER FRANCIS.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > QUIMICA INORGANICA > ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos... > Hidrógeno; Mezclas gaseosas que contienen hidrógeno;... > C01B3/38 (con catalizadores)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > QUIMICA INORGANICA > ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos... > Hidrógeno; Mezclas gaseosas que contienen hidrógeno;... > C01B3/48 (seguida por una reacción de vapor de agua con monóxido de carbono)

PDF original: ES-2488495_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Método de reformación de hidrocarburo-vapor con exportación de vapor limitada

La presente invención se refiere a un método para generar hidrógeno y/o gas de síntesis mediante la reformación de hidrocarburo-vapor junto con la generación de vapor utilizando el calor sobrante procedente del proceso de reformación del hidrocarburo vapor. Más concretamente, la presente invención se refiere a un proceso tal que utiliza combustión enriquecida en oxígeno en el reformador con poca o nada exportación de vapor.

El gas de síntesis se utiliza para producir productos tales como amonio, metanol e hidrógeno. El gas se síntesis es generado por procesos a elevada temperatura en donde está disponible mucho calor sobrante. El calor sobrante generalmente es utilizado para generar vapor y ayudar a mejorar la eficiencia total de la instalación de gas de síntesis. En instalaciones típicas, la cantidad de vapor generado a partir de calor sobrante excede significativamente la cantidad de vapor necesario para la reformación de un suministro de hidrocarburo en un reformador de hidrocarburo vapor. El exceso de vapor se exporta o se utiliza para generar energía en una turbina de vapor.

Sin embargo, la exportación de vapor requiere sistemas de tuberías caros que incluyen válvulas de control y seguridad, sifones de vapor, trazado de calor, etc. La exportación de vapor está justificada cuando se necesita vapor cerca y/o un consumidor está dispuesto a pagar un precio razonable por el vapor. La importación de vapor también puede imponer condicionantes en cuanto a la situación de la planta con el fin de minimizar la longitud de las tuberías de exportación de vapor.

Las instalaciones para producir gas de síntesis generan grandes cantidades de vapor procedentes del calor sobrante. Dependiendo del diseño, la producción de vapor total puede ser entre el 35% y el 300% más de la requerida para uso interno en el reformador de hidrocarburo vapor. La práctica en la industria actual es exportar el exceso de vapor o utilizar el vapor en una turbina de vapor para la producción de energía. Ambas opciones requieren un gasto de capital adicional y puede tener un costo prohibitivo para los proyectos en los que no hay consumidores dispuestos a comprar el vapor con un coste razonable, o la energía no se puede producir de forma competitiva.

El documento US 6 981 994 B2 expone una reformación de metano vapor en una pluralidad de tubos catalizadores en los que el calor necesario se proporciona mediante quemadores que funcionan bajo condiciones de combustión enriquecida en oxígeno. En un ejemplo, se suministra aire enriquecido en oxígeno a las cámaras de combustión, sin embrago el contendido en O2 varía entre el 21,7 % y el 26% que corresponde hasta un valor de relación de O2/N2 de 0,351.

Para unidades de producción de hidrógeno pequeñas, en donde la exportación de vapor no está justificada, una parte del exceso de vapor es a menudo utilizada en el proceso de forma menos eficiente o incuso es expulsada. La planta de hidrógeno puede estar diseñada con menos equipamiento de recuperación de calor, lo que da lugar a una planta menos eficiente.

Existe un número de opciones de diseño que han sido utilizadas para variar la producción de vapor total a partir de la planta de gas de síntesis y reducir la exportación de vapor. Estas opciones de diseño tienen en cuenta las limitaciones del proceso tales como los requisitos de combustible suplementario para el reformador de vapor catalítico.

Una opción ampliamente utilizada en precalentar el aire de combustión para utilizar en el reformador a alta temperatura, por ejemplo hasta 600°C (1100 °F). El aire de combustión es típicamente precalentado en la sección de convección del reformador y se puede disponer utilizando una o dos etapas dependiendo de la temperatura de precalentamiento deseada. El precalentamiento del aire de combustión ayuda a reducir la cantidad de combustible requerido para la combustión en el reformador. Dado que se utiliza menos combustible, el flujo de gases del reformador se reduce dando lugar a menos calor sobrante para generar vapor.

El precalentamiento de combustible tiene un impacto similar pero menor sobre la producción de vapor total.

Otra opción es utilizar un prereformador adiabático. Un prereformador adiabático es un tanque lleno de un catalizador de reformación a base de níquel que está situado aguas arriba del reformador primario. Un suministro mezclado de vapor e hidrocarburo es suministrado al prereformador adiabático a elevada temperatura. El producto prereformado es calentado de nuevo por los gases del producto de combustión y después suministrado al reformador primario.

En uso de un prereformador permite la recuperación de calor adicional del gas de combustible al proceso calentando el vapor efluente del prereformador, reduciendo de este modo la cantidad de vapor disponible para la generación de vapor. El uso de un prereformador tiene otros beneficios tales como extraer los hidrocarburos superiores del vapor suministrado al reformador primario.

Las instalaciones que incluyen un prereformador son típicamente rentables dado que el tamaño del reformador primario se puede reducir a la vez que se mantiene una elevada eficiencia.

Estos métodos para reducir la cantidad de vapor son útiles para casos en los que la exportación de vapor tiene poco o ningún valor. Sin embargo, el uso de aire precalentado y/o un prereformador todavía tiene un significativo calor sobrante y no puede proporcionar eficiencias adecuadas sin tomar crédito para la exportación de vapor.

Cuando el crédito para el vapor producido no puede ser un factor razonable en la eficiencia de la instalación que genera gas de síntesis, se requiere métodos para reducir el impacto en la eficiencia de la planta.

Existe una necesidad de reducir el impacto en la eficiencia de la planta cuando poco o nada de vapor es necesario o producido. Sería deseable producir hidrógeno en un proceso de reformación a la vez que se produce poco o nada de vapor de exportación y a la vez que se mantiene la eficiencia total de la planta.

La presente invención se refiere a un método para generar hidrógeno en una instalación de producción. El método comprende las etapas de formar una corriente de mezcla de gas de suministro de reformador a partir de una corriente de vapor de suministro y una corriente de materia prima de reformador que comprende un hidrocarburo en el que la corriente de vapor de suministro tiene una primera relación de flujo de masa de vapor, R1; introducir la corriente de mezcla de gas de suministro de reformador en una pluralidad de tubos de reformador que contienen catalizador de un reformador de vapor catalítico y hacer reaccionar al hidrocarburo con el vapor en una reacción de reformación bajo condiciones de reacción efectivas para formar una mezcla de gas reformada que comprende hidrógeno; introducir un combustible que comprende gas residual absorbedor de oscilaciones de presión en una sección de combustión del reformador; introducir oxígeno y nitrógeno en la sección de combustión del reformador con una relación molar de 02 a N2 de 0,6 a 0,8; quemar el combustible con el oxígeno en la sección de combustión bajo condiciones efectivas para quemar el combustible para formar una mezcla de gas de producto de combustión y generar calor para suministrar energía para la reacción de reformación; retirar la mezcla de gas de producto de combustión de la sección de combustión del reformador; retirar la mezcla de gas reformada de la pluralidad de tubos de reformador que contienen catalizador; y generar una corriente de gas intermedia que comprende vapor procedente de una corriente que contiene agua a través de un intercambio de calor... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un método para generar hidrógeno en una instalación de producción (501) que comprende:

formar una corriente de mezcla de gas de suministro de reformador (510) a partir de una corriente de vapor de suministro (503) y una corriente de materia prima de reformador (1) que comprende un hidrocarburo, en el que la corriente de vapor de suministro (503) tiene un primer caudal de masa de vapor, R-i; introducir una corriente de mezcla de gas de suministro de reformador (510) en una pluralidad de tubos de reformador que contienen catalizador (525) de un reformador catalítico (500) y hacer reaccionar el hidrocarburo con el vapor en una reacción de reformación bajo las condiciones de reacción efectivas para formar una mezcla de gas reformada (512) que comprende hidrógeno;

introducir un combustible (532) en una sección de combustión (550) del reformador (500) en donde el

combustible comprende gas residual absorbedor de oscilación de presión;

introducir oxigeno y nitrógeno (533) en la sección de combustión (550) del reformador (500);

quemar el combustible (532) con el oxígeno en la sección de combustión (550) bajo condiciones efectivas

para quemar el combustible para formar una mezcla de gas de producto de combustión (560) y generar calor

para suministrar energía para la reacción de reformación;

extraer la mezcla de gas de producto de combustión (560) de la sección de combustión (550) del reformador (500);

extraer la mezcla de gas reformada (512) de la pluralidad de tubos de reformador que contienen catalizador (525); y

generar una corriente de gas intermedia que comprende vapor procedente de una corriente que contiene agua líquida (577) a través del intercambio de calor indirecto entre la corriente que contiene agua líquida (577) y al menos una de una corriente formada a partir de la mezcla de gas preformada (512) y una corriente formada a partir de la mezcla de gas de producto de combustión (560), comprendiendo la corriente de gas intermedia (555) vapor que tiene una presión de 2 MPa a 12 MPa y que tiene un segundo caudal de masa de vapor, R2, caracterizada porque:

£

0,9 < < 1,2

;

del 90% al 100% del segundo caudal de masa de vapor, R2, se genera a través del intercambio de calor indirecto entre el vapor que contiene agua líquida (577) y la corriente formada a partir de la mezcla de gas reformada (512), y/o del 0 al 10% del segundo caudal de masa de vapor, R2, se genera a través del intercambio de calor indirecto entre la corriente que contiene agua líquida (577) y la corriente formada a partir de la mezcla de gas de producto de combustión (560);

el oxígeno y el nitrógeno (533) son introducidos en la sección de combustión (550) del reformador (500) en una relación molar de O2 a N2 de 0,6 a 0,8.

2. El método de la reivindicación 1, en el que R2 = R1 y en donde el 100% del segundo caudal de masa de vapor, R2, se genera a través del intercambio de calor indirecto entre la corriente que contiene agua líquida (577) y la corriente que contiene la mezcla de gas reformada (512) y en donde el 0% del segundo caudal de masa de vapor, R2, es generado a través del intercambio de calor indirecto entre la corriente que contiene agua líquida (577) y la corriente que contiene los gases de producto de combustión (560).

3. El método de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes que comprende además:

reponer la corriente de vapor de suministro (503) a partir de una corriente formada a partir de al menos una parte de la corriente de gas intermedia (555) que comprende vapor.

4. El método de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el combustible (532) tiene una concentración del 0 a 40 % molar.

5. El método de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el oxígeno y el nitrógeno son introducidos juntos como una mezcla oxidante enriquecida en oxígeno.

6. El método de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que en el que una primera parte del oxígeno introducido en la sección de combustión es introducida como una primera mezcla oxidante que tiene una concentración del 20 % molar al 26 % molar de oxígeno, y una segunda parte del oxígeno introducido en la sección de combustión es introducida como una segunda mezcla oxidante que tiene una concentración del 26% molar al 100% molar de oxígeno.

7. El método de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes que además comprende:

supercalentar al menos una parte de la corriente de gas intermedia (555) a través del intercambio de calor indirecto entre la corriente gas intermedia (555) y al menos una parte de la corriente formada a partir de la mezcla de gas reformada (512) u otra corriente formada a partir de la mezcla de gas reformada (512) por lo que se forma una corriente gas intermedia supercalentada (556): y reponer la corriente de vapor de suministro (503) a partir de una corriente formada a partir de al menos una parte de la corriente de gas intermedia supercalentada (556); y/o

supercalentar al menos una parte de la corriente de gas intermedia (555) a través del intercambio de calor entre la corriente gas intermedia (555) y al menos una parte de la corriente formada a partir de la mezcla de gas de producto de combustión (560) u otra corriente formada a partir de la mezcla de gas de producto de combustión (560) por lo que se forma una corriente de gas intermedia supercalentada (556); y reponer la corriente de vapor de suministro (503) a partir de al menos una parte de la corriente de gas intermedia supercalentada (556).

8. El método de la reivindicación 7, en el que la corriente de gas intermedia supercalentada (556) es supercalentada entre 40 °C y 175 °C.

9. El método de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la corriente de gas intermedia (555) que comprende vapor tiene una presión de 2 MPa a 5 MPa.

10. El método de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además:

introducir al menos un parte de la corriente formada a partir de la mezcla de gas reformada (512) con una temperatura de 185 °C a 230 °C en un reactor de desplazamiento (595) que contiene un catalizador a base de óxido de cobre.

11. El método de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además:

supercalentar la corriente de gas intermedia (555) a través del intercambio de calor indirecto entre la corriente de gas intermedia (555) y al menos un parte de la corriente formada a partir de la mezcla de gas reformada (512) u otra corriente formada a partir de la mezcla de gas reformada (512) por lo que se forma una corriente gas intermedia supercalentada (556);

hacer pasar al menos una parte de la corriente gas intermedia supercalentada (556) a través de una turbina de vapor (597) para generar energía o trabajo en el eje y por tanto formar un efluente de turbina de vapor (557) a partir de una corriente de gas intermedia supercalentada (556); y

reponer una corriente de vapor de suministro (503) a partir de al menos una parte del efluente de turbina de vapor (557).

12. El método de la reivindicación 11, que comprende además:

utilizar la energía o trabajo en el eje generado por la turbina de vapor (597) para la generación de oxígeno.

13. El método de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes que comprende además:

generar un segunda corriente gas intermedia que comprende vapor a partir de una segunda corriente que contiene agua líquida a través del intercambio de calor indirecto entre la segunda corriente que contiene agua líquida y al menos una de la corriente formada a partir de la mezcla de gas reformada (512), otra corriente formada a partir de la mezcla de gas reformada (512), la corriente formada a partir de la mezcla de gas de producto de combustión (560), y otra corriente formada a partir de la mezcla de gas de producto de combustión (560), comprendiendo la segunda corriente de gas intermedia vapor que tiene una presión de 130 kPa a 450 kPa; y

utilizar la segunda corriente de gas intermedia como fuente de calor en un motor de calor de ciclo de Rankine para generar energía, en donde el motor de calor de ciclo de Rankine tiene un fluido de trabajo opcionalmente seleccionado del grupo formado por propano, butano, pentano, etileno, propileno, bromuro de litio en agua y mezclas de los mismos.