ES2235294T3 - Ajuste criogenico del contenido en hidrogeno y monoxido de carbono del gas de sintesis. - Google Patents
Ajuste criogenico del contenido en hidrogeno y monoxido de carbono del gas de sintesis.Info
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Abstract
LA RELACION MOLAR ENTRE EL HIDROGENO Y EL MONOXIDO DE CARBONO EN EL GAS DE SINTESIS (1) SE CAMBIA CONDENSANDOSE PARCIALMENTE (E101, E104, E102) AL MENOS UNA PARTE DEL GAS DE ALIMENTACION, Y SEPARANDOSE LA MEZCLA DE ALIMENTACION (2), PARCIALMENTE CONDENSADA, POR SEPARACION DE FASES SIN FRACCIONAMIENTO (C101). LA MEZCLA DE ALIMENTACION PARCIALMENTE CONDENSADA (2) SE SEPARA POR UNA PRIMERA SEPARACION DE FASE (C101) EN UNA PRIMERA CORRIENTE DE LIQUIDO (4) Y UNA PRIMERA CORRIENTE DE VAPOR (3); LA PRIMERA CORRIENTE DE VAPOR (3) SE CONDENSA PARCIALMENTE (E 103) Y ES SEPARADA POR UNA SEGUNDA SEPARACION DE FASE (C102) EN UNA SEGUNDA CORRIENTE LIQUIDA (6) Y UNA SEGUNDA CORRIENTE DE VAPOR (5); LA SEGUNDA CORRIENTE DE VAPOR (5) SE CALIENTA Y DILATA (7) A FIN DE PROPORCIONAR REFRIGERACION Y CONDENSACION PARCIAL; Y LA CORRIENTE (8) PARCIALMENTE CONDENSADA Y DILATADA ES SEPARADA POR UNA SEPARACION DE TERCERA FASE (C102) A FIN DE PROPORCIONAR UNA TERCERA CORRIENTE DE LIQUIDO (10) Y UNA TERCERA CORRIENTE DEVAPOR (9). EL PRODUCTO DEL GAS DE SINTESIS (17) SE DERIVA AL MENOS PARCIALMENTE DE LA TERCERA CORRIENTE DE LIQUIDO (10) Y DE UNA PORCION DE LA TERCERA CORRIENTE DE VAPOR (11).
Description
Ajuste criogénico del contenido en hidrógeno y
monóxido de carbono del gas de síntesis.
La presente invención se refiere a la preparación
de un producto de gas de síntesis que contiene una relación molar
deseada de hidrógeno y monóxido de carbono a partir de una
alimentación gaseosa de gas de síntesis que los contiene en una
relación molar diferente. Esto tiene una particular aplicación para
la provisión de gas de síntesis que contiene hidrógeno y monóxido
de carbono en una relación molar de 1:1 a 2:1.
El gas de síntesis es una mezcla gaseosa que
consiste esencialmente en hidrógeno y monóxido de carbono que,
dependiendo del nivel de pureza, puede contener pequeñas cantidades
de argón, nitrógeno, metano y otras trazas de impurezas
hidrocarbonadas. Normalmente, se obtiene mediante conversión
catalítica u oxidación parcial de carbón, coque, gas natural u otras
alimentaciones hidrocarbonadas. Los usos primarios del gas de
síntesis son la síntesis de metanol (que requiere una relación
molar de hidrógeno: monóxido de carbono de 2:1) y las reacciones
para producir oxo-alcoholes (que requieren una
relación molar de hidrógeno: monóxido de carbono de al menos 1:1).
Para muchas de estas aplicaciones es necesario controlar las
proporciones relativas de hidrógeno y monóxido de carbono.
Típicamente, esto se consigue mediante separar criogénicamente el
gas de síntesis en bruto en una corriente de producto rica en
hidrógeno y una corriente de producto rica en monóxido de carbono, y
combinarlas luego en una relación apropiada para producir la
composición de gas de síntesis requerida. Normalmente, durante la
separación criogénica también se reduce el nivel de impurezas en el
gas de síntesis en bruto, especialmente metano y otros
hidrocarburos.
Se ha propuesto producir gas de síntesis de una
composición requerida mediante proporcionar una composición a modo
de vapores de cabeza de una columna de separación o desflemador.
En particular, la patente
US-A-4488890 describe un
procedimiento en el que se separa un producto de gas de síntesis
para la producción de metanol a modo de vapores de cabeza de una
columna de lavado alimentada con gas de síntesis en bruto
parcialmente condensado. La columna se refluye con una corriente de
reciclaje para bombeo de calor de monóxido de carbono líquido, para
separar el metano de la alimentación gaseosa que asciende por la
columna. El uso de reflujo de monóxido de carbono líquido mantiene
el contenido de monóxido de carbono de la alimentación de gas de
síntesis en bruto para que la relación molar de hidrógeno: monóxido
de carbono sea 2:1 a 2,6:1, tanto en los gases en bruto como en los
lavados. En el único procedimiento de ejemplo, dicha relación molar
del gas de síntesis en bruto y producto es 2,45:1 y 2,55:1,
respectivamente, y el contenido de metano del gas de síntesis en
bruto y producto es 16,1% en moles y 0,1% en moles,
respectivamente.
Aunque el producto de gas de síntesis del
procedimiento de la patente
US-A-4488890 se genera directamente
a temperatura criogénica, se obtiene de una columna de separación
completa. Esto limita la presión a la que se puede generar el gas de
síntesis, ya que es difícil operar la columna a presiones por
encima de 25-30 bares absolutos
(2,5-3 MPa absolutos). Además, el uso de monóxido de
carbono líquido para hacer refluir la columna limita la amplitud con
que la composición del gas de síntesis se puede controlar e implica
unos importantes gasto de capital y consumo de energía
adicionales.
La patente US-A4525187 describe
un procedimiento en el que se separa un producto de gas de síntesis
a alta presión a modo de vapores de cabeza de un desflemador de alta
presión, en el que el metano se condensa y retira del vapor del gas
de síntesis en bruto parcialmente condensado. También se proporciona
un producto de gas de síntesis a baja presión a modo de vapores de
cabeza de un desflemador de baja presión que condensa y retira el
metano de los vapores de cabeza de una columna separadora en la que
se separan monóxido de carbono y metano. En los dos procedimientos
de los ejemplos, la relación molar de hidrógeno: monóxido de
carbono en el gas de síntesis en bruto, producto de gas de síntesis
de alta presión y producto de gas de síntesis de baja presión, es
1,9:1, 2,5:1 y 1:10,7, respectivamente (Ejemplo 1), o 2,1:1, 3,3:1
y 1:4,4, respectivamente (Ejemplo 2). El contenido de metano de
dichos gas de síntesis en bruto, producto de gas de síntesis de alta
presión y producto de gas de síntesis de baja presión, de los
ejemplos, es 17,0% en moles, 0,5% en moles y 0,65% en moles,
respectivamente (Ejemplo 1), o 11,8% en moles, 0,5% en moles y 0,65%
en moles, respectivamente (Ejemplo 2).
Aunque los productos de gas de síntesis de los
procedimientos de la patente US- A-4525187 se
generan directamente a temperaturas criogénicas, los desflemadores
son relativamente complicados y caros. El producto de gas de
síntesis de alta presión tiene, necesariamente, un contenido de
hidrógeno significativamente más alto que el gas de síntesis en
bruto, y el gas de síntesis de baja presión tiene, necesariamente,
un contenido de hidrógeno significativamente mucho más bajo que el
gas de síntesis en bruto.
La patente
US-A-4566886 describe un
procedimiento para obtener monóxido de carbono puro a partir de gas
de síntesis, mediante enfriar una alimentación de gas de síntesis
comprimida para condensar una porción predominante del monóxido de
carbono; separar la fase líquida de monóxido de carbono del vapor
restante (hidrógeno impuro) mediante separación de fases sin
fraccionamiento; reducir la presión de dicho monóxido de carbono
líquido para producir hidrógeno disuelto en forma de vapor; y
reciclar a la alimentación de gas de síntesis dicho vapor de
hidrógeno producido. El vapor de hidrógeno impuro de la separación
de fases sin fraccionamiento se puede condensar parcialmente y luego
separar las fases, mediante una separación de fases sin
fraccionamiento, para proporcionar un vapor de hidrógeno impuro y un
monóxido de carbono líquido que se mezcla con una porción de dicho
vapor de hidrógeno impuro, se vaporiza y luego se recicla a la
alimentación de gas de síntesis.
Las dos patentes
EP-A-0313883 y
US-A-4217759 describen
procedimientos para cambiar la composición de una alimentación
gaseosa de gas de síntesis que contiene hidrógeno y monóxido de
carbono en una primera relación molar de hidrógeno a monóxido de
carbono, mediante separación criogénica de sus componentes, para
proporcionar un producto gaseoso de gas de síntesis que contiene
hidrógeno y monóxido de carbono en una segunda relación molar de
hidrógeno: monóxido de carbono, en los que dicha alimentación
gaseosa de gas de síntesis se condensa parcialmente; la alimentación
de gas de síntesis parcialmente condensada se separa, mediante
separación de fases sin fraccionamiento, para proporcionar una
corriente gaseosa de proceso de gas de síntesis que contiene
hidrógeno y monóxido de carbono en una relación molar diferente de
hidrógeno: monóxido de carbono que la de la alimentación gaseosa de
gas de síntesis, y una corriente de proceso rica en monóxido de
carbono; y dicha corriente gaseosa de proceso de gas de síntesis se
calienta sin una posterior separación criogénica de la misma.
El documento de patente
US-A-4217759 divulga un proceso
criogénico para separar gas de síntesis mediante condensación
parcial, en el que la mezcla de gas de alimentación (111;
US-A-4217759 Fig 2) es proporcionada
a presión superatmosférica por encima de alrededor de 300 psia (2
MPa) y parcialmente enfriada (112) para condensar una primera
fracción líquida (119) y recuperar una primera fracción de gas
(114), la primera fracción líquida (119) es separada (121, 124) en
un gas producto de monóxido de carbono (132) y el producto metano
líquido (133); la primera fracción de gas (114) es enfriada
adicionalmente (115) para conseguir una condensación parcial
adicional y separada (116) en una fracción de gas enriquecida en
hidrógeno (117) y una segunda fracción líquida rica en monóxido de
carbono (125). La fracción de gas enriquecida en hidrógeno (117) es
recalentada mediante intercambio térmico inicialmente (115) con la
primera fracción de gas de enfriamiento adicional (114) y después
(112) con la mezcla de gas de alimentación de enfriamiento parcial
(111). El segundo líquido rico en monóxido de carbono (125) es
expandido (126) a una presión entre 20 psia (140 kPa) y 130 psia
(0,9 MPa) y separado en una tercera fracción líquida (146) y una
tercera fracción de gas (149). La tercera fracción de gas (149) es
combinada a baja presión superatmosférica por debajo de alrededor de
50 psia (350 kPa) con una parte minoritaria (147) de un líquido
rico en monóxido de carbono obtenido a partir de la mezcla de gas
de alimentación enfriada (111) tras enfriamiento adicional (115)
para formar un mezcla de reciclado (151). La mezcla de reciclado
(155) es recalentada mediante intercambio térmico inicialmente (115)
con la primera fracción de gas de enfriamiento adicional (114) y
después (112) con la mezcla de gas de alimentación de enfriamiento
parcial (111). Al menos una parte mayoritaria de la tercera
fracción líquida (146) (146 menos 147) es alimentada a la separación
de monóxido de carbono - metano (124).
En una realización
(US-A-4217759 Fig 2), la primera
fracción líquida (119) es reducida en presión (120) y después
separada (121) en una fracción líquida (123), que es alimentada a
una columna de separación de monóxido de
carbono-metano (124), y una fracción de gas (122),
que es calentada mediante intercambio térmico (112) con la mezcla
de gas de alimentación (111). Esta fracción de gas calentada puede
ser al menos parcialmente reciclada mezclándola con la mezcla de
gas de alimentación (111) antes del enfriamiento y condensación
parcial (112) de la misma. En esta realización, la parte
minoritaria (147) del líquido rico en monóxido de carbono que es
combinada con la tercera fracción de gas (149) para formar la
mezcla de reciclado (151) es una parte a presión reducida (148) de
la tercera fracción líquida (146). La mezcla de reciclado
recalentada (149) puede se recomprimida y reciclada como parte de la
mezcla de gas de alimentación (111). El resto (146 menos 147) de la
tercera fracción líquida (146) es reducido en presión (146a),
parcialmente re-hervido (115) y alimentado a la
columna de separación monóxido de carbono-metano
(124).
En otra realización
(US-A-4217759 Fig 4), la primera
fracción líquida (319) es reducida en presión (320) y después
separada (321) en una fracción líquida (323), que es combinada con
el segundo líquido rico en monóxido de carbono (325) expandido
(326), y una fracción de gas (322), que es calentada mediante
intercambio térmico (312) con la mezcla de gas de alimentación
(311) para proporcionar una corriente de gas de reciclado. La parte
minoritaria (347) del líquido rico en monóxido de carbono que es
combinada con la tercera fracción de gas (349) para formar la mezcla
de reciclado (351) es una parte a presión reducida (348) de la
tercera fracción líquida (346). El resto (346 menos 347) de la
tercera parte líquida es reducida en presión (346a) y separada
(361) en una fracción de gas (364), que es calentada mediante
intercambio térmico (312) con la mezcla de gas de alimentación
(311) y reciclada, y una fracción líquida (310), que es bombeada
(371) a una columna de separación de monóxido de
carbono-metano (324) como única alimentación a esa
columna.
En una modificación (Fig. 6) aplicable a ambas
realizaciones anteriormente mencionadas, la fracción de gas
enriquecida en hidrógeno (517) es turboexpandida (518a) tras un
calentamiento inicial parcial (515) y entonces un parte (590) es
reducida en presión (591) y añadida a mezcla de reciclado (549). El
resto de la fracción de gas enriquecido en hidrógeno turboexpandido
(517 menos 590) es calentado y una parte (593) turboexpandida (518b)
para proporcionar una segunda corriente producto de hidrógeno
(presión reducida).
Es un objeto de la presente invención reducir el
consumo de energía y/o el coste de capital para proporcionar un gas
de síntesis de una composición requerida mediante tratamiento
criogénico de gas de síntesis en bruto.
Se ha encontrado que la producción de gas de
síntesis de una composición requerida se puede integrar, simple y
directamente, en la caja fría de la separación criogénica de gas de
síntesis en bruto mediante el uso de una separación sin
fraccionamiento de la alimentación de gas de síntesis en bruto
parcialmente condensada. Comparado con los procedimientos de la
técnica anterior en los que la composición requerida de gas de
síntesis se produce en la caja fría (véanse las patentes US-
A-4488890 y
US-A-4525187), se reduce la
necesidad de refrigeración y de compresión para separación, sin un
equipo adicional complicado en la caja fría. Además, el
procedimiento de la invención se puede adaptar fácilmente para
proporcionar cualquier relación molar de hidrógeno: monóxido de
carbono comúnmente usada, o incluso múltiples composiciones de gas
de síntesis, y se puede aplicar tanto al ciclo de condensación como
al de lavado con metano. Cuando se usa un ciclo de lavado con
metano, el producto de gas de síntesis tiene un contenido de metano
relativamente alto a menos que, dentro de la caja fría, primero se
separe el metano de la alimentación al separador de generación de
gas de síntesis. Sin embargo, algunos procedimientos de aguas abajo
para el producto de gas de síntesis toleran los niveles de metano
resultantes del uso de un ciclo de lavado con metano sin tal
separación.
De este modo, según un primer aspecto general, la
presente invención proporciona un procedimiento para cambiar la
composición de una alimentación gaseosa de gas de síntesis que
contiene hidrógeno y monóxido de carbono en una primera relación
molar de hidrógeno a monóxido de carbono, mediante separación
criogénica de sus componentes, para proporcionar un producto gaseoso
de gas de síntesis que contiene hidrógeno y monóxido de carbono en
una segunda relación molar de hidrógeno: monóxido de carbono de 1:1
a 2:1, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:
condensar parcialmente al menos una porción de
dicha alimentación gaseosa de gas de síntesis que contiene hidrógeno
y monóxido de carbono en una primera relación molar de hidrógeno a
monóxido de carbono;
separar la alimentación de gas de síntesis
parcialmente condensada mediante una separación de fases sin
fraccionamiento para proporcionar (i) una corriente gaseosa de
proceso de gas de síntesis, derivada tanto de la fase líquida como
de la fase de vapor de la primera separación de fases sin
fraccionamiento de la alimentación de gas de síntesis parcialmente
condensada, y que contiene hidrógeno y monóxido de carbono en una
relación molar diferente de hidrógeno: monóxido de carbono que la de
la alimentación gaseosa de gas de síntesis, que constituye al menos
parte de la corriente gaseosa de producto de gas de síntesis, y
(ii) una corriente de proceso rica en monóxido de carbono; y
calentar dicha corriente gaseosa de proceso de
gas de síntesis sin una separación criogénica posterior de la
misma.
De acuerdo con un segundo aspecto general, la
presente invención proporciona un aparato para uso en los
procedimientos de la invención, comprendiendo dicho aparato:
medios de intercambio de calor de la alimentación
de gas de síntesis, para condensar parcialmente al menos una porción
de la alimentación gaseosa de gas de síntesis;
medios de separación de fases sin
fraccionamiento, para separar la alimentación de gas de síntesis
parcialmente condensada para proporcionar (i) una corriente gaseosa
de proceso de gas de síntesis tanto de la fase líquida como de la
fase de vapor de la primera separación de fases sin fraccionamiento
de la alimentación de gas de síntesis parcialmente condensada y
(ii) la corriente de proceso rica en monóxido de carbono;
medios de conducción de la corriente de proceso,
para separar dicha corriente de proceso rica en monóxido de carbono
de dichos medios de separación de fases;
medios de conducción de la corriente de producto,
para separar dicha corriente gaseosa de proceso de gas de síntesis
de dichos medios de separación de fases; y
medios de intercambio de calor de la corriente de
producto conectados a dichos medios de conducción de la corriente de
producto, para recibir y calentar dicha corriente gaseosa de
proceso de gas de síntesis sin una posterior separación criogénica
de la misma,
La condensación parcial se puede realizar en una
o más etapas. Preferiblemente, la alimentación de gas de síntesis
parcialmente condensada se separa, mediante una primera separación
de fases sin fraccionamiento, en una primera corriente líquida y
una primera corriente de vapor, corriente de vapor que se condensa
parcialmente y se separa mediante una segunda separación de fases
sin fraccionamiento en una segunda corriente líquida y una segunda
corriente de vapor. En una realización tal, la corriente de proceso
rica en monóxido de carbono se deriva al menos parcialmente de la
primera corriente líquida, y la corriente gaseosa de proceso de gas
de síntesis se deriva al menos parcialmente de al menos una de las
segundas corrientes líquida y de vapor.
La segunda corriente de vapor se calienta y
expande convenientemente para proporcionar refrigeración y,
preferiblemente condensación parcial. Esta corriente expandida,
preferiblemente condensada parcialmente, junto con la segunda
corriente líquida se separa mediante una tercera separación de fases
sin fraccionamiento para proporcionar una tercera corriente de
vapor, de la que se deriva al menos parcialmente la corriente
gaseosa de proceso de gas de síntesis, y una tercera corriente
líquida.
En una realización, la tercera corriente líquida
se mezcla con una porción de la tercera corriente de vapor y se
vaporiza parcialmente para proporcionar una porción vaporizada, de
la que se deriva al menos parcialmente la corriente gaseosa de
proceso de gas de síntesis, y una porción no vaporizada, de la que
se deriva al menos parcialmente una corriente de proceso rica en
monóxido de carbono. Preferiblemente, la mezcla vaporizada de la
tercera corriente líquida y una porción de la tercera corriente de
vapor se separan, mediante una separación de fases sin
fraccionamiento, para proporcionar una cuarta corriente líquida y
una cuarta corriente de vapor. La corriente gaseosa de proceso de
gas de síntesis se deriva al menos parcialmente de dicha cuarta
corriente de vapor y la corriente de proceso rica en monóxido de
carbono se deriva al menos parcialmente de dicha cuarta corriente
líquida. A la cuarta corriente de vapor se puede añadir una porción
de dicha cuarta corriente líquida. Normalmente, se reduce la presión
de la primera corriente líquida y esta se añade a dicha mezcla
parcialmente vaporizada para dicha cuarta separación de fases.
En otra realización, la tercera corriente líquida
se mezcla con una porción de la tercera corriente de vapor y la
mezcla se vaporiza completamente, para proporcionar al menos parte
de dicha corriente gaseosa de proceso de gas de síntesis.
La refrigeración se puede proporcionar mediante
una fuente de refrigeración independiente, por ejemplo nitrógeno
líquido, en lugar de, o además de, expandir la corriente de vapor
caliente.
Normalmente, se separa el hidrógeno de la
corriente de proceso rica en monóxido de carbono para proporcionar
un vapor enriquecido en hidrógeno y un líquido enriquecido en
monóxido de carbono. El vapor enriquecido en hidrógeno se puede
calentar y añadir a la corriente gaseosa de proceso de gas de
síntesis caliente para aumentar su volumen. Cuando en el coproducto
monóxido de carbono se desea reducir el contenido de metano, se
puede separar el líquido enriquecido en monóxido de carbono en una
corriente de vapor rica en monóxido de carbono y una corriente
líquida enriquecida en metano. Convenientemente, la corriente de
vapor rica en monóxido de carbono puede proporcionar una corriente
de reciclaje para bombeo de calor para impulsar esta etapa de
purificación posterior.
Opcionalmente, al menos una parte de la tercera
corriente de vapor se puede tratar posteriormente para proporcionar
un producto hidrógeno mediante, por ejemplo, calentar a la
temperatura ambiente y purificar en un sistema de adsorción con
oscilación de presión.
Lo siguiente es una descripción, solamente a modo
de ejemplo y con referencia a los dibujos anexos, de unas
realizaciones de la presente invención actualmente preferidas. En
los dibujos:
La Figura 1 es una representación esquemática de
una realización de la presente invención para producir un producto
gaseoso de gas de síntesis que consiste esencialmente en hidrógeno y
monóxido de carbono en una relación molar de hidrógeno: monóxido de
carbono de 1:1, a partir de una alimentación gaseosa de gas de
síntesis que contiene una proporción más alta de monóxido de carbono
y que está contaminada con metano; y
La Figura 2 es una representación esquemática de
una modificación de la realización de la Figura 1 en la que a la
corriente gaseosa de proceso de gas de síntesis se añade un gas
enriquecido en hidrógeno, separado de parte de la alimentación de
gas de síntesis en una columna de separación de hidrógeno, para
aumentar su volumen con una relación molar de hidrógeno: monóxido
de carbono de 1:1 en el producto combinado.
Con referencia primero a la Figura 1, por medio
del conducto de suministro (1) se suministra gas de síntesis en
bruto, por ejemplo a 60 bares manométricos (6 MPa manométricos) y
27ºC, a una caja fría de hidrógeno/monóxido de carbono
("HYCO"). El gas en bruto se ha pretratado de manera
convencional para separar vapor de agua y gases ácidos, tales como
dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno y otras especies que
contienen azufre, y esencialmente contiene hidrógeno y monóxido de
carbono contaminado con argón, nitrógeno, metano y otras trazas de
impurezas hidrocarbonadas.
La corriente de alimentación (1) se enfría y se
condensa parcialmente mediante el paso a través de los
intercambiadores de calor (E101), (E104) y (E102). La alimentación
(2) parcialmente condensada se alimenta a un primer recipiente
separador de fases (C101) para proporcionar una primera corriente de
vapor (3) y una primera corriente líquida (4). Después, la primera
corriente de vapor (3) se enfría y se condensa parcialmente en el
intercambiador de calor (E103) y se alimenta al segundo recipiente
separador de fases (C102), en el que se separa en una segunda
corriente de vapor (5) y una segunda corriente líquida (6).
La segunda corriente de vapor (5) se recalienta
en el intercambiador de calor (E103) y se expande en el expansor
(7), para proporcionar refrigeración a la caja fría. La corriente
(8) expandida y, normalmente, condensada parcialmente, se alimenta
al tercer recipiente separador de fases (C105), en el que también
se vaporiza rápidamente la segunda corriente líquida (6). Del
tercer recipiente separador de fases (C105) se retiran la tercera
corriente de vapor (9) y la tercera corriente líquida (10). A la
tercera corriente líquida (10) se añade una porción (11) de la
tercera corriente de vapor (9), y la mezcla se calienta en el
intercambiador de calor (E103) para proporcionar una corriente de
vapor (12) parcialmente vaporizada, que se alimenta al cuarto
recipiente separador de fases (C103). En el separador (C103)
también se vaporiza rápidamente la primera corriente líquida (4).
Del separador (C103) se retiran la cuarta corriente de vapor (13),
a por ejemplo 35 bares manométricos (3,5 MPa manométricos), y la
cuarta corriente líquida (14). Opcionalmente, a la cuarta corriente
de vapor (13) se añade una porción (15) de la cuarta corriente
líquida (14) para aumentar el contenido de monóxido de carbono de
la misma. La corriente combinada (16) se calienta en los
intercambiadores de calor (E102) y (E101) para dar un producto (17)
de gas de síntesis.
El resto de la cuarta corriente líquida (18) se
vaporiza rápidamente en la columna (19) de separación de hidrógeno
para proporcionar un vapor de cabeza (20) enriquecido en hidrógeno
y unos residuos de colas líquidos (21) enriquecidos en monóxido de
carbono. La columna (19) opera, por ejemplo, a 25 bares manométricos
(2,5 MPa manométricos), y típicamente se vuelve a hervir a cambio
del enfriamiento de la alimentación en bruto (1) de gas de síntesis
en el intercambiador de calor (E104).
Los residuos de colas líquidos (21) se vaporizan
rápidamente en el separador de fases (C104) del que se retiran las
corrientes (22) y (23) de vapor y líquido, respectivamente. La
corriente de vapor (22) se alimenta directamente en una localización
intermedia de la columna (24) de separación de metano. La corriente
líquida (23) se vaporiza en el intercambiador de calor (E102) y se
alimenta en una localización intermedia más baja de la columna
(24). La columna (24) se hace refluir mediante la corriente (25)
para bombeo de calor de monóxido de carbono y se vuelve a hervir,
en el intercambiador de calor (E102), por intercambio con la
alimentación en bruto (1) de gas de síntesis y la corriente (25)
para bombeo de calor.
Los vapores de cabeza (26) de monóxido de carbono
de la columna (24) se calientan en los intercambiadores de calor
(E102) y (E101) y se comprimen en el compresor (K101). La corriente
de vapor (25V) para bombeo de calor de monóxido de carbono se
retira de una etapa intermedia del compresor (K101), y de la etapa
final del compresor (K101) se retira el producto (27) monóxido de
carbono.
Los residuos de colas líquidos (28) enriquecidos
en metano de la columna (24) se bombean mediante la bomba (29) y se
mezclan con la porción (30) de la tercera corriente de vapor (9),
que queda después de la separación de la porción (11) de la misma.
La corriente combinada (11) resultante se calienta en los
intercambiadores de calor (E102) y (E101) y se combina con los
vapores de cabeza (20) calientes de la columna (19) de hidrógeno,
para proporcionar un producto (32) de gas combustible, por ejemplo
a 24 bares manométricos (2,4 MPa manométricos), y que
convenientemente se entrega al cabezal de una turbina de gas o se
puede tratar posteriormente para producir un producto hidró-
geno.
geno.
La realización de la Figura 1 se propone
principalmente producir un producto de gas de síntesis con una
relación molar de hidrógeno: monóxido de carbono de 1:1, pero se
puede adaptar fácilmente para producir una relación molar diferente,
por ejemplo 2:1 para la síntesis de metanol. Esta producción de gas
de síntesis se consigue mediante unos medios simples y eficientes
sin compresión auxiliar, mediante conservar la refrigeración a baja
temperatura en el intercambiador de calor (E103), que de otra
manera tendría que ser proporcionada por otros
medios.
medios.
La relación molar de hidrógeno: monóxido de
carbono del producto (17) de gas de síntesis se determina
principalmente mediante la temperatura en el separador de fases
(C103), que a su vez se determina mediante la temperatura en el
primer recipiente separador de fases (C101). La temperatura de la
corriente de alimentación (2) a la salida del intercambiador de
calor (E102) es una aproximación de la temperatura de vaporización
de la alimentación (23) a la columna (24) de metano, y ésta es
función de la presión de operación de esa columna (24). De este
modo, la presión de la columna (24) proporciona un control
aproximado de la relación molar de hidrógeno: monóxido de carbono
del producto (17) de gas de síntesis. Una regulación precisa de la
relación molar del gas de síntesis se proporciona mediante controlar
la cantidad, si hay, de la porción (15) de la cuarta corriente
líquida (14) enriquecida en monóxido de carbono y de la porción
(11) de la tercera corriente de vapor (9) enriquecida en
hidró-
geno.
geno.
Se puede conseguir casi cualquier relación de
hidrógeno: monóxido de carbono en el producto (17) de gas de
síntesis, sobre un amplio intervalo de composiciones de
alimentación, mediante controlar las cantidades de las porciones
(11) y (15) y la temperatura del cuarto separador de fases
(C103).
La Tabla 1 siguiente resume el balance de masas
global para el procedimiento típico de la Figura 1.
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\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
\newpage
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
\cr}
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\vskip1.000000\baselineskip
La Figura 2 representa una modificación del
procedimiento de la Figura 1. Las mismas o similares características
de las Figuras 1 y 2 se identifican mediante las mismas cifras de
referencia y solamente se describen las diferencias entre los dos
procedimientos.
En la realización de la Figura 2, los vapores de
cabeza (20) de la columna de hidrógeno calientes no contribuyen al
producto (32) de gas combustible, pero se comprimen en el compresor
(K102) y luego se combinan con la corriente de vapor (16) caliente
para contribuir al producto (17) de gas de síntesis.
La Tabla 2 resume el balance de masas global de
la realización de la Figura 2 para producir un producto de gas de
síntesis que tiene una relación molar de hidrógeno a monóxido de
carbono de 1:1.
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\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
\newpage
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
\cr}
\vskip1.000000\baselineskip
Se destaca que, para la misma alimentación de gas
de síntesis en bruto y el mismo producto monóxido de carbono, el
procedimiento de la Figura 2 proporciona comercialmente un caudal de
producto de gas de síntesis aumentado significativamente (12,5%) y
comercialmente una recuperación de monóxido de carbono aumentada
significativamente (7,5%).
El control de los elementos clave de los
procedimientos de los ejemplos anteriores puede permitir que se
varíe la relación de hidrógeno: monóxido de carbono para conseguir
relaciones molares por encima o por debajo de 1:1.
Se apreciará que la invención no se limita a las
realizaciones y modificaciones particulares descritas antes y que se
pueden hacer numerosas modificaciones y variaciones, sin apartarse
del alcance de la invención como se define en las reivindicaciones
siguientes.
Claims (27)
1. Un procedimiento para cambiar la composición
de una alimentación gaseosa (1) de gas de síntesis que contiene
hidrógeno y monóxido de carbono en una primera relación molar de
hidrógeno a monóxido de carbono, mediante separación criogénica de
sus componentes, para proporcionar un producto gaseoso (17) de gas
de síntesis que contiene hidrógeno y monóxido de carbono en una
segunda relación molar de hidrógeno a monóxido de carbono de 1:1 a
2:1, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:
condensar (E101, E104, E102) parcialmente al
menos una porción de dicha alimentación gaseosa (1) de gas de
síntesis;
separar la alimentación (2) de gas de síntesis
parcialmente condensada mediante separaciones de fases sin
fraccionamiento (C101, C102, C105, C103) para proporcionar (i) una
corriente gaseosa de proceso (16) de gas de síntesis, derivada
tanto de la fase líquida (4) como de la fase de vapor (3) de la
primera separación de fases sin fraccionamiento (101) de la
alimentación de gas de síntesis parcialmente condensada (2) y que
contiene hidrógeno y monóxido de carbono en una relación molar
diferente de hidrógeno: monóxido de carbono, que constituye al
menos parte de la corriente gaseosa producto (17) de gas de
síntesis, y (ii) una corriente de proceso (18) rica en monóxido de
carbono;
y
y
calentar (E102, E101) dicha corriente gaseosa de
proceso (16) de gas de síntesis sin una separación criogénica
adicional de la misma.
2. Un procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la relación molar de hidrógeno: monóxido de carbono del
producto gaseoso de gas de síntesis es 1:1.
3. Un procedimiento según las reivindicaciones 1
ó 2, en el que la corriente de proceso (16) de gas de síntesis
constituye una mayor parte de la corriente gaseosa producto (17) de
gas de síntesis.
4. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que dicha alimentación (2) de
gas de síntesis parcialmente condensada se separa mediante una
primera separación de fases sin fraccionamiento (C101) en una
primera corriente líquida (4) y una primera corriente de vapor (3);
dicha primera corriente de vapor se condensa parcialmente (E103) y
se separa mediante una segunda separación de fases sin
fraccionamiento (C102) en una segunda corriente líquida (6) y una
segunda corriente de vapor (5); dicha corriente de proceso (18) rica
en monóxido de carbono se deriva al menos parcialmente de dicha
primera corriente líquida (4); y dicha corriente gaseosa de proceso
(16) de gas de síntesis se deriva (12), al menos parcialmente, de
al menos una de dicha segunda corriente líquida (6) y dicha segunda
corriente de vapor (5).
5. Un procedimiento según la reivindicación 4, en
el que dicha segunda corriente de vapor (5) se calienta (E103) y se
expande (7) para proporcionar refrigeración; dicha corriente
expandida (8) junto con la segunda corriente líquida (6) se separa
mediante una tercera separación de fases sin fraccionamiento (C105),
para proporcionar una tercera corriente líquida (10) y una tercera
corriente de vapor (9); y dicha corriente gaseosa de proceso (16)
de gas de síntesis se deriva (11) al menos parcialmente de dicha
tercera corriente de vapor (9).
6. Un procedimiento según la reivindicación 5, en
el que dicha tercera corriente líquida (10) se mezcla con una
porción (11) de dicha tercera corriente de vapor (9) y se vaporiza
(E103) parcialmente para proporcionar porciones vaporizadas y no
vaporizadas; dicha corriente gaseosa de proceso (16) de gas de
síntesis se deriva al menos parcialmente de dicha porción
vaporizada; y dicha corriente de proceso (18) rica en monóxido de
carbono se deriva parcialmente de dicha porción no vaporizada.
7. Un procedimiento según la reivindicación 6, en
el que dichas porciones (12) vaporizadas y no vaporizadas se
separan mediante una cuarta separación de fases sin fraccionamiento
(C103), para proporcionar una cuarta corriente líquida y una cuarta
corriente de vapor; dicha corriente gaseosa de proceso (16) de gas
de síntesis se deriva al menos parcialmente de dicha cuarta
corriente de vapor; y dicha corriente de proceso (18) rica en
monóxido de carbono se deriva al menos parcialmente de dicha cuarta
corriente líquida.
8. Un procedimiento según la reivindicación 7, en
el que se reduce la presión de dicha primera corriente líquida (4)
y esta se añade a dichas porciones (12) vaporizadas y no
vaporizadas para dicha cuarta separación de fases (C103), y
contribuye a dicha cuarta corriente líquida (14) y a dicha cuarta
corriente de vapor (13).
9. Un procedimiento según la reivindicación 8, en
el que una porción (15) de dicha cuarta corriente líquida (14) se
añade a dicha cuarta corriente de vapor (13).
10. Un procedimiento según la reivindicación 5,
en el que dicha tercera corriente líquida (10) se mezcla con una
porción (11) de dicha tercera corriente de vapor (9), y la mezcla
se vaporiza (E103) completamente para proporcionar al menos parte
de dicha corriente gaseosa de proceso (16) de gas de síntesis.
11. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que se separa (19) el hidrógeno
de dicha corriente de proceso (18) rica en monóxido de carbono, para
proporcionar un vapor (20) enriquecido en hidrógeno y un líquido
(21) enriquecido en monóxido de carbono.
12. Un procedimiento según la reivindicación 11,
en el que dicho vapor (20) enriquecido en hidrógeno se calienta
(E102, E101) y se añade a dicha corriente gaseosa de proceso (16)
de gas de síntesis.
13. Un procedimiento según las reivindicaciones
11 ó 12, en el que dicha alimentación gaseosa (1) de gas de síntesis
contiene metano, y dicho líquido (21) enriquecido en monóxido de
carbono se separa (24) en una corriente de vapor (26) rica en
monóxido de carbono y una corriente líquida (28) enriquecida en
metano.
14. Un procedimiento según la reivindicación 13,
en el que dicha corriente de vapor (26) rica en monóxido de carbono
proporciona una corriente de reciclaje (25) para bombeo de
calor.
15. Un aparato para cambiar la composición de una
alimentación gaseosa (1) de gas de síntesis que contiene hidrógeno y
monóxido de carbono en una primera relación molar de hidrógeno a
monóxido de carbono, mediante separación criogénica de sus
componentes, para proporcionar un producto gaseoso (17) de gas de
síntesis que contiene hidrógeno y monóxido de carbono en una segunda
relación molar de hidrógeno: monóxido de carbono de 1:1 a 2:1,
mediante un procedimiento según se define en la reivindicación 1,
comprendiendo dicho aparato:
medios de intercambio de calor (E101, E104, E102)
de la alimentación de gas de síntesis, para condensar parcialmente
al menos una porción de la alimentación gaseosa (1) de gas de
síntesis;
medios de separación de fases sin fraccionamiento
(C101, C102, C105, C103), para separar la alimentación (2) de gas de
síntesis parcialmente condensada para proporcionar (i) la corriente
gaseosa de proceso (16) de gas de síntesis tanto de la fase líquida
(4) como de la fase de vapor (3) de la primera separación de fases
sin fraccionamiento (C101) de la alimentación de gas de síntesis
parcialmente condensada (2) y (ii) la corriente de proceso (18)
rica en monóxido de carbono;
medios de conducción (14, 18) de la corriente de
proceso, para separar dicha corriente de proceso (18) rica en
monóxido de carbono de dichos medios de separación de fases (C101,
C102, C105, C103);
medios de conducción (13, 16) de la corriente de
producto, para separar dicha corriente gaseosa de proceso (16) de
gas de síntesis de dichos medios de separación de fases (C101,
C102, C105, C103); y
medios de intercambio de calor (E102, E101) de la
corriente de producto conectados a dichos medios de conducción (13,
16) de la corriente de producto, para recibir y calentar dicha
corriente gaseosa de proceso (16) de gas de síntesis sin una
separación criogénica posterior de la misma.
16. Un aparato según la reivindicación 15, en el
que dichos medios de separación de fases comprenden:
un primer separador de fases sin fraccionamiento
(C101), para separar dicha alimentación (2) de gas de síntesis
parcialmente condensada en una primera corriente líquida (4) y una
primera corriente de vapor (3);
medios de intercambio de calor (E103) de la
primera corriente de vapor, para condensar parcialmente dicha
primera corriente de vapor (3); y
un segundo separador de fases sin fraccionamiento
(C102), para separar dicha primera corriente de vapor parcialmente
condensada en una segunda corriente líquida (6) y una segunda
corriente de vapor (5);
y en el que dichos medios de
conducción (14, 18) de la corriente de proceso separan una
corriente de proceso (18) rica en monóxido de carbono derivada al
menos parcialmente de dicha primera corriente líquida (4), y dichos
medios de conducción (13, 16) de la corriente de producto separan
la corriente gaseosa de proceso (16) de gas de síntesis derivada al
menos parcialmente de al menos una de dicha segunda corriente
líquida (6) y dicha segunda corriente de vapor
(5).
17. Un aparato según la reivindicación 16, en el
que dichos medios de separación de fases comprenden además:
medios de intercambio de calor (E103) de la
segunda corriente de vapor, para calentar dicha segunda corriente de
vapor (5);
medios de expansión (7) de la segunda corriente
de vapor, para expandir dicha segunda corriente de vapor caliente
para proporcionar refrigeración; y
un tercer separador de fases sin fraccionamiento
(C105), para separar dicha corriente (8) expandida para proporcionar
una tercera corriente líquida (10) y una tercera corriente de vapor
(9);
y en el que dichos medios de
conducción (13, 16) de la corriente de producto separan la
corriente gaseosa de proceso de gas de síntesis derivada al menos
parcialmente de dicha tercera corriente de vapor
(9).
18. Un aparato según la reivindicación 17, en el
que dichos medios de separación de fases comprenden además:
medios de reducción de la presión de la segunda
corriente líquida, para reducir la presión de dicha segunda
corriente líquida (6), y
medios de conducción (6) de la segunda corriente
líquida, para añadir dicha corriente a la que se redujo la presión a
dicho tercer separador de fases (C103).
19. Un aparato según las reivindicaciones 15 ó
16, en el que dichos medios de separación de fases comprenden además
medios de conducción (11) de la tercera corriente de vapor, para
mezclar una porción de dicha tercera corriente de vapor (9) con
dicha tercera corriente líquida (10), y medios de intercambio de
calor (E103) de la tercera corriente líquida (10), para vaporizar
parcialmente dicha mezcla de terceras corrientes líquida y de vapor
(10, 11); dichos medios de conducción (13, 16) de la corriente de
producto separan la corriente gaseosa de proceso de gas de
síntesis, derivada al menos parcialmente de la porción vaporizada de
dicha mezcla (12) vaporizada parcialmente, de las terceras
corrientes líquida y de vapor; y dichos medios de conducción (14,
18) de la corriente de proceso separan la corriente de proceso (18)
rica en monóxido de carbono, derivada parcialmente de la porción no
vaporizada de dicha mezcla (12) parcialmente vaporizada de las
terceras corrientes líquida y de vapor.
20. Un aparato según la reivindicación 19, en el
que dichos medios de separación de fases comprenden además un cuarto
separador de fases sin fraccionamiento (C103), para proporcionar una
cuarta corriente líquida y una cuarta corriente de vapor a partir
de dicha mezcla parcialmente vaporizada de las terceras corrientes
líquida y de vapor; dichos medios de conducción (13, 16) de la
corriente de producto separan la corriente gaseosa de proceso (16)
de gas de síntesis derivada al menos parcialmente de dicha cuarta
corriente de vapor; y dichos medios de conducción (14, 18) de la
corriente de proceso separan la corriente de proceso (18) rica en
monóxido de carbono derivada al menos parcialmente de dicha cuarta
corriente líquida.
21. Un aparato según la reivindicación 20, en el
que dichos medios de separación de fases comprenden además medios de
reducción de la presión de la primera corriente líquida para reducir
la presión de dicha primera corriente líquida (4), y medios de
conducción (4) de la primera corriente líquida para añadir dicha
corriente a la que se redujo la presión a dicho cuarto separador de
fases (C103).
22. Un aparato según la reivindicación 21, en el
que dichos medios de separación de fases comprenden además medios de
conducción (15) de la cuarta corriente líquida, para añadir una
porción de la cuarta corriente líquida (14) a dicha cuarta
corriente de vapor (13).
23. Un aparato según la reivindicación 17, en el
que dichos medios de separación de fases comprenden además medios de
conducción (11) de la tercera corriente de vapor para mezclar una
porción de dicha tercera corriente de vapor (9) con dicha tercera
corriente líquida (10), y medios de intercambio de calor (E103) de
la tercera corriente líquida para vaporizar completamente dicha
mezcla de terceras corrientes líquida y de vapor (10, 11), para
proporcionar al menos parte de dicha corriente gaseosa de proceso
(16) de gas de síntesis.
24. Un aparato según una cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 23, que comprende además medios de separación
(19) de hidrógeno para separar el hidrógeno de dicha corriente de
proceso (18) rica en monóxido de carbono, para proporcionar un
vapor (20) enriquecido en hidrógeno y un líquido (21) enriquecido en
monóxido de carbono.
25. Un aparato según la reivindicación 24, que
comprende además medios de intercambio de calor (E102, E101) del
vapor enriquecido en hidrógeno para calentar dicho vapor (20)
enriquecido en hidrógeno, y medios de conducción (20) del vapor
enriquecido en hidrógeno para añadir dicho vapor caliente a dicha
corriente gaseosa de proceso (16) de gas de síntesis.
26. Un aparato según las reivindicaciones 24 ó
25, que comprende además medios de separación (24) de metano para
separar dicho líquido (21) enriquecido en monóxido de carbono en
una corriente de vapor (26) rica en monóxido de carbono y una
corriente líquida (28) enriquecida en metano.
27. Un aparato según la reivindicación 24, que
incluye medios para bombeo de calor (25V, 25) para hacer circular
una corriente para bombeo de calor derivada de dicha corriente de
vapor (26) rica en monóxido de carbono.
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