Cпособ конверсии газа в жидкость

1 Настоящее изобретение имеет отношение к созданию способа конверсии газов в жидкости и в соответствии с одним из своих аспектов связано с созданием высокоэффективного способа конверсии газообразного углеводорода (например, метана) в жидкий углеводород (например,бензин, дистилляты и т. п.), который включает в себя усовершенствованные операции для получения требующегося технологического воздуха,причем в соответствии с этим способом теплота отходящих газов и хвостовые фракции газа эффективно используются для нужд самого процесса и/или для генерирования дополнительной мощности. Давно признана желательность конверсии легких газообразных углеводородов (например,природного газа) в жидкости (например, в метанол, бензины, дистилляты и др.). Вероятно, наиболее известным способом для осуществления такого вида конверсии является такой способ,при котором природный газ сначала пропускают через автотермический конвертор (ATR) для осуществления конверсии природного газа в синтетический газ (синтез-газ), то есть в газ,который содержит оксид углерода (СО) и водород (Н 2). После этого синтез-газ направляют в реактор типа Фишера-Тропша, загруженный соответствующим катализатором, в котором, в свою очередь, синтез-газ конвертируют в соответствующий продукт (например, в метанол,бензины, дистилляты и др.), в зависимости от типа катализатора и рабочих условий внутри реактора. Такие промышленные процессы хорошо известны; например, процессы ФишераТропша ("F-T") этого типа описаны в патентах США 1,798,288; 2,500,533; 2,552,308; 4,579,985; и 4,973,453. Несмотря на то, что базовые процессы с некоторых пор уже известны, непрерывно предпринимаются усилия для повышения их эффективности, чтобы повысить их коммерческую привлекательность. Например, когда это возможно, используют воздух вместо кислорода в качестве реагента в ступени ATR, так как воздух, что совершено очевидно, является более дешевым и легко доступным по сравнению с чистым кислородом; см., например, патенты США 2,500,533; 2,552,308; и др. Кроме того,идет непрерывный поиск наилучшего катализатора для использования в F-T реакторе, см., например, патенты США 4,522,939; 4,755,536; и др. Большое значение придается также усовершенствованиям различных элементов (например, конвертора частичного окисления), используемых при протекании процесса, в попытках оптимизации процесса для коммерческого использования (см., например, патенты США 3,549,335; 4,778,826). Другим очень важным соображением при коммерциализации процессов такого типа является максимальное использование тепла, которое в противном случае было бы потеряно, и 2 отходящих газов, которые используются для нужд самого процесса и/или для генерирования дополнительной энергии (то есть теплоты и/или механической мощности), которая, в свою очередь, может поступать на продажу или же может быть использована в других применениях. Например, (а) энергия может генерироваться за счет проведения реакции отходящего газа в топливной ячейке, см. патент США 4,048,250;(b) сухой газ или хвостовая фракция газа может быть использован для выработки тепла, используемого в самом процессе, см. патент США 4,048,250; (с) полученная от газовой турбины теплота, которую при протекании процесса используют для нагрева как сжатого, так и технологического воздуха, а также для привода электрического генератора, может быть использована в ATR, см. патент США 4,315,983; и (d) теплота, которая получена от продукта после его пропускания через конвертор (реформингустановку), может быть использована для генерирования отдельного потока перегретого пара,причем синтез-газ может быть расширен в турбине для рекуперации механической энергии,см. патент США 4,074,991. Несмотря на то,что каждый из этих подходов вносит вклад в повышение операционной эффективности полного процесса преобразования, многое еще может быть сделано для оптимизации процесса,чтобы сделать его более приемлемым с коммерческой точки зрения. В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ конверсии газообразного углеводорода (например, природного газа) в синтез-таз, который, в свою очередь, конвертируют в жидкий углеводородный продукт, причем существенный объем теплоты, генерируемой при протекании процесса, улавливается для использования в самом процессе или для превращения в механическую энергию. Кроме того,хвостовая фракция газа, генерируемая при протекании процесса, используется в качестве топлива для газовой турбины, применяемой для питания компрессоров, которые, в свою очередь, использованы для сжатия технологического воздуха. За счет использования хвостовой фракции газа в качестве топлива для газовой турбины меньший объем сжатого воздуха,предназначенного для ввода в зону горения,может быть использован для охлаждения продуктов горения, вытекающих из камеры сгорания турбины; вместо этого сжатый воздух может быть использован для образования части технологического воздуха, требующегося для протекания процесса. Это позволяет экономить от 20 до 30 % мощности, которая в противном случае могла бы потребоваться для осуществления сжатия всего объема технологического воздуха, требующегося для протекания процесса. Более конкретно, в соответствии с настоящим изобретением предлагается способ конверсии исходного газообразного углеводорода в 3 жидкий углеводород, в соответствии с которым необходимый для протекания процесса технологический воздух сжимают в компрессорном блоке, приводимом в действие при помощи газовой турбины, причем газовая турбина имеет компрессорную секцию, камеру сгорания и турбинную секцию. В компрессорной секции происходит сжатие технологического воздуха, первая часть (порция) которого поступает в камеру сгорания, где перемешивается с хвостовой фракцией газа, которая, в свою очередь, получена (рекуперирована) из самого процесса. Типичная рекуперированная из настоящего процесса хвостовая фракция газа содержит метан, оксид углерода, диоксид углерода, водород,азот, а также другие легкие углеводороды (например, С 2-С 4), которые горят в более холодном состоянии, чем топливо с высоким показателемBTU (британская тепловая единица), такое как природный газ, так что в результате получают продукты горения с более низкими температурами. Это позволяет использовать существенно меньшую вторую порцию сжатого воздуха, поступающего в зону горения для охлаждения такого же объема продуктов горения до температуры, которая требуется для безопасной работы турбинной секции газовой турбины. За счет использования меньшего объема сжатого воздуха для охлаждения, существенная оставшаяся порция (например, от 30 до 40 % исходного объема) сжатого воздуха от указанной компрессорной секции может быть введена непосредственно в сам процесс для образования порции технологического воздуха, требующегося для протекания настоящего процесса. После сжатия технологического воздуха его перемешивают с паром и нагревают в подогревателе ранее пропускания смеси через автотермический конверторный блок (ATR). Исходный газообразный углеводород (например,метан) также перемешивают с паром и нагревают в подогревателе (в качестве топлива в подогревателе по возможности используют хвостовую фракцию газа из процесса) перед пропусканием этой смеси через ATR, где она перемешивается со смесью технологического воздуха и пара в присутствии катализатора с образованием синтез-газа, который, в свою очередь, содержит азот, оксид углерода и водород. Теплота отбирается от синтез-газа и используется для производства пара, часть которого перемешивают как с технологическим воздухом, так и с исходным газом. После этого синтез-газ пропускают над слоем катализатора в реакторе Фишера-Тропша,чтобы осуществить конверсию по меньшей мере части этого синтез-газа в жидкий углеводород. Из реактора при конверсии синтез-газа в жидкий углеводород также улавливают теплоту,которая может быть использована для производства пара, необходимого для протекания настоящего процесса. Продукты из реактора по 000838 4 дают в разделительную секцию, где не конвертированный синтез-газ отделяют от жидкого углеводорода. Этот не конвертированный синтез-газ и побочные продукты (метан, С 2-С 4, оксид углерода, диоксид углерода) образуют "хвостовую фракцию" газа, которую при протекании процесса используют как топливо. Кроме того,по меньшей мере часть хвостовой фракции газа может быть расширена в турбине для получения механической энергии. Указанные ранее и другие характеристики изобретения (конструктивное выполнение и работа элементов, а также очевидные преимущества изобретения) будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковые позиционные обозначения относятся к аналогичным узлам. На фиг. 1 схематично показана объединенная система для конверсии газа, предназначенная для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 2 схематично показана работа газовой турбины в соответствии с известным состоянием техники. На фиг. 3 схематично показана работа газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением. Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1,на которой схематично показана блок-схема системы 10, которая может быть использована для осуществления способа конверсии (газа) в соответствии с настоящим изобретением. Везде в последующем описании даны примерные значения температур и давлений на соответствующих стадиях способа, осуществляемого в соответствии с настоящим изобретением. Однако следует иметь в виду, что эти температуры и давления являются только примером ожидаемых условий в системе 10, а истинные значения для какого-либо конкретного процесса могут отличаться от указанных значений, что не выходит за рамки настоящего изобретения. Указанные условия относятся к случаю типичного способа в соответствии с настоящим изобретением, когда в день производится обработка 52, 1 миллионов стандартных кубических футов исходного газа (например, природного газа). Система 10 содержит стандартную газовую турбину 11 (например, мощностью 32 500 л.с.), которая обеспечивает мощность для получения сжатого воздуха, необходимого для протекания настоящего процесса. Специалисты в данной области знают, что газовая турбина 11 содержит компрессорную секцию 12, секцию камеры сгорания 13 и турбинную секцию 14,которая, в свою очередь, содержит первичный выходной вал 15 для привода компрессоров технологического воздуха и вторичный вал 15 а,который служит для привода компрессорной секции 12. 5 Как это лучше всего видно на фиг. 2, в известных турбинах данного типа воздух поступает на компрессорную секцию 12 газовой турбины 11 через впускное отверстие 16 ориентировочно при атмосферных условиях (например,давление 14,7 psi (фунтов на кв. дюйм) и температура 80F и сжимается до того, как его подают в камеру сгорания 13 по линии 17. Часть воздуха подают в камеру сгорания 13 по линии 17 а,где он смешивается с топливом, поступающим по линии 18 а, имеющим высокий показательBTU, а затем смесь сжигают, чтобы получить горячий газ. Специалистам в данной области известно,что когда топливо с высоким показателем BTU,такое как природный газ, сгорает стехиометрически в обычной камере сгорания в газовой турбине данного типа, то результирующие газы имеют очень высокую температуру (например,2800F), причем эти газы являются слишком горячими для осуществления расширения в турбинной секции 14, так как могут привести к ее серьезному повреждению. Поэтому остальной имеющийся в линии 17 воздух, поступающий от компрессорной секции 12 (то есть воздух охлаждения), пропускают по линии 17b через теплообменник в камере сгорания 13 для того, чтобы продукты сгорания, выходящие из камеры сгорания 13, имели температуру (например,1800F), которая позволяла бы безопасно использовать их в турбинной секции 14. Воздух охлаждения в линии 17b перемешивается с продуктами горения в линии 19, после чего смесь расширяется в турбинной секции 14 и приводит во вращение валы 15, 15 а. В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предлагается существенное сокращение объема воздуха, необходимого для охлаждения продуктов горения ориентировочно до той же самой температуры, что и раньше (например, 1800F), так что только часть"горения-охлаждения" будет использоваться теперь для перемешивания с топливом и для охлаждения продуктов горения. Это достигается за счет использования в качестве топлива хвостовой фракции газа, получаемой в настоящем процессе, вместо топлива с высоким показателем BTU, такого как метан. Хвостовая фракция газа, которая содержит метан, другие легкие углеводороды, оксид углерода, диоксид углерода, водород и существенные объемы азота, создает такие же количества продуктов горения, но при существенно более низкой температуре (например, 2100F); следовательно, требуется меньшее охлаждение для понижения температуры газа до допустимой (например, 1800F) по условиям безопасной работы турбинной секции 14. Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 3,на которой показано, что сжатый воздух из секции 12 поступает в камеру сгорания 13 по линии 6 17 а, где он смешивается с топливом, подводимым по линии 18, причем по линии 17b производится охлаждение продуктов горения из камеры сгорания 13 аналогично описанному ранее. Топливом в линии 18 также является хвостовая фракция газов, которая получена в системе 10, о чем речь впереди. Остаток сжатого воздуха горения-охлаждения (например, ориентировочно 30-40% всего потока), который не нужен для осуществления горения-охлаждения,подается по линии 17 с непосредственно на блок 20 сжатия технологического воздуха, который, в свою очередь, содержит одну или несколько ступеней сжатия 21 (на фиг. 1 показаны четыре ступени). Первичный "технологический воздух" поступает на компрессорный блок 20 при условиях окружающей среды через впускное отверстие 20 а. За счет использования части сжатого воздуха горения-охлаждения от компрессорной секции 12, который не является необходимым для осуществления горения/охлаждения в турбине 11 и может служить частью технологического воздуха, необходимого для проведения настоящего процесса, мощность, необходимая для работы компрессорного блока 20, может быть снижена на 20-30 % по сравнению с той,которая без этого могла бы потребоваться. Как и ранее, продукты горения из камеры сгорания 13 расширяются в силовой турбинной секции 14 и приводят в действие турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие как компрессорную секцию 12 турбины 11 при помощи вала 15 а, так и все компрессорные ступени 21 блока 20 при помощи выходного вала 15,что само по себе известно. Выхлопные газы от турбины 14, в свою очередь, проходят через теплообменник 22, в котором существенные объемы теплоты (например, до 93 MMBTU в час) могут быть использованы для нагревания воды в линии 23, в результате чего получают пар, который может быть использован при протекании процесса или для других применений(не показаны). Сжатый технологический воздух (например, под давлением около 600 psia и при температуре 328F) покидает компрессорный блок 20 по линии 25 и перемешивается с перегретым паром (например, под давлением около 1200psia и при температуре 900F), поступающим по линии 24. Смесь воздух/пар дополнительно подогревают в печи 26 (которая также может получать топливо в виде хвостовой фракции газа из процесса) ориентировочно до 1000F, причем смесь находится под давлением около 595 psia перед тем, как эта смесь технологический воздух/пар поступает на автотермический конверторный блок ("ATR") 27. Исходный газ (например, природный газ под давлением около 610 psi и при температуре 100F), поступает через впускное отверстие линии 28 и затем (а) нагревается в печи 26, (b) проходит через устройства уда 7 ления сульфида водорода 29 (на фиг. 1 показаны 2 таких устройства), и (с) повторно нагревается в печи 26 до достижения температуры около 1000F и давления около 595 psia перед тем, как этот газ поступает на ATR 27 по линии 28. Как это хорошо известно специалистам,конвертор ATR 27 может иметь различную конструкцию, однако обычно он содержит резервуар, в котором находится катализатор конверсии(например, катализатор, содержащий никель),способствующий конверсии смеси воздух/пар/ природный газ в синтез-газ (то есть СО и Н 2); например, см. патент США 4,973,453. Синтез-газ совместно с азотом и не вступившими в реакцию легкими углеводородами выходит изATR 27 через выпускное отверстие 30 под давлением около 590 psi и при температуре 1806F и поступает на охлаждение (а) в теплообменниках 31 и 32 до температуры около 600F и (b) в теплообменнике 33 до температуры около 336F и (с) в охладителе 34 до температуры около 100F (опцион), после чего подается на сепаратор 35, сконденсированная вода из которого удаляется через выпуск 36. Затем из сепаратора 35 синтез-газ через теплообменник 33 поступает в линию 36, где он нагревается ориентировочно до 415F (при давлении 565 psia), после чего подается на реактор Фишера-Тропша ("F-T") 37. Реакторы F-T такого типа также хорошо известны специалистам и в основном включают в себя резервуар, в котором находится соответствующий катализатор(например, катализатор, содержащий кобальт). Известны различные катализаторы, которые могут быть использованы для конверсии синтезгаза в зависимости от желаемого конечного продукта; см., например, патенты США 4,579,985 и 4,579,986. Продукт (под давлением около 535 psia и при температуре 415F) вытекает из реактора FT 37 через два отдельных выпускных отверстия 38, 39. Продукт, вытекающий через выпускное отверстие 38, прежде всего охлаждается в теплообменнике 40 ориентировочно до 309F, а затем в охладителе 41 до температуры около 100F, после чего он поступает в первый сепаратор 42 а в первом ряду сепараторов 42a-d в сепараторной секции 42. Линейка сепараторов служит для ступенчатого снижения давления продукта ориентировочно от 525 psia до 15 psia,после чего продукт через выпускную линию 43 направляется на дальнейшую переработку (например, на гидрокрекинг) или для другого использования. Хвостовую фракцию газа (несконденсированные легкие углеводороды, азот и пр.) отводят из первого сепаратора 42 а под давлением около 520 psia по линии 44 и пропускают через теплообменник 40 для повышения температуры хвостовой фракции газа ориентировочно до 350F, при охлаждения продукта в линии 38. В некоторых случаях применения хвостовая фракция газа может быть расширена при помо 000838 8 щи силовой турбины 45 для снижения ее давления и для рекуперации механической мощности,которая может быть использована для привода электрического генератора 46 или для других целей. Сконденсированная вода удаляется из сепаратора 42 а по линии 50. Хвостовую фракцию газа также отводят из второго сепаратора 42b по линии 46' и комбинируют с хвостовой фракцией газа в линии 44. Полученная хвостовая фракция газа все еще имеет хороший показатель BTU и может быть использована в качестве топлива для нужд процесса; например, как топливо для камеры сгорания 13 в турбине 11 (пунктирная линия 44 а, линия 18) или для печи 26 (пунктирная линия 44 Ь), а также для других целей. Остаток хвостовой фракции газа в линии 44 может быть использован для собственных нужд предприятия или для продажи, в зависимости от конкретной обстановки. Любой газ, остающийся в продукте после достижения сепараторов 42 с, 42d имеет слишком низкое давление, что не позволяет использовать его как топливо при протекании процесса, поэтому он отводится по линии 47 для сжигания в факеле 48 или для другого аналогичного удаления. Продукт в другой выпускной линии 39 поступает в первый сепаратор 42 е во втором ряду сепараторов 42e-g в сепараторной секции 42 для ступенчатого снижения давления, после чего продукт по линии 55 поступает на хранение. Любой газ, который отделяется от продукта в сепараторах 42e-g, направляется к соответствующим сепараторам первого ряда по линиям 52 и обрабатывается надлежащим образом. Отделенная от продукта в сепараторе 42 е вода удаляется по линии 53 и комбинируется с водой в линии 50, после чего поступает на сброс через выпуск 56. В соответствии с настоящим изобретением теплоту рекуперируют и используют почти во всех ступенях системы, причем предусмотрены две сервисные петли для выработки пара и рекуперации избытка энергии из системы в ходе протекания процесса. Вновь обратимся к фиг. 1,на которой показано, что вода для нагрева поступает под высоким давлением (например,около 1 200 psia) в первую сервисную петлю 60 через впуск свежей воды 61 и ее температура повышается ориентировочно до 350F, когда она проходит через теплообменник 62. Часть потока нагретой воды отбирают из линии 60 по линии 63 и пропускают через теплообменники 31 и 32 для рекуперации теплоты от продукта, выходящего из ATR 27, в результате чего температура воды (теперь находящейся в виде перегретого пара) повышается ориентировочно до 900F, после чего она возвращается в линию 60. Часть перегретого пара может быть направлена (а) по линии 24 для смешивания со сжатым технологическим воздухом в линии 25 и(b) по линии 28 а для нагрева исходного газа в линии 28. Остальную часть нагретой воды пропускают через бойлер 64 и пароперегреватель 65 в линии 60 (которые могут получать как топливо хвостовую фракцию газа) для повышения ее температуры ориентировочно до 900F, после чего она поступает на рекомбинацию с паром из линии 63, который находится при той же температуре и давлении. Затем пар расширяют в турбине 66 для преобразования рекуперированной теплоты в полезную механическую мощность(например, для привода электрического генератора 67 или для других аналогичных целей). Во вторую сервисную петлю 70 свежая вода поступает через впуск 71. По линии 72 вода при температуре около 390F втекает в F-T реактор 37, а по линии 73 вытекает из него при температуре около 415F. После этого воду пропускают через теплообменник 62, в котором рекуперированная из реактора 37 теплота передается воде для нагрева в петле 60, в результате чего повышается полный КПД системы. Выше была описана система и способ конверсии природного или другого газа в синтезгаз, который, в свою очередь, затем подвергнут конверсии в жидкий углеводородный продукт, в соответствии с которыми большая часть теплоты, генерируемой при протекании процесса,рекуперируется для использования для нужд самого процесса или преобразуется в механическую энергию. Кроме того, хвостовая фракция газа, получаемая при протекании процесса, используется в качестве первичного топлива, необходимого для протекания процесса. Более того, турбина, которая использована для сжатия технологического воздуха, сама применяется для создания части требуемого технологического воздуха. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ конверсии газообразного углеводорода в жидкий углеводород с использованием газовой турбины для привода компрессорного блока, который обеспечивает сжатие воздуха, который, в свою очередь, перемешивают с газообразным углеводородом и паром и пропускают через первый реактор с первым катализатором для получения синтез-газа, который пропускают через второй реактор со вторым катализатором для получения указанного жидкого углеводорода и хвостовой фракции газа; причем указанная газовая турбина содержит компрессорную секцию, камеру сгорания и турбинную секцию, отличающийся тем, что он включает в себя следующие операции: сжатие воздуха в компрессорной секции газовой турбины; подачу первой порции указанного сжатого воздуха из компрессорной секции газовой турбины в камеру сгорания; 10 подачу хвостовой фракции газа, которая рекуперирована из указанного процесса конверсии, как топлива в камеру сгорания для перемешивания с указанной первой порцией сжатого воздуха для осуществления горения в камере сгорания с образованием продуктов горения; перемешивание второй порции указанного сжатого воздуха из компрессорной секции газовой турбины с продуктами горения из камеры сгорания газовой турбины для охлаждения указанных продуктов горения ранее расширения указанных продуктов горения в турбинной секции газовой турбины; и подачу остальной порции указанного сжатого воздуха из компрессорной секции газовой турбины непосредственно в первый реактор процесса. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная остальная порции сжатого воздуха составляет ориентировочно от 30 до 40% полного объема указанного воздуха, сжатого в компрессорной секции газовой турбины. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная хвостовая фракция газа, полученного в процессе конверсии, содержит метан, оксид углерода, диоксид углерода, водород и азот. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что он предусматривает рекуперацию теплоты из указанных продуктов горения после их пропускания через указанную турбинную секцию газовой турбины. 5. Способ конверсии по Фишеру-Тропшу исходного газообразного углеводорода в жидкий углеводород, который включает в себя следующие операции: сжатие технологического воздуха для использования при протекании процесса; перемешивание указанного сжатого технологического воздуха с паром для образования смеси технологический воздух/ пар; перемешивание смеси сжатого технологического воздуха/ пара с исходным газообразным углеводородом в присутствии катализатора для получения синтез-газа, содержащего оксид углерода и водород; рекуперацию теплоты из указанного синтез-газа для использования при протекании процесса; пропускание указанного синтез-газа после проведения рекуперации теплоты над катализатором в реакторе для осуществления конверсии,по меньшей мере, части указанного синтез-газа в жидкий углеводород; и рекуперацию теплоты из указанного реактора в процессе конверсии синтез-газа в жидкий углеводород для использования при протекании процесса; отличающийся тем, что производят отделение не конвертированного синтез-газа от указанного жидкого углеводорода для создания хвостовой фракции газа, предназначенной для использования при протекании процесса конверсии. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что он предусматривает перемешивание пара с исходным газообразным углеводородом ранее перемешивания этого газообразного углеводорода с указанной смесью технологический воздух/пар, причем пар, который перемешивают как со сжатым технологическим воздухом, так и с исходным газообразным углеводородом, получают за счет использования теплоты, рекуперированной из указанного синтез-газа. 7. Способ по п.5, отличающийся тем, что указанный технологический воздух сжимают в компрессорном блоке, в качестве топлива которого используют хвостовую фракцию газа, полученную при протекании процесса конверсии. 8. Способ по п.5, отличающийся тем, что он предусматривает осуществление нагревания как смеси технологический воздух/пар, так и смеси исходный газ/пар ранее их совместного перемешивания для образования синтез-газа, за счет пропускания обеих указанных смесей через подогреватель, в качестве топлива которого используют хвостовую фракцию газа, полученную при протекании процесса конверсии. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что он предусматривает расширение, по меньшей мере, одной порции хвостовой фракции газа при помощи турбины для рекуперации из нее механической энергии.