二氧化碳缓冲容器工艺设计的制作方法

二氧化碳缓冲容器工艺设计


背景技术：

1.天然气可以转化成合成气(synthesis gas)、或合成气(syngas)，其是一氧化碳和氢气的混合物。然后可以将合成气转化成有价值的化学品、或液体合成燃料(synthetic fuel)或“合成燃料(synfuel)”。合成燃料具有比天然气更小的每单位质量的体积(即具有更大的密度)。因此，运输合成燃料比运输相应量的天然气更经济。
2.将天然气转化成合成气的一种主要方法是重整器。如果产物合成气具有更低的氢气与一氧化碳比率，则重整器需要输入二氧化碳或者具有利用过量氢气的装置。重整器可以是蒸汽甲烷重整器(smr)、部分氧化重整器(pox)、自动热重整器(atr)、或这些重整器的组合。
3.一氧化碳，重整器的主要产物之一，可以用于许多下游化学和石油化工工艺中。这些方法在其所需的氢气与一氧化碳的比率上不同，但如以上所提及的，2:1或更低的比率是非常常见的。另一方面，作为实例，在smr中，通过天然气进料和仅来自工艺气体的全部二氧化碳再循环，可获得的最低氢气与一氧化碳比率是约3。因此，典型地产生远远超过所需的氢气。有时氢气可以用作重整器本身的补充燃料。然而，任何剩余部分必须被输出，典型地仅在燃料值处。对该过量氢气增值(valorizing)的潜在要求引入了限制。另外，使用增值材料诸如氢气以替代容易获得的燃料典型地不是最经济的选择。
4.如以上所提及的，将二氧化碳注入smr的烃进料中改变了反应并且有效地降低了所需方向上的氢气与一氧化碳比率。除了使从合成气中分离的二氧化碳再循环之外，额外的二氧化碳可以从smr烟道气中获得，或者可以将额外的二氧化碳输入装置中。
5.获得合适的氢气与一氧化碳比率取决于所输入的二氧化碳的稳定流速，在工业中存在对反应以减少或完全中断该二氧化碳流的系统的需要。
6.发明概述
7.一种在失常条件期间维持合成气组成比的方法，其包括用二氧化碳输入流流量传感器检测输入二氧化碳流速的降低，在控制器中评估二氧化碳流速或二氧化碳压力的降低，按照控制器的指示执行一个或多个预定校正动作。其中该预定校正动作选自以下项：打开co2输入流流量阀、打开烃和蒸汽流进料阀、打开co2备用流控制阀、打开合成气备用下泄阀、以及启动组成调节单元。
附图说明
8.为了进一步理解本发明的本质和目的，应结合附图来参考以下详细说明，在附图中类似的元件被赋予相同或类似的附图标记，并且其中：
[0009]-图1是根据本发明的一个实施例的基本整体系统的示意图。
[0010]-图2是根据本发明的一个实施例的控制器和到各种控制阀的控制管线的示意图。
[0011]-图3是根据本发明的一个实施例的从各种传感器到控制器的控制管线的示意图。
[0012]
元件编号
[0013]
101＝烃和蒸汽源
[0014]
102＝co2源(输入)
[0015]
103＝co2缓冲罐
[0016]
104＝合成气反应器
[0017]
105＝组成调节单元
[0018]
106＝合成气缓冲罐
[0019]
107＝合成气终端用户
[0020]
108＝控制器
[0021]
201＝烃和蒸汽流进料阀
[0022]
202＝co2输入流流量/压力控制阀
[0023]
203＝co2备用流下泄/控制阀
[0024]
204＝合成气流量控制阀
[0025]
205＝合成气旁通控制阀
[0026]
206＝合成气备用下泄阀
[0027]
301＝co2输入流流量传感器
[0028]
302＝co2输入流压力传感器
[0029]
303＝co2备用流流量传感器
[0030]
304＝烃和蒸汽进料流流量传感器
[0031]
305＝粗合成气流量传感器(到组成调节单元)
[0032]
306＝粗合成气流量传感器(组成调节单元旁通管线)
[0033]
307＝合成气备用流流量传感器
[0034]
308＝合成气流量传感器(到合成气终端用户)
[0035]
309＝第一合成气组成分析仪
[0036]
310＝第二合成气组成分析仪
[0037]
311＝co压力传感器
[0038]
312＝合成气压力传感器
具体实施方式
[0039]
转到图1-3，呈现了用于对进入smr装置的输入二氧化碳的部分或完全中断作出反应的系统。图1示出了基本整体系统。图2示出了控制器和到各种控制阀的控制管线。图3示出了从各种传感器到控制器的控制管线。
[0040]
在正常操作期间，将来自源101的烃和蒸汽以及来自源102的co2引入系统中。在正常操作期间，应当没有来自co2缓冲罐103或合成气缓冲罐106的流量。然而，取决于从co2源102接收的输入流的一致性，即使在正常操作条件期间，控制器108也可以使用来自co2缓冲罐103的co2以维持co2的一致流速。
[0041]
在正常操作期间，关闭co2备用流下泄/控制阀203和合成气备用下泄阀206。co2输入流流量传感器301和co2输入流压力传感器302与控制器108通信，并调节烃和蒸汽流进料阀201和co2输入流流量/压力控制阀202以根据需要调节比率。
[0042]
然后将烃和蒸汽流以及co2输入流引入合成气反应器104中，在该反应器中这些进料流被转化成合成气。在正常操作期间，合成气流量控制阀204将被关闭并且组成调节单元
105将不活动。因此，合成气旁通阀205将被打开并且合成气将绕过组成调节单元105。然后合成气将离开系统并进入合成气终端用途107。
[0043]
在失常条件期间，当来自源102的co2的流量降低时，在本发明的一个实施例中，co2输入流流量传感器301将该流量通信至控制器108，该控制器将打开co2输入流流量/压力控制阀202以试图维持期望的比率。如果这不足够，控制器108将开始打开co2备用流下泄/控制阀203。
[0044]
虽然能够使用烃和蒸汽流进料阀201以调节来自源102的降低的co2流速，但其通常导致复杂的反馈调节并且典型地不被实施。理论上，当co2输入流量减少时，碳缺失。这可以通过增加来自源101的烃和蒸汽的流量来增加。在该情况下，将添加来自源101的烃和蒸汽的氢原子，然后应当减少蒸汽组分以进行补偿。在阈值方差降级之后，该流101调节不是有效的，但是它可以是所采取的第一动作。
[0045]
如果这不足够，并且阈值方差继续或恶化，则控制器108可以激活组成调节单元105。控制器108将实时确定何时必须激活组成调节单元105。这可以基于co2缓冲罐103的剩余存量。co2缓冲罐103可以具有实时指示存量的co压力传感器311。当接近预定的最小存量时，控制器108将开始激活组成调节单元105。控制器108确定组成调节单元105所需的启动时间，典型地加上一些余量。作为非限制性实例，组成调节单元105可以是膜系统，其可能需要10分钟或更长时间以完全在线。在此种情况下，装纳在co2缓冲罐103内的存量提供足够的时间以使组成调节单元105在线。
[0046]
如果来自源102的co2的流量的下降超过预定阈值，则控制器108还可以激活组成调节单元105。该预定阈值可以是设计流速下降10％。该预定阈值可以是设计流速下降15％。该预定阈值可以是设计流速下降20％。如果co2生产单元(未示出)向设施发送存在失常的信号，则控制器108还可以激活组成调节单元105。
[0047]
在本发明的另一实施例中，当检测到来自源102的co2的流速降低时，控制器108可以打开合成气备用下泄阀206。如果来自源102的co2的流速的降低继续或仍进一步恶化，则典型地将开始装置关机。
[0048]
如果这不足够，并且阈值方差继续或恶化，则控制器108可以激活组成调节单元105。控制器108将实时确定何时必须激活组成调节单元105。这可以基于合成气缓冲罐106的剩余存量。合成气缓冲罐106可以具有实时指示存量的合成气压力传感器312。当接近预定的最小存量时，控制器108将开始激活组成调节单元105。控制器108确定组成调节单元105所需的启动时间，典型地加上一些余量。作为非限制性实例，组成调节单元105可以是膜系统，其可能需要10分钟或更长时间以完全在线。在此种情况下，装纳在合成气缓冲罐106内的存量提供足够的时间以使组成调节单元105在线。
[0049]
总之，最坏的操作情况是来自co2源102的co2突然且完全损耗。在该情况下，为了维持离开系统的合成气的所期望、或所要求的规格，并且同时获得用于安全调低/关机的时间，典型地至少最初期望在降低的流速下具有符合规格的合成气组成。组成调节单元105被设计成将所生产的合成气的组成维持在所要求的规格。
[0050]
然而，一旦co2输入流流量传感器301指示所输入的co2流速突然降低，控制器108就激活组成调节单元105。同时，随着调节单元105变得在线，合成气旁通阀205逐渐关闭。同时，控制器108立即且快速地将co2输入流流量/压力控制阀202打开至预定位置，以至少部
分地补充来自co2源102的co2流量。
[0051]
所希望的是，在超临界条件下将co2储存在co2缓冲罐103中并将co2维持在临界温度以上几十摄氏度，以确保下泄之后补充的co2呈气相从而避免损坏合成气反应器104。作为实例，可以将储存在co2缓冲罐103中的co2维持在132巴表压和90℃。当co2在使用点降至62巴表压时，由于焦耳-汤普森(joule-thompson)效应，co2温度将降至44℃。然而，该温度仍然高于co2的临界温度，即31.1℃。因此，co2保持呈气相。在另一实例中，如果将co2缓冲罐103维持在132巴表压和40℃，则在降至62巴表压之后，温度将降至24℃，因此变成大约91％液体。该两相流量使得管道设计困难、昂贵且不可能直接进料至反应器。维持co2罐103处于高温以在下泄之后获得气相的优点是避免昂贵且复杂的co2蒸发系统。当co2使用点仅可以接受气相时。将co2缓冲罐103维持在90℃是相对容易实现的，因为存在许多本领域已知的方法，诸如伴热、空间加热器或热交换器。这也是一种经济的解决方案，因为典型地由碳钢制造的co2罐103将不需要任何特殊的设计或更厚的壁，因为碳钢容许强度在90℃不降低。
[0052]
当co2缓冲罐103耗尽时，可以使用补充系统以再填充缓冲罐。该系统(未示出)可以包括压缩机和杂质清除系统。co2源可以来自源102或任何其他合适的co2源。
[0053]
同时，控制器108可以打开烃和蒸汽流进料阀201以增加烃和蒸汽流速，以减缓任何合成气流量和组成波动。控制器108还可以打开合成气备用下泄控制阀206以减缓任何合成气流量波动。
[0054]
控制器108的优化可以取决于项目的要求，诸如最小所需合成气生产流速、合成气组成的最大允许偏差、合成气终端用户107的所需最小安全关机时间。控制器108的优化可以取决于多个单元的选择和设计，诸如组成调节单元105的尺寸和启动速度、co2缓冲罐103的尺寸、合成气缓冲罐106的尺寸、以及合成气反应器104的容量余量。
[0055]
应当理解，由本领域技术人员可在如所附权利要求中所表述的本发明的原则和范围内做出本文已经描述以解释本发明的本质的细节、材料、步骤和零件布置上的许多附加的改变。因此，本发明不旨在限于以上给出的实例中的具体实施例。