用于将气体转化为液体的系统和方法与流程

本发明总体涉及用于将气体转化为液体的系统和方法。更具体地，本发明涉及使用催化部分氧化将天然气转化为液体。

背景技术：
通常使用大规模气至液工艺，将天然气或其它气态烃转化为液体形式，例如较长链烃。使用合成气作为中间体，如在费托(F-T)工艺中，将富含甲烷的气体转化为液体燃料。F-T工艺为将氢气(H2)和一氧化碳(CO)的混合物转化为液体烃的一组化学反应。H2和CO的混合物可通过使天然气经历部分氧化而得到。催化部分氧化(CPO)为在催化剂上，在氧存在下，氧化天然气的这种部分氧化工艺中的一种。在CPO工艺中处理天然气通常得到H2、CO、二氧化碳(CO2)和水。H2和CO可用于随后的F-T工艺。在CPO工艺中，纯氧输入通常用于得到较清洁的(没有氮气稀释)输出，以便在F-T反应中得到从CO到烃的较高碳转化效率。然而，通过从空气分离氧来生产氧通常需要空气分离单元(ASU)，这进一步需要能量的输入。生产用于CPO工艺的氧的额外能量要求以及生产用于F-T工艺的H2和CO的混合物(通常称为合成气的混合物)的显著的资金投入提高由气体生产液体的成本。如上所述，合成气在F-T反应中在催化剂上化学反应，以生产液体烃和其它副产物。然而，由典型的CPO工艺得到的H2与CO比率可能不是用于进行F-T反应的最佳的比率。通常，由部分氧化反应得到的H2与CO比率可能低于F-T反应所需的比率。在进入F-T系统之前，通过使用水煤气变换反应，或者备选地通过进行蒸汽甲烷重整(SMR)代替CPO，可调节H2与CO的比率。水煤气变换反应涉及水与CO反应以生产H2和CO2，因此提高H2与CO比率。在气体进入F-T系统之前，可除去过量的二氧化碳。SMR反应为生产具有较高的H2与CO比率(合成气比率)的合成气的备选方法。在该过程中，甲烷与水反应以生产H2和CO，其中合成气比率为约3.0。该比率高于F-T反应所需的比率。此外，SMR反应为吸热反应。因此，一部分天然气通常被燃烧，以提供用于SMR反应的能量。由于一部分物料被燃烧而不是用于产生H2和CO，SMR反应的总体转化效率不合宜地降低。通常，对外部加热的需求和较高的合成气比率是使用SMR用于气至液转化的两个主要的缺点。期望在F-T工艺中形成液体烃，例如烷烃。然而，通常不期望由F-T反应形成甲烷。F-T工艺通常在约190℃-350℃的温度范围操作。较高的温度导致较快的反应和较高的转化率。然而，较高的温度也有利于甲烷生产。提高F-T反应速率和转化率的另一种方法是通过提高F-T系统内的压力。提高F-T系统内的压力的一般方法包括将合成气在进入F-T系统之前压缩。然而，在进入F-T系统之前加压合成气需要对总体系统更多的能量输入，从而提高气至液转化的成本。因此，需要降低对将气体转化为液体的总体过程的能量输入。不需要用于ASU、用于合成气生产反应和/或用于合成气压缩的能量输入(或大大降低需要的能量输入)的工艺可降低由天然气生产烃液体的总体成本。此外，消除平衡H2与CO比率的步骤可有益于总体过程。

技术实现要素：
简要地，在一个实施方案中，提供了一种系统。所述系统包括催化部分氧化(CPO)系统、费-托(F-T)系统和动力发动机(PE)系统。CPO系统本身通常包括CPO-输入管线和CPO-输出管线。CPO-输入管线与CPO-天然气输入管线、CPO-空气输入管线和CPO-蒸汽输入管线流体连通。F-T系统通常包括F-T-反应器输入管线、F-T-反应器输出管线、F-T水输入管线和F-T蒸汽输出管线。F-T-反应器输入管线通常与CPO-输出管线和F-T-合成气压缩机流体连通。F-T-反应器输出管线通常与F-T-液体输出管线和F-T-气体输出管线流体连通。F-T蒸汽输出管线与CPO-蒸汽输入管线流体连通。PE系统包括PE、PE输入管线和PE-输出管线。PE-输入管线与F-T-气体输出管线流体连通，而PE设置为对F-T-合成气压缩机提供能量。在一个实施方案中，提供了一种方法。所述方法包括如下的步骤：将天然气、空气和蒸汽作为CPO输入进料至CPO系统，通过向CPO系统提供外部热量启动CPO初始反应，进行CPO反应以生产包含合成气和氮气的CPO输出，将至少一部分CPO输出作为费-托(F-T)反应器输入进料至F-T系统；将水作为输入进料至F-T系统；在F-T系统中进行F-T反应以生产F-T蒸汽输出以及包含F-T液体和F-T气体的F-T反应器输出；将F-T气体作为输入进料至动力发动机(PE)；和将至少一部分F-T蒸汽作为进料供应至CPO系统。附图说明当参考附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中，在整个附图中，相同的符号代表相同的部件，其中：图1说明根据本发明的一个实施方案的用于将气体转化为液体的系统；和图2说明根据本发明的一个实施方案的费-托(F-T)反应器。附图标记10-系统20-CPO系统22-CPO反应器24-CPO-输入管线26-CPO-输出管线28-CPO-天然气输入管线30-CPO-空气输入管线32-CPO-蒸汽输入管线34-CPO输出管线和CPO-天然气输入管线之间的换热器36-CPO输出管线和CPO-空气输入管线之间的换热器38-CPO输出管线和CPO-蒸汽输入管线之间的换热器40-加热的天然气输入管线42-加热的空气输入管线44-加热的蒸汽输入管线46-CPO天然气压缩机48-CPO空气压缩机60-F-T系统62-F-T反应器64-F-T反应器输入管线66-F-T反应器输出管线68-F-T水输入管线70-F-T蒸汽输出管线72-F-T合成气压缩机74-气-液分离器76-F-T液体输出管线80-F-T气体输出管线86-合成气冷凝器88-水纯化器100-动力发动机系统102-动力发动机输入管线104-动力发动机输出管线106-动力发动机。具体实施方案以下描述本发明的一个或多个具体的实施方案。试图提供这些实施方案的简明描述，可能不会在说明书中描述实际执行的所有特征。应理解的是，在任何这些实际执行的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须进行众多执行-特定的决定以实现开发者的具体的目标，例如依从系统-相关的和业务-相关的约束，这些约束从一个执行到另一个执行可能不同。此外，应理解的是，这样的开发努力可能复杂并且耗时，然而，对于受益于本公开的普通技术人员，将是设计、制作和制造的常规任务。除非上下文另外说明，否则在以下说明书和权利要求书中，单数形式“一个”、“一”和“该”包括复数对象。本发明的实施方案提供了用于将气体转化为液体的系统和方法。具体地，该系统将天然气转化为烃液体。按照本发明的实施方案的转化过程包括来自催化部分氧化(CPO)反应的合成气(H2和CO的混合物)生产，和在费托(F-T)系统中加工合成气以生产烃液体。此外，使用F-T反应热量，F-T系统将水转化为蒸汽。可将蒸汽进料至CPO系统。可将烃液体从F-T系统产物分离，并且可将F-T系统产物的气体进料至动力发动机(PE)，以生产能量。图1示意性表示按照本发明的一个实施方案的系统。在图1中，用于将气体转化为液体的系统10包括(用“框线”指示)CPO系统20、F-T系统60和动力发动机(PE)100。CPO系统20包括CPO反应器22、CPO-输入管线24和CPO-输出管线26。CPO-输入管线与CPO-天然气输入管线28、CPO-空气输入管线30和CPO-蒸汽输入管线32流体连通(该术语如以下限定)。F-T系统60包括F-T反应器62、F-T-反应器输入管线64、F-T-反应器输出管线66、F-T水输入管线68和F-T蒸汽输出管线70。F-T-反应器输入管线64与F-T-合成气压缩机72流体连通。CPO系统20的CPO-输出管线26与F-T-合成气压缩机72和F-T-反应器输入管线64流体连通。F-T-反应器输出管线66与F-T产物分离器74、F-T-液体输出管线76和F-T-气体输出管线80流体连通。F-T蒸汽输出管线70与CPO-蒸汽输入管线32流体连通。PE(动力发动机)系统100包括PE106、PE输入管线102和PE-输出管线104。PE-输入管线102与F-T-气体输出管线80流体连通。PE106与F-T-合成气压缩机72连通，例如，通过为F-T-合成气压缩机72提供能量的能量供应导管(在附图中未具体描述)，来压缩合成气。图2示意性表示F-T系统的操作。F-T系统60(图1)的F-T反应器62包括内部反应区域82和外部区域84。F-T反应器输入管线64和F-T反应器输出管线66与F-T反应器62的内部区域82流体连通。F-T水输入管线68和F-T蒸汽输出管线70与F-T反应器的外部区域84流体连通。如前所述，F-T系统60为示意性表示，并且在反应器区域82和/或外部区域84中可包括多个通道。在本发明的一个实施方案中，CPO系统20(图1)还包括三个换热器34、36和38。换热器34例如可与CPO-天然气输入管线28和CPO-输出管线26连通。换热器36与CPO-空气输入管线30和CPO-输出管线26连通。换热器38与CPO-蒸汽输入管线32和CPO-输出管线26连通。换热器34、36和38可交换它们的位置，这取决于CPO系统20的设计。在一些实施方案中，CPO系统20还可包括天然气压缩机46和空气压缩机48。F-T系统60还可包括合成气冷凝器86和水纯化器88。天然气压缩机46可将压缩的天然气递送至CPO反应器22，以进一步提高CPO反应器的效率。类似地，空气压缩机48可压缩空气和将压缩的空气作为输入递送至CPO反应器22。合成气冷凝器86可冷凝来自CPO-输出的水分，并且将至少一部分合成气供应至F-T反应器62。天然气压缩机46和空气压缩机48还可与PE106连通(在图中未显示)。本文使用的术语“与…流体连通”意指不同的系统或系统单元彼此连接，伴随一些流体输入或流体输出。该连通可为直接的或间接(即，经过一些居间单元或区段)的。例如，在一个实施方案中，如图1所示，F-T蒸汽输出管线70与CPO-蒸汽输入管线32直接流体连通而不具有任何居间单元，而CPO-输出管线26通过居间单元(例如F-T合成气压缩机72和合成气冷凝器86)与F-T反应器输入管线64流体连通。“CPO-输出管线26与F-T反应器输入管线64流体连通”是指F-T反应器输入管线64接受来自CPO-输出管线26的合成气。本文使用的术语“与…连通”意指不同的系统或系统单元彼此连接，伴随一些输入或输出。该连通可为直接的或间接(即，经过一些居间单元或区段)的。此外，本文使用的“输入”和“输出”包括任何流体、热量或能量的通行。例如，“PE106与F-T-合成气压缩机72连通”意指PE106供应能量，用于在合成气压缩机72中压缩合成气。类似地，如图2所示，F-T反应器内部区域82和F-T反应器外部区域84可通过传热彼此连通。在一个实施方案中，提供了一种使用系统10将天然气转化为液体的方法。所述方法包括将天然气与空气和蒸汽一起提供到CPO反应器22。本文使用的空气可为天然空气或富氧的空气。在一个实施方案中，空气中氧的百分比小于约25体积%。在一个实施方案中，空气中氧的百分比在约18体积%-约22体积%范围。在一些实施方案中，在空气和天然气的合并输入中，氧与碳的比率可控制在约0.5-约1.5范围。在一个实施方案中，氧与碳的比率在约1-约1.4范围。在一些实施方案中，优选该范围为约1-约1.4，因为这看起来提供增强的效率。在如本文描述的那些系统中空气的使用与包括CPO反应器的常规系统(例如，用于将气体转化为液体)意外地形成对照。在常规系统中，使用空气通常认为是不期望的。一个原因涉及空气中其它组分例如氮气的存在，其稀释由CPO反应得到的所期望的合成气。然而，在本发明的实施方案中，使用空气是可接受的，并且在一些情况下，可能是非常期望的特性，如本文描述的。经稀释的合成气可转化为与氮气混合的轻质和重质烃的混合物。可将液体分离，将轻质烃和氮气留在气相中。如图1所示，例如，来自F-T气体输出管线80的气体可用作向PE系统100的输入，以产生能量。在一个实施方案中，如图1所示，在F-T过程实质完成之后，在分离器74中进行副产物(即，轻质烃和氮气)气体与液体的分离。分离器74为设置用于冷却离开F-T反应器的产物的设备。降低的温度引起较重的烃冷凝和分离出，将氮气和轻质烃(例如甲烷)留在气相中。可将来自分离器的这些气体作为输入进料至PE系统100。如上所述，由一些常规的基于CPO的工艺生产的合成气的特征在于比F-T过程所需更低的合成气比率。在本发明的一个实施方案中，用于CPO反应器22的合成气比率(H2与CO比率)应为约2，例如，在其中F-T系统60采用钴-催化剂的那些情况下。本文使用的“约2”比率是指大于1.95并且小于2.25的值。不同的技术可用于调节合成气比率至期望的值。通常，通过控制两个主要参数，例如氧与碳比率和蒸汽与碳比率，可控制合成气比率。取决于对于F-T反应器期望的合成气比率，空气(其包括氧)、蒸汽和天然气的量可相对于彼此进行控制，以实现期望的氧与碳比率和蒸汽与碳比率。例如，并且参考图1，通过将蒸汽通过CPO-蒸汽输入管线32引向CPO反应器22，可调节CPO反应器22的合成气比率。蒸汽可充当另外的氢气源来调节合成气比率。在一个实施方案中，CPO输入的蒸汽与碳比率(在CPO-输入管线24中)在约0.3-约1.5范围。在又一实施方案中，在CPO-输入管线24中蒸汽与碳比率在约0.5-约1范围。(在一些优选的实施方案中，在合成气中氢气与一氧化碳的期望的比率在约1-约3范围)。在一个实施方案中，将CPO反应器22的至少一部分气态输出供应至F-T系统60。系统60提供气体在催化剂之上的反应，以将合成气转化为烃液体。F-T系统可使用不同的催化剂，例如基于钴、铁或钌的那些。在一个实施方案中，F-T系统所用的催化剂为钴催化剂。在F-T反应器内部区域82(图2)中发生的催化反应为放热的，因此散发热量。将水——其可在纯化器88(图1，并且使用瞄准88的箭头简单地描述)中纯化——供应至F-T反应器62的外部区域84(图2)。在内部区域82中的F-T过程的热量输出加热在外部区域84中的水，并且将水转化为蒸汽。在一个实施方案中，来自F-T系统60的蒸汽输出作为蒸汽输入通向CPO反应器22。在一个实施方案中，离开F-T反应器62的蒸汽在约100℃-约350℃温度范围。通常期望事先加热向CPO反应器22的输入组分，以提高系统的总体效率。然而，CPO反应本身为放热的，因此释放热量。释放的热量被CPO输出携带，通过CPO-输出管线通向F-T输入管线64。在一个实施方案中，F-T反应器需要合成气输入处于低于CPO-输出的温度。因此，在一个实施方案中，CPO系统20包括一个或多个换热器34、36和38(如以上简要描述的)，它们设置以从CPO输出带出热量。例如，如图1所示，在换热器34处，CPO输出与向CPO反应器22的天然气输入交换热量，从而经由管线40将加热的天然气输入提供至CPO-输入管线24。类似地，将通过在换热器36处与CPO输出热交换而加热的空气输入通过输入管线引向CPO-输入管线24。此外，蒸汽输入在它通过输入管线44输送至CPO-输入管线24时，由在换热器38处与CPO输出热交换而加热。在与CPO输入一起经过换热器之后，CPO输出变得较冷。冷却的CPO输出(包括合成气)可在冷凝器86(如以上提及的)中进一步冷却，以除去水分。气体可随后在合成气压缩机74中压缩至相对于CPO输出压力较高的压力。在一个实施方案中，将冷却的CPO输出压缩至在约5个大气压-约60个大气压范围的压力。在F-T反应器62中，合成气在催化剂存在下反应，并且得到F-T反应器产物，将F-T反应器产物引到F-T反应器输出管线66中。在一个实施方案中，产物为气体和液体的混合物。在分离器74中从产物液体分离出气体。分离器74可为任何种类的气-液分离装置。分离后，将产物-液体引导通过F-T液体输出管线76，并且将产物气体引到F-T气体输出管线80中。由于在氧化反应中将空气(而不是氧)供应至CPO系统22，除了其它气态产物，来自F-T反应器的产物气体将包括氮气。在一个实施方案中，在F-T反应器产物气体中，氮气含量大于约20体积%。如前面描述的，在一个实施方案中，通过PE输入管线102，将在与F-T反应器液体产物分离之后得到的气态产物作为输入引向PE106。动力发动机106可为任何种类的可使用气态输入作为燃料的动力产生单元。在一个实施方案中，PE106为往复式发动机，例如颜巴赫(Jenbacher)发动机。PE106通常产生电能。PE106的电能可通过PE输出管线104取出，并且对合适的能量需求供应。在一个实施方案中，CPO反应为放热反应。然而，通常期望可提供一些外部热量来引发CPO过程。在一个实施方案中，通过加热初始输入气体来提供热量。通过将输入气体通到在CPO反应器22中的催化剂之上，可引发CPO反应，用于在低于约400℃的温度下的初始反应。本文使用的“初始反应”为生产加热的CPO输出的第一反应。在一个实施方案中，CPO反应器22内的期望的温度在约275℃-约325℃范围。一旦在CPO反应器22中开始反应(即，在初始启动阶段之后)，CPO反应可在不存在任何外部热量输入下进行，并且这可为期望的系统和过程优点。对于CPO反应，天然气和空气可在大气压下供应，或者以压缩形式供应。天然气压缩机46和空气压缩机48需要能量来操作。类似地，合成气压缩机72需要能量来压缩合成气。合成气可显著压缩，例如，压缩到至少约5个大气压，以提高F-T反应压力。在高压力下进行的F-T过程生产期望的长链烷烃(例如，C5-C20和更高的碳数烃)作为主要的F-T液体产物。在一些实施方案中，PE106与CPO系统20和F-T系统60的集成提供压缩机和其它辅助设备(例如检测仪表和控制设备)所需的能量输入。因此，在一些实施方案中，用于将气体转化为液体的系统10成为自维持的(self-sustainable)，无需任何进一步的外部能量输入，即，除了初始CPO反应所需的热量之外。由以上讨论将清楚的是，本发明的另一个实施方案涉及一种系统，所述系统包含：a)催化部分氧化(CPO)系统，其设置以在CPO反应中将天然气、空气和蒸汽转化为合成气；b)费-托(F-T)系统，其与CPO系统连通，并且设置以接受来自CPO系统的至少一部分合成气，和生产蒸汽产物以及F-T液体和气体；其中所述F-T系统包含用于压缩合成气的压缩机；并且还包含导管(例如，任何类型的连接件或通路)，其设置以将至少一部分蒸汽产物引向CPO系统，用于进行CPO反应；和c)动力发动机，其与F-T系统连通，并且至少部分由F-T液体或气体供应燃料，并且设置以将能量供应至合成气压缩机。虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此，应理解的是，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真实精神内的所有这些修改和变化。