DE102015116021A1 - Process for the production of synthesis gas with autothermal reforming and membrane stage for the provision of oxygen-enriched air - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas mit autothermer Reformierung und Membranstufe zur Bereitstellung von sauerstoffangereicherter Luft.The invention relates to a process for the production of synthesis gas with autothermal reforming and membrane stage for the provision of oxygen-enriched air.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas mit autothermer Reformierung und Membranstufe zur Bereitstellung von sauerstoffangereicherter Luft.The invention relates to a process for the production of synthesis gas with autothermal reforming and membrane stage for the provision of oxygen-enriched air.

Die Synthesegasherstellung aus Erdgas für die großtechnische Produktion von Ammoniak basiert heute weitgehend auf dem zweistufigen Reformierungsverfahren mit einem extern beheizten Steam-Reformer als primärem Reformer und einem mit komprimierter Luft als Oxidationsmittel betriebenen Sekundärreformer.The synthesis gas production from natural gas for the large-scale production of ammonia is based today largely on the two-stage reforming process with an externally heated steam reformer as a primary reformer and operated with compressed air as an oxidant secondary reformer.

Aufgrund seiner Komplexität und der großen spezifischen Beanspruchung wesentlicher Teile ist der Steam-Reformer aber eine sehr teure Komponente und hat einen vergleichsweise großen Anteil an den gesamten Errichtungskosten einer Ammoniaksynthese-Anlage. Im Prinzip ist ein Steam-Reformer eine Parallelschaltung einer großen Zahl einzelner Rohrreaktoren, deren individuelle Kapazität sich nicht mehr wesentlich steigern lässt. Die Kapazität eines Steam-Reformers ist daher eng mit einer definierten Anzahl Rohrreaktoren verbunden und eine Steigerung ist im Wesentlichen nur durch Vergrößerung der Rohrzahl möglich.However, due to its complexity and the large specific stress on essential parts, the steam reformer is a very expensive component and has a comparatively large proportion of the total construction costs of an ammonia synthesis plant. In principle, a steam reformer is a parallel connection of a large number of individual tube reactors whose individual capacity can not be significantly increased. The capacity of a steam reformer is therefore closely associated with a defined number of tube reactors and an increase is essentially possible only by increasing the number of tubes.

Nahezu sämtliche, für die Realisierung eines Steam-Reformers erforderlichen Komponenten sind an die Zahl der parallel geschalteten Rohrreaktoren gekoppelt. Die Errichtungskosten eines Steam-Reformers sind deshalb weitgehend proportional zur Kapazität der Gesamtanlage. Durch diesen Zusammenhang wird die im allgemeinen mit wachsender Kapazität einhergehende Degression der spezifischen Errichtungskosten für auf dem konventionellen Prozesskonzept basierender Ammoniaksynthese-Anlagen gemindert.Almost all of the components required for the realization of a steam reformer are coupled to the number of tube reactors connected in parallel. The construction costs of a steam reformer are therefore largely proportional to the capacity of the entire system. This relationship reduces the overall degression associated with increasing capacity of the specific construction costs for ammonia synthesis plants based on the conventional process concept.

Eine prozesstechnische Alternative zum Steam-Reformer mit externer Wärmezufuhr ist der sogenannte autotherme Reformer (ATR). Bei diesem Reformer erfolgt die Wärmezufuhr intern durch Teiloxidation des zu reformierenden Prozessgases. Im Wesentlichen ist ein ATR eine ausgemauerte Brennkammer mit nachgeschaltetem Katalysatorbett. Dementsprechend liegen die Herstellkosten um mehr als eine Größenordnung unter denen eines vergleichbaren Steam-Reformers.A process-technical alternative to the steam reformer with external heat supply is the so-called autothermal reformer (ATR). In this reformer, the heat is supplied internally by partial oxidation of the process gas to be reformed. Essentially, an ATR is a bricked combustor with a downstream catalyst bed. Accordingly, the manufacturing costs are more than an order of magnitude lower than those of a comparable steam reformer.

ATR-basierte Anlagen weisen prinzipiell bessere Voraussetzungen für weitere Steigerungen der Anlagenkapazitäten auf. Ein wesentlicher Faktor ist das Druckniveau in der Synthesegas-Erzeugung. Moderne Ammoniak-Anlagen auf Basis des Steam-Reformers arbeiten in diesem Bereich mit bis zu 45 bara. In Bezug auf die Verringerung der Volumenströme und die damit einhergehende Reduzierung der Abmessungen der Apparate und Rohrleitungen in diesem Bereich ist eine Steigerung des Druckes vorteilhaft. Der höhere Vordruck sorgt für eine Entlastung des Synthesegasverdichters. Dies hat besondere Bedeutung, weil die verfügbaren Synthesegasverdichter bei den heutigen Anlagenkapazitäten begrenzende Komponenten darstellen. Für weitere Steigerungen der Anlagenkapazitäten sind in der Regel spezielle Maßnahmen, insbesondere sehr niedrige Eintrittstemperaturen erforderlich, die zusätzlichen technischen Aufwand bedingen. Mit dem herkömmlichen Verfahren der zweistufigen Reformierung sind einer Anhebung des Drucks jedoch relativ enge Grenzen gesetzt, weil die Rohre im Steam-Reformer bereits an der durch Druck und Temperatur definierten Belastungsgrenze arbeiten.In principle, ATR-based systems have better conditions for further increases in plant capacities. An important factor is the pressure level in synthesis gas production. Modern ammonia plants based on the steam reformer work in this area with up to 45 bara. In terms of reducing the volume flow and the concomitant reduction in the dimensions of the apparatus and piping in this area, an increase in pressure is advantageous. The higher admission pressure relieves the syngas compressor. This is of particular importance because the available synthesis gas compressors are limiting components in today's plant capacities. For further increases in plant capacities, special measures, in particular very low inlet temperatures, are generally required, which require additional technical effort. With the conventional method of two-stage reforming, however, an increase in pressure is set relatively narrow limits, because the pipes in the steam reformer already operate at the pressure limit defined by pressure and temperature.

Ein Nachteil des autothermen Reformierens ist, dass eine größere Menge an Sauerstoff in den autothermen Reformer gegeben werden muss. Wird diese größere Menge Sauerstoff nur in Form von Prozessluft zugegeben, muss der überschüssige Stickstoff wieder entfernt werden. Es ist auch möglich, die Prozessluft mit Sauerstoff anzureichern. Dies erfordert dann aber die Errichtung einer Luftzerlegungsanlage.A disadvantage of autothermal reforming is that a larger amount of oxygen must be added to the autothermal reformer. If this larger amount of oxygen is added only in the form of process air, the excess nitrogen must be removed again. It is also possible to enrich the process air with oxygen. However, this then requires the construction of an air separation plant.

Bei den für die Luftzerlegung bzw. die Abtrennung des überschüssigen Stickstoffs üblicherweise eingesetzten Verfahren werden aber im Wesentlichen Ausrüstungen eingesetzt, die eine ausgeprägte Kostendegression mit wachsender Kapazität aufweisen. Anlagenkonzepte auf Basis des rein autothermen Reformierens haben damit grundsätzlich die Voraussetzung, mit wachsender Kapazität Kostenvorteile gegenüber Anlagen auf Basis des konventionellen zweistufigen Reformierens zu entwickeln.However, in the processes usually used for the separation of air or the separation of the excess nitrogen, equipment is used which has a pronounced cost degression with increasing capacity. System concepts based on purely autothermal reforming thus basically have the prerequisite of developing cost advantages over systems based on conventional two-stage reforming with increasing capacity.

Aufgrund dieser Gegebenheiten nähern sich die Errichtungskosten von Ammoniaksynthese-Anlagen auf Basis des Steam-Reformierens denen von Anlagen auf ATR-Basis an. Kostengleichheit wird nach derzeitigem Kenntnisstand aber erst bei einer Anlagenkapazität von etwa 4.000 tato Ammoniak erwartet.Due to these circumstances, the construction costs of ammonia synthesis plants based on steam reforming approach those of ATR-based plants. According to the current state of knowledge, cost equalization is only expected with a plant capacity of about 4,000 tpd ammonia.

Zur Herstellung eines Synthesegases mit dem erforderlichen stöchiometrischen Verhältnis von Wasserstoff zu Stickstoff reicht ein Sauerstoffgehalt von rund 50 Vol.-% im Oxidator des ATR aus. Die hohen Reinheiten des Sauerstoffes, die eine Luftzerlegungsanlage bereitstellen kann, sind also nicht erforderlich und verursachen nur unnötigen apparativen Aufwand und zusätzliche Kosten. Häufig ist eine sinnvolle Verwendung des bei der Luftzerlegung anfallenden Stickstoffes nicht möglich. Es ist also notwendig, andere Verfahren zur Sauerstoffanreicherung zu finden, um die ATR-Technologie auch für kleinere Ammoniakanlagen wirtschaftlich darstellen zu können.To produce a synthesis gas with the required stoichiometric ratio of hydrogen to nitrogen, an oxygen content of about 50% by volume in the oxidant of the ATR is sufficient. The high purities of oxygen that can provide an air separation plant, so are not required and only cause unnecessary expenditure on equipment and additional costs. Frequently, a meaningful use of the resulting in the air separation nitrogen is not possible. It is therefore necessary to find other methods of oxygenation in order to economically represent the ATR technology for smaller ammonia plants.

DE 10 2013 202 713 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Herstellung von kostengünstiger, mit Sauerstoff angereicherter Luft, die eingesetzt werden kann zum Umwandeln von kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien wie Erdgas, Benzin, Schweröl und festen kohlenstoffhaltigen Materialien wie Kohle in ein Rohsynthesegas mit einem erheblichen Anteil an Stickstoff. DE 10 2013 202 713 A1 discloses a method and apparatus for the production of low-cost, oxygen-enriched air which can be used to convert carbonaceous feedstocks such as natural gas, gasoline, heavy oil and solid carbonaceous materials such as coal into a raw synthesis gas containing a substantial amount of nitrogen.

DE 696 23 536 T2 betrifft die Gewinnung von Sauerstoff durch Hochtemperatur-Ionentransportmembranen und insbesondere das Einführen von Wasser in Verfahren, die solche Membranen verwenden, wodurch die Sauerstoffgewinnung und die Wärmeausnutzung verbessert wird. DE 696 23 536 T2 relates to the recovery of oxygen by high temperature ion transport membranes, and more particularly to the introduction of water into processes utilizing such membranes, thereby improving oxygen recovery and heat utilization.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Bereitstellung von sauerstoffangereicherter Luft sind jedoch nicht in jeder Hinsicht zufriedenstellend und es besteht ein Bedarf an verbesserten Verfahren und Vorrichtungen.However, the methods and apparatus known in the art for providing oxygen-enriched air are not fully satisfactory and there is a need for improved methods and apparatus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen zur Bereitstellung von sauerstoffangereicherter Luft für die Herstellung von Synthesegas in einem Reformer bereitzustellen, welche Vorteile gegenüber den Verfahren des Standes der Technik aufweisen.It is an object of the present invention to provide methods and apparatus for providing oxygen-enriched air for the production of synthesis gas in a reformer, which have advantages over the prior art methods.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Patentansprüche und der Beschreibung gelöst.This object is solved by the subject matter of the claims and the description.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Synthesegases, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

  • (a) Bereitstellen eines Gasstroms, welcher Luft umfasst;
  • (b) Komprimieren des Gasstroms;
  • (c) Aufteilen des Gasstroms in einen ersten Teilstrom (T1) und einen zweiten Teilstrom (T2);
  • (d) Überleiten des ersten Teilstroms (T1) über die erste Seite einer für Sauerstoff und/oder Sauerstoff-Ionen durchlässigen Membran unter Bildung eines Permeatstroms, welcher den durch die Membran diffundierten Sauerstoff umfasst, und eines sauerstoffabgereicherten Retentatstroms, welcher von der Membran zurückgehalten wird;
  • (e) Überleiten des zweiten Teilstroms (T2) über die zweite Seite der Membran;
  • (f) Vereinen des zweiten Teilstroms (T2) und des Permeatstroms unter Bildung eines Teilstroms (T3);
  • (g) Einleiten des Teilstroms (T3) in einen Reformer;
  • (h) Einleiten einer kohlenwasserstoffhaltigen Zusammensetzung in den Reformer;
  • (i) Umsetzen des Teilstroms (T3) mit der kohlenwasserstoffhaltigen Zusammensetzung unter Bildung eines Synthesegases.
A first aspect of the invention relates to a method for producing a synthesis gas, the method comprising the following steps:
  • (a) providing a gas stream comprising air;
  • (b) compressing the gas stream;
  • (c) dividing the gas stream into a first substream (T 1 ) and a second substream (T 2 );
  • (d) passing the first substream (T 1 ) across the first side of an oxygen and / or oxygen ion permeable membrane to form a permeate stream comprising the oxygen diffused through the membrane and an oxygen depleted retentate stream which is retained by the membrane becomes;
  • (e) passing the second partial stream (T 2 ) over the second side of the membrane;
  • (f) combining the second substream (T 2 ) and the permeate stream to form a substream (T 3 );
  • (g) introducing the substream (T 3 ) into a reformer;
  • (h) introducing a hydrocarbonaceous composition into the reformer;
  • (i) reacting the substream (T 3 ) with the hydrocarbon-containing composition to form a synthesis gas.

Synthesegas bezeichnet ein Gasgemisch, das zu einer Synthese eingesetzt wird, beispielsweise ein Gasgemisch, welches Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Synthesegas zur Synthese von Ammoniak eingesetzt. Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Synthesegas dazu Stickstoff.Synthesis gas refers to a gas mixture used for a synthesis, for example, a gas mixture comprising hydrogen and carbon monoxide. In a preferred embodiment, the synthesis gas according to the invention is used for the synthesis of ammonia. The synthesis gas according to the invention preferably comprises nitrogen for this purpose.

In Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt ein Gasstrom bereitgestellt, welcher Luft umfasst. Bevorzugt wird der Gasstrom kontinuierlich, er kann aber auch zeitweise bereitgestellt werden. Bevorzugt umfasst der Gasstrom Luft, er kann aber auch weitere, bevorzugt für das Verfahren inerte Bestandteile umfassen. Bevorzugt liegt der Sauerstoffgehalt des bereitgestellten Gasstroms im Bereich von 18 bis 22 Vol.-%.In step (a) of the method according to the invention, a gas stream is preferably provided which comprises air. Preferably, the gas stream is continuous, but it can also be provided temporarily. Preferably, the gas stream comprises air, but it may also comprise further, preferably inert for the process constituents. Preferably, the oxygen content of the provided gas stream is in the range of 18 to 22% by volume.

In Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Gasstrom bevorzugt komprimiert. Zum Komprimieren des Gasstroms können alle einem Fachmann bekannten Methoden und Vorrichtungen, welche zum Komprimieren eines Gasstroms geeignet sind, verwendet werden. Bevorzugt wird zum Komprimieren des Gasstroms mindestens ein, bevorzugter zwei oder mehrere Luftverdichter verwendet.In step (b) of the process according to the invention, the gas stream is preferably compressed. For compressing the gas stream, all methods and apparatuses known to a person skilled in the art, which are suitable for compressing a gas stream, can be used. Preferably, at least one, more preferably two or more, air compressors are used to compress the gas stream.

Bevorzugt wird der Gasstrom in einem ersten Luftverdichter so komprimiert, dass der Gasstrom nach dem Komprimieren einen Druck von mindestens 4 bara aufweist, bevorzugter mindestens 8 bara, mindestens 12 bara, mindestens 16 bara, mindestens 20 bara, mindestens 24 bara, mindestens 28 bara, mindestens 32 bara, mindestens 36 bara oder mindestens 40 bara. Bevorzugt wird der Gasstrom in einem externen Luftverdichter, bevorzugt vierstufig komprimiert. Bevorzugt wird der Gasstrom auf einen Druck komprimiert, welcher oberhalb des Drucks liegt, welcher üblicherweise innerhalb eines Reformers liegt.Preferably, the gas stream is compressed in a first air compressor such that the gas stream after compression has a pressure of at least 4 bara, more preferably at least 8 bara, at least 12 bara, at least 16 bara, at least 20 bara, at least 24 bara, at least 28 bara, at least 32 bara, at least 36 bara or at least 40 bara. The gas stream is preferably compressed in an external air compressor, preferably in four stages. Preferably, the gas stream is compressed to a pressure which is above the pressure which is usually within a reformer.

In Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Gasstrom bevorzugt in einen ersten Teilstrom (T1) und einen zweiten Teilstrom (T2) aufgeteilt. Das Aufteilen des Gasstroms kann über alle einem Fachmann bekannten Verfahren und Vorrichtungen erfolgen. Bevorzugt liegt das Massenverhältnis von erstem zu zweitem Teilstrom im Bereich von 100:1 bis 1:100, bevorzugter im Bereich von 80:1 bis 1:80, noch bevorzugter im Bereich von 60:1 bis 1:60, am bevorzugtesten im Bereich von 40:1 bis 1:40 und insbesondere im Bereich von 20:1 bis 1:20. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform liegt das Massenverhältnis von erstem Teilstrom zu zweitem Teilstrom im Bereich von 1:1 bis 100:1, bevorzugter im Bereich von 20:1 bis 100:1, noch bevorzugter im Bereich von 40:1 bis 100:1, am bevorzugtesten im Bereich von 60:1 bis 100:1 und insbesondere im Bereich von 80:1 bis 100:1.In step (c) of the process according to the invention, the gas stream is preferably divided into a first partial stream (T 1 ) and a second partial stream (T 2 ). The splitting of the gas stream can be carried out via all methods and devices known to a person skilled in the art. Preferably, the mass ratio of first to second substream is in the range of 100: 1 to 1: 100, more preferably in the range of 80: 1 to 1:80, even more preferably in the range of 60: 1 to 1:60, most preferably in the range of 40: 1 to 1:40 and especially in the range of 20: 1 to 1:20. In another preferred embodiment, the mass ratio of the first substream to the second substream is in the range of 1: 1 to 100: 1, more preferably in the range of 20: 1 to 100: 1, still more preferably in the range of 40: 1 to 100: 1, most preferably in Range of 60: 1 to 100: 1 and in particular in the range of 80: 1 to 100: 1.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Teilstrom (T1) bevorzugt in einem weiteren Luftverdichter weiter komprimiert. Bevorzugt wird der erste Teilstrom (T1) in dem weiteren Luftverdichter so komprimiert, dass der Gasstrom nach dem Komprimieren einen Druck von mindestens 50 bara aufweist, bevorzugter mindestens 55 bara, mindestens 60 bara, mindestens 65 bara, mindestens 70 bara, mindestens 75 bara, mindestens 80 bara, mindestens 85 bara, mindestens 90 bara, mindestens 95 bara oder mindestens 100 bara.In a preferred embodiment, the partial flow (T 1 ) is preferably further compressed in a further air compressor. Preferably, the first partial flow (T 1 ) is compressed in the further air compressor so that the gas stream after compression has a pressure of at least 50 bara, more preferably at least 55 bara, at least 60 bara, at least 65 bara, at least 70 bara, at least 75 bara , at least 80 bara, at least 85 bara, at least 90 bara, at least 95 bara or at least 100 bara.

Bevorzugt wird in Schritt (d) der Teilstrom (T1) über die erste Seite einer für Sauerstoff und/oder Sauerstoff-Ionen durchlässigen Membran geleitet unter Bildung eines Permeatstroms, welcher den durch die Membran diffundierten Sauerstoff umfasst, und eines sauerstoffabgereicherten Retentatstroms, welcher von der Membran zurückgehalten wird.Preferably, in step (d), the substream (T 1 ) is passed over the first side of an oxygen and / or oxygen ion permeable membrane to form a permeate stream comprising the oxygen diffused through the membrane and an oxygen depleted retentate stream derived from the membrane is retained.

Bevorzugt wird in Schritt (e) des erfindungsgemäßen Verfahrens der Teilstroms (T2) über die zweite Seite der Membran geleitet. Als zweite Seite der Membran wird bevorzugt die der ersten Seite gegenüberliegende Seite der Membran bezeichnet.In step (e) of the process according to the invention, the partial stream (T 2 ) is preferably passed over the second side of the membrane. The second side of the membrane is preferably the side of the membrane opposite the first side.

Die Retentatseite der Membran ist dementsprechend die Seite der Membran, auf die der Teilstrom (T1) trifft und auf der der sauerstoffabgereicherte Retentatstrom gebildet wird, die Permeatseite entsprechend die andere Seite der Membran.The retentate side of the membrane is accordingly the side of the membrane on which the partial flow (T 1 ) meets and on which the oxygen-depleted retentate stream is formed, the permeate side corresponding to the other side of the membrane.

Membranen ermöglichen bevorzugt die Trennung von Stoffgemischen, wobei treibende Kräfte für den Transport beispielsweise Drücke, Ladungen oder Temperaturen sind. Geeignete Membranen können dabei porös oder gasdicht sein. Gasdichte Membranen vereinen eine hohe chemische Inertheit mit guten mechanischen Festigkeiten und sind auch bei sehr hohen Temperaturen einsetzbar. Durch solche gasdichten Membranen können bevorzugt Sauerstoff und/oder Sauerstoff-Ionen diffundieren. Geeignete gasdichte Membranen sind beispielsweise Keramiken mit einer Perowskitkristallgitterstruktur. Als Perowskit wird das Mineral Kalziumtitanat mit der Strukturformel CaTiO3 bezeichnet.Membranes preferably allow the separation of mixtures, wherein driving forces for transport, for example, pressures, charges or temperatures. Suitable membranes may be porous or gas-tight. Gas-tight membranes combine high chemical inertness with good mechanical strength and can be used even at very high temperatures. Oxygen and / or oxygen ions can preferably diffuse through such gas-tight membranes. Suitable gas-tight membranes are, for example, ceramics having a perovskite crystal lattice structure. As perovskite the mineral calcium titanate with the structural formula CaTiO 3 is called.

Bevorzugt werden bei der Herstellung von sauerstoffleitenden Membranen Oxid-Fehlstellen in das Kristallgitter eingebaut, um einen Transport von Sauerstoff-Ionen durch die Membran zu ermöglichen. Die Triebkraft für die Permeation des Sauerstoffs bzw. die Sauerstoff-Ionen durch die Membran ist bevorzugt die Partialdruckdifferenz des Sauerstoffs auf beiden Seiten der Membran. Der Sauerstoffpartialdruck kann dabei auf verschiedene Weisen erzeugt werden. Beispielsweise kann eine Druckdifferenz zwischen der Permeat- und der Retentatseite der Membran aufgebaut werden. Weiterhin kann eine Partialdruckdifferenz durch Abreaktion des durch die Membran permeierten Sauerstoffs aufgebaut werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, eine Partialdruckdifferenz durch Spülen der Permeatseite mit einem sauerstofffreien Spülgas zu bilden. Die benötigte Membranfläche wird dabei bevorzugt bestimmt durch die erforderliche, abzutrennende Sauerstoffmenge, dem spezifischen Sauerstofffluss und der Partialdruckdifferenz des Sauerstoffs.In the production of oxygen-conducting membranes, oxide defects are preferably incorporated into the crystal lattice in order to enable a transport of oxygen ions through the membrane. The driving force for the permeation of the oxygen or the oxygen ions through the membrane is preferably the partial pressure difference of the oxygen on both sides of the membrane. The oxygen partial pressure can be generated in various ways. For example, a pressure difference between the permeate and the retentate side of the membrane can be constructed. Furthermore, a partial pressure difference can be established by reaction of the permeated oxygen through the membrane. Furthermore, it is possible to form a partial pressure difference by purging the permeate side with an oxygen-free purging gas. The required membrane area is preferably determined by the required amount of oxygen to be separated off, the specific oxygen flow and the partial pressure difference of the oxygen.

Die erfindungsgemäße Membran ist bevorzugt hochselektiv für Sauerstoff und/oder Sauerstoff-Ionen durchlässig, nicht aber für andere Gase oder Ionen. Bevorzugt umfasst der Permeatstrom mindestens 90 Vol.-% Sauerstoff, bevorzugter mindestens 91 Vol.-%, mindestens 92 Vol.-%, mindestens 93 Vol.-%, mindestens 94 Vol.-%, mindestens 95 Vol.-%, mindestens 96 Vol.-%, mindestens 97 Vol.-%, mindestens 98 Vol.-% oder mindestens 99 Vol.-%. Bevorzugt umfasst der Permeatstrom höchstens 10 Vol.-% an weiteren Bestandteilen, welche nicht Sauerstoff oder Sauerstoff-Ionen sind, bevorzugter höchstens 9 Vol.-%, höchstens 8 Vol.-%, höchstens 7 Vol.-%, höchstens 6 Vol.-%, höchstens 5 Vol.-%, höchstens 4 Vol.-%, höchstens 3 Vol.-%, höchstens 2 Vol.-% oder höchstens 1 Vol.-%.The membrane of the invention is preferably highly selective for oxygen and / or oxygen ions permeable, but not for other gases or ions. Preferably, the permeate stream comprises at least 90% by volume of oxygen, more preferably at least 91% by volume, at least 92% by volume, at least 93% by volume, at least 94% by volume, at least 95% by volume, at least 96 Vol .-%, at least 97 vol .-%, at least 98 vol .-% or at least 99 vol .-%. The permeate stream preferably comprises at most 10% by volume of further constituents which are not oxygen or oxygen ions, more preferably not more than 9% by volume, not more than 8% by volume, not more than 7% by volume, not more than 6% by volume. %, at most 5 vol.%, at most 4 vol.%, at most 3 vol.%, at most 2 vol.% or at most 1 vol.%.

Damit Sauerstoff von der Retentatseite zur Permeatseite diffundieren kann, muss eine treibende Partialdruckdifferenz des Sauerstoffs vorhanden sein. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Membran zwischen einem höheren und einem niedrigeren Druckniveau betrieben, wobei das höhere Druckniveau auf der Seite des Retentatstroms, der Retentatseite, und das niedrigere Druckniveau auf der Seite des Permeatstroms, der Permeatseite, liegt. Bevorzugt liegt das Druckverhältnis von höherem Druckniveau auf der Retentatseite der Membran zu niedrigerem Druckniveau auf der Permeatseite der Membran im Bereich von 1,8 bis 2,5, bevorzugter im Bereich von 1,9 bis 2,5, noch bevorzugter im Bereich von 2,0 bis 2,4 und am bevorzugtesten im Bereich von 2,1 bis 2,3. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das höhere Druckniveau ausreichend hoch, um die für den Sauerstofffluss durch die Membran notwendige Partialdruckdifferenz des Sauerstoffs zu gewährleisten. Bevorzugt beträgt der Druck auf der Retentatseite der Membran mindestens 50 bara, bevorzugter mindestens 55 bara, mindestens 60 bara, mindestens 65 bara, mindestens 70 bara, mindestens 75 bara, mindestens 80 bara, mindestens 85 bara, mindestens 90 bara, mindestens 95 bara oder mindestens 100 bara.For oxygen to diffuse from the retentate side to the permeate side, there must be a driving partial pressure difference of the oxygen. In a preferred embodiment, the membrane is operated between a higher and a lower pressure level, with the higher pressure level on the side of the retentate stream, the retentate side, and the lower pressure level on the side of the permeate stream, the permeate side. Preferably, the pressure ratio of higher pressure level on the retentate side of the membrane to lower pressure level on the permeate side of the membrane is in the range of 1.8 to 2.5, more preferably in the range of 1.9 to 2.5, more preferably in the range of 2, 0 to 2.4, and most preferably in the range of 2.1 to 2.3. In a preferred embodiment, the higher pressure level is sufficiently high to ensure the necessary for the oxygen flow through the membrane partial pressure difference of the oxygen. Preferably, the pressure on the retentate side of the membrane is at least 50 bara, more preferably at least 55 bara, at least 60 bara, at least 65 bara, at least 70 bara, at least 75 bara, at least 80 bara, at least 85 bara, at least 90 bara, at least 95 bara or at least 100 bara.

Bevorzugt wird die Partialdruckdifferenz des Sauerstoffs zwischen Retentatseite und Permeatseite der Membran durch das Überleiten des Teilstroms (T2) über die Permeatseite der Membran erhöht. Bevorzugt wird durch das Überleiten des Teilstroms (T2) über die Permeatseite der Membran der Sauerstoffgehalt auf der Permeatseite stetig verdünnt, wodurch der Sauerstoffpartialdruck niedriger ist, als es ohne die Überleitung des Teilstromes der Fall wäre. Gleichzeitig wird der Sauerstoffgehalt des Teilstroms (T2) aber stetig angereichert.The partial pressure difference of the oxygen between the retentate side and permeate side of the membrane is preferably increased by passing the partial stream (T 2 ) over the permeate side of the membrane. By passing the partial stream (T 2 ) over the permeate side of the membrane, the oxygen content on the permeate side is preferably continuously diluted, as a result of which the oxygen partial pressure is lower than would be the case without the transfer of the partial stream. At the same time, however, the oxygen content of the partial stream (T 2 ) is constantly enriched.

In Schritt (f) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der Teilstrom (T2) und der Permeatstrom unter Bildung eines Teilstroms (T3) vereint. Bevorzugt weist der Teilstrom (T3) einen Sauerstoffanteil von mindestens 25 Vol.-% auf, bevorzugter mindestens 30 Vol.-%, mindestens 35 Vol.-%, mindestens 40 Vol.-%, mindestens 45 Vol.-% oder mindestens 50 Vol.-%.In step (f) of the process according to the invention, the partial stream (T 2 ) and the permeate stream are combined to form a partial stream (T 3 ). The partial stream (T 3 ) preferably has an oxygen content of at least 25% by volume, more preferably at least 30% by volume, at least 35% by volume, at least 40% by volume, at least 45% by volume or at least 50 Vol .-%.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Teilstrom (T3) zur Synthese von Ammoniak verwendet. In diesem Fall wird bevorzugt die Luftmenge, die zum Eintrag des für die Ammoniaksynthese notwendigen Stickstoffes notwendig ist, als Teilstrom (T2) über die Permeatseite der Membran geführt. Durch die Membran permeiert dann bevorzugt der Sauerstoff als Permeatstrom in Teilstrom (T2) und reichert diesen auf den gewünschten Sauerstoffgehalt an.In a preferred embodiment, the substream (T 3 ) is used for the synthesis of ammonia. In this case, the amount of air which is necessary for introducing the nitrogen necessary for the ammonia synthesis is preferably conducted as partial stream (T 2 ) over the permeate side of the membrane. The oxygen then permeates as permeate stream into partial stream (T 2 ) through the membrane and enriches it to the desired oxygen content.

In Schritt (g) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt der Teilstrom (T3) in einen Reformer eingeleitet. Ein Reformer bezeichnet einen Ort, an dem die Synthese eines Synthesegases erfolgt, und sein Aufbau ist einem Fachmann bekannt. Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Reformer zur Herstellung von Wasserstoff konfiguriert. Bevorzugt wird im Reformer Wasserstoff mit Hilfe von Dampfreformierung, partieller Oxidation oder autothermer Reformierung hergestellt. Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Reformer ein autothermer Reformer.In step (g) of the process according to the invention is preferably the partial flow (T 3) introduced into a reformer. A reformer refers to a place where the synthesis of a synthesis gas occurs, and its structure is known to a person skilled in the art. The reformer according to the invention is preferably configured to produce hydrogen. Hydrogen is preferably produced in the reformer with the aid of steam reforming, partial oxidation or autothermal reforming. The reformer according to the invention is preferably an autothermal reformer.

In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Druck innerhalb des erfindungsgemäßen Reformers im Bereich von 10 bara bis 80 bara, bevorzugter im Bereich von 14 bara bis 76 bara, im Bereich von 18 bara bis 72 bara, im Bereich von 22 bara bis 68 bara, im Bereich von 26 bara bis 64 bare oder im Bereich von 30 bara bis 60 bara. Bevorzugt ist der Druck von Teilstrom (T3) etwa gleich groß wie der Druck innerhalb des Reformers, d. h. die Druckdifferenz zwischen dem Druck des Teilstroms (T3) und dem Druck innerhalb des Reformers beträgt höchstens 2 bara, bevorzugter höchstens 1,6 bara, höchstens 1,4 bara, höchstens 1,2 bara, höchstens 1,0 bara, höchstens 0,8 bara, höchstens 0,6 bara, höchstens 0,4 bara oder höchstens 0,2 bara. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Druck des Teilstroms (T3) größer als der Druck innerhalb des Reformers. Bevorzugt ist der Druck des Teilstroms T3 mindestens 0,2 bara größer als der Druck innerhalb des Reformers, bevorzugter mindestens 0,4 bara, mindestens 0,6 bara, mindestens 0,8 bara, mindestens 1,0 bara, mindestens 1,2 bara, mindestens 1,4 bara, mindestens 1,6 bara, mindestens 1,8 bara oder mindestens 2,0 bara. Der Druck des Teilstroms (T3) wird maßgeblich bestimmt vom höheren Druckniveau auf der Retentatseite der Membran. Bevorzugt ist das höhere Druckniveau ausreichend hoch, so dass der Teilstrom (T3) ohne Verdichtung in den Reformer geleitet werden kann.In a preferred embodiment, the pressure within the reformer of the invention is in the range from 10 bara to 80 bara, more preferably in the range from 14 bara to 76 bara, in the range from 18 bara to 72 bara, in the range from 22 bara to 68 bara from 26 bara to 64 bar or in the range from 30 bara to 60 bara. Preferably, the pressure of partial flow (T 3 ) is about the same as the pressure inside the reformer, ie the pressure difference between the pressure of the partial flow (T 3 ) and the pressure inside the reformer is at most 2 bara, more preferably at most 1.6 bara, at most 1.4 bara, at most 1.2 bara, at most 1.0 bara, at most 0.8 bara, at most 0.6 bara, at most 0.4 bara or at most 0.2 bara. In another preferred embodiment, the pressure of the partial flow (T 3 ) is greater than the pressure within the reformer. Preferably, the pressure of the partial flow T 3 is at least 0.2 bara greater than the pressure within the reformer, more preferably at least 0.4 bara, at least 0.6 bara, at least 0.8 bara, at least 1.0 bara, at least 1.2 bara, at least 1.4 bara, at least 1.6 bara, at least 1.8 bara or at least 2.0 bara. The pressure of the partial flow (T 3 ) is significantly determined by the higher pressure level on the retentate side of the membrane. Preferably, the higher pressure level is sufficiently high, so that the partial flow (T 3 ) can be passed without compression in the reformer.

In Schritt (h) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt eine kohlenwasserstoffhaltige Zusammensetzung in den Reformer eingeleitet. Bevorzugt umfasst die kohlenwasserstoffhaltige Zusammensetzung Energieträger, welche Erdgas, Leichtbenzin, Methanol, Biogas oder Biomasse umfassen. Bevorzugt wird Erdgas in den Reformer eingeleitet. Bevorzugt wird das Erdgas vor dem Einleiten in den Reformer komprimiert, bevorzugt in einem Erdgasverdichter. Bevorzugt wird das Erdgas auf einen Druck von mindestens 50 bara komprimiert, bevorzugter auf mindestens 55 bare, mindestens 60 bare, mindestens 65 bara, mindestens 70 bara, mindestens 75 bara, mindestens 80 bara, mindestens 85 bara, mindestens 90 bara, mindestens 95 bara oder mindestens 100 bara.In step (h) of the process according to the invention, a hydrocarbon-containing composition is preferably introduced into the reformer. The hydrocarbon-containing composition preferably comprises energy sources which comprise natural gas, light gasoline, methanol, biogas or biomass. Preferably, natural gas is introduced into the reformer. Preferably, the natural gas is compressed prior to introduction into the reformer, preferably in a natural gas compressor. Preferably, the natural gas is compressed to a pressure of at least 50 bara, more preferably at least 55 bar, at least 60 bar, at least 65 bar, at least 70 bar, at least 75 bar, at least 80 bar, at least 85 bar, at least 90 bar, at least 95 bara or at least 100 bara.

Bevorzugt wird das Erdgas nach dem Komprimieren im Erdgasverdichter in die beiden Erdgasteilströme E1 und E2 aufgeteilt. Das Volumenverhältnis von E2 zu E1 liegt bevorzugt im Bereich von 100:1 bis 1:1, bevorzugter im Bereich von 90:1 bis 2:1, im Bereich von 80:1 bis 3:1, im Bereich von 70:1 bis 4:1, im Bereich von 60:1 bis 5:1 oder im Bereich von 50:1 bis 10:1.Preferably, the natural gas is divided after compression in natural gas compressor in the two natural gas streams E 1 and E 2 . The volume ratio of E 2 to E 1 is preferably in the range of 100: 1 to 1: 1, more preferably in the range of 90: 1 to 2: 1, in the range of 80: 1 to 3: 1, in the range of 70: 1 to 4: 1, in the range of 60: 1 to 5: 1 or in the range of 50: 1 to 10: 1.

Bevorzugt wird der Erdgasteilstrom E2 nach dem Komprimieren und vor dem Einleiten in den Reformer in einem Reaktor unter Zugabe von Wasserstoff entschwefel. Geeignete Vorrichtungen und Verfahren zum Entschwefeln von Erdgas sind einem Fachmann bekannt. Nach dem Entschwefeln beträgt der Schwefelgehalt des Erdgases höchstens 0,1 Gew.-ppm, bevorzugter höchstens 0,09 Gew.-ppm, höchstens 0,08 Gew.-ppm, höchstens 0,07 Gew.-ppm, höchstens 0,06 Gew.-ppm, höchstens 0,05 Gew.-ppm, höchstens 0,04 Gew.-ppm, höchstens 0,03 Gew.-ppm, höchstens 0,02 Gew.-ppm oder höchstens 0,01 Gew.-ppm. Der Schwefelgehalt umfasst dabei alle Verbindungen, welche in ihrer Summenformel mindestens ein Schwefelatom enthalten.Preference is given to desulfurizing the partial stream of natural gas E 2 after it has been compressed and before it is introduced into the reformer in a reactor with the addition of hydrogen. Suitable apparatus and methods for desulfurizing natural gas are known to a person skilled in the art. After desulfurization, the sulfur content of the natural gas is at most 0.1 wt ppm, more preferably at most 0.09 wt ppm, at most 0.08 wt ppm, at most 0.07 wt ppm, at most 0.06 wt ppm, at most 0.05 ppm by weight, at most 0.04 ppm by weight, at most 0.03 ppm by weight, at most 0.02 ppm by weight or at most 0.01 ppm by weight. The sulfur content comprises all compounds which contain at least one sulfur atom in their empirical formula.

Bevorzugt wird der Erdgasteilstrom E2 nach dem Komprimieren im Erdgasverdichter in die beiden weiteren Erdgasteilströme E3 und E4 aufgeteilt. Das Volumenverhältnis von E4 zu E3 liegt bevorzugt im Bereich von 100:1 bis 1:1, bevorzugter im Bereich von 90:1 bis 2:1, im Bereich von 80:1 bis 3:1, im Bereich von 70:1 bis 4:1, im Bereich von 60:1 bis 5:1 oder im Bereich von 50:1 bis 10:1.Preferably, the natural gas partial stream E 2 is divided into the two further natural gas partial streams E 3 and E 4 after compression in the natural gas compressor. The volume ratio of E 4 to E 3 is preferably in the range of 100: 1 to 1: 1, more preferably in the range of 90: 1 to 2: 1, in the range of 80: 1 to 3: 1, in the range of 70: 1 to 4: 1, in the range of 60: 1 to 5: 1 or in the range of 50: 1 to 10: 1.

Nach dem Entschwefeln wird der Erdgasteilstrom E4 bevorzugt mit Mitteldruckdampf gemischt. Bevorzugt wird das Erdgas/Dampfgemischt in einer Temperiervorrichtung gewärmt, bevorzugt auf mindestens 400°C, bevorzugter auf mindestens 450°C, mindestens 500°C, mindestens 550°C oder mindestens 580°C. Bevorzugt wird das so gewärmte Erdgas/Dampfgemisch in den Reformer überführt. After desulfurization, the natural gas partial stream E 4 is preferably mixed with medium-pressure steam. Preferably, the natural gas / vapor mixture is warmed in a tempering device, preferably at least 400 ° C, more preferably at least 450 ° C, at least 500 ° C, at least 550 ° C or at least 580 ° C. Preferably, the thus heated natural gas / vapor mixture is transferred to the reformer.

In Schritt (i) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt der Teilstrom (T3) mit der kohlenwasserstoffhaltigen Zusammensetzung unter Bildung eines Synthesegases umgesetzt.In step (i) of the process according to the invention, the substream (T 3 ) is preferably reacted with the hydrocarbon-containing composition to form a synthesis gas.

Die Sauerstoffpermeabilität der Membran hängt im Allgemeinen stark von der Betriebstemperatur ab. Je höher die Betriebstemperatur der Membran ist, desto höher ist auch der spezifische Sauerstofffluss. Bevorzugt werden daher die Gasströme, welche über die Membran geleitet werden, gewärmt.The oxygen permeability of the membrane generally depends strongly on the operating temperature. The higher the operating temperature of the membrane, the higher the specific oxygen flux. Preferably, therefore, the gas streams which are passed over the membrane, warmed.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der erste Teilstrom (T1) in einer ersten Temperiervorrichtung gewärmt. Bevorzugt ist die erste Temperiervorrichtung ein Wärmetauscher oder ein Wärmespeicher. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher bzw. Wärmespeicher ist hinsichtlich seines Aufbaus erfindungsgemäß nicht eingeschränkt. Geeignete Wärmetauscher umfassen Rohrbündelwärmetauscher, Plattenwärmetauscher, Spiralwärmetauscher, U-Rohr-Wärmetauscher, Mantelrohrwärmetauscher etc. Geeignete Wärmespeicher umfassen grundsätzlich alle Bauelemente, welche eine vergleichsweise große Wärmekapazität aufweisen und Wärme aus Gasen aufnehmen und diese Wärme wieder an Gase abgeben können. Geeignete Wärmetauscher und Wärmespeicher sind einem Fachmann bekannt.In a preferred embodiment, the first partial flow (T 1 ) is heated in a first temperature control device. Preferably, the first temperature control is a heat exchanger or a heat storage. The heat exchanger or heat accumulator according to the invention is not limited in terms of its construction according to the invention. Suitable heat exchangers include shell and tube heat exchangers, plate heat exchangers, spiral heat exchangers, U-tube heat exchangers, jacket tube heat exchangers, etc. Suitable heat accumulators basically include all components which have a comparatively large heat capacity and absorb heat from gases and can release this heat back to the gases. Suitable heat exchangers and heat accumulators are known to a person skilled in the art.

Bevorzugt wird der Teilstrom (T1) in der ersten Temperiervorrichtung auf eine Temperatur von mindestens 100°C gewärmt, bevorzugter mindestens 150°C, mindestens 200°C, mindestens 250°C, mindestens 300°C, mindestens 350°C, mindestens 400°C, mindestens 450°C, mindestens 500°C, mindestens 550°C, mindestens 600°C, mindestens 650°C, mindestens 700°C, mindestens 750°C oder mindestens 800°C.Preferably, the partial flow (T 1 ) in the first tempering to a temperature of at least 100 ° C warmed, more preferably at least 150 ° C, at least 200 ° C, at least 250 ° C, at least 300 ° C, at least 350 ° C, at least 400 ° C, at least 450 ° C, not less than 500 ° C, not less than 550 ° C, not less than 600 ° C, not less than 650 ° C, not less than 700 ° C, not less than 750 ° C or not less than 800 ° C.

Bevorzugt wird der Teilstrom (T1) nach Verlassen der Temperiervorrichtung einer ersten Brennkammer zugeführt. Bevorzugt wird der Teilstrom (T1) durch Umsetzen mit einer kohlenwasserstoffhaltigen Zusammensetzung, bevorzugt Erdgas, bevorzugt mit dem entschwefelten Erdgasteilstrom E3, weiter gewärmt.Preferably, the partial flow (T 1 ) is supplied after leaving the temperature control of a first combustion chamber. Preferably, the partial stream (T 1 ) is further heated by reacting with a hydrocarbon-containing composition, preferably natural gas, preferably with the desulfurized natural gas partial stream E 3 .

Bevorzugt weist der Teilstrom (T1) nach Verlassen der Brennkammer eine Temperatur von mindestens 700°C auf, bevorzugter mindestens 740°C, mindestens 780°C, mindestens 820°C, mindestens 860° oder mindestens 900°C. Bevorzugt liegt der Sauerstoffgehalt des Teilstroms (T1) nach Verlassen der Brennkammer im Bereich von 19 bis 21 Vol.-%, bevorzugter im Bereich von 19,2 bis 20,8 Vol.-%, im Bereich von 19,4 bis 20,6 Vol.-% oder im Bereich von 19,6 bis 20,4 Vol.-%.After leaving the combustion chamber, the partial stream (T 1 ) preferably has a temperature of at least 700 ° C., more preferably at least 740 ° C., at least 780 ° C., at least 820 ° C., at least 860 ° or at least 900 ° C. Preferably, the oxygen content of the partial flow (T 1 ) after leaving the combustion chamber is in the range from 19 to 21% by volume, more preferably in the range from 19.2 to 20.8% by volume, in the range from 19.4 to 20, 6 vol.% Or in the range of 19.6 to 20.4 vol.%.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Teilstrom (T2) vor dem Umströmen der Membran in einer weiteren Temperiervorrichtung gewärmt. Die weitere Temperiervorrichtung ist bevorzugt ein Wärmetauscher. Bevorzugt wird in der weiteren Temperiervorrichtung Wärme vom Teilstrom (T3) auf den Teilstrom (T2) übertragen. Bevorzugt wird der zweite Teilstrom (T2) in der weiteren Temperiervorrichtung auf eine Temperatur von mindestens 100°C gewärmt, bevorzugter mindestens 150°C, mindestens 200°C, mindestens 250°C, mindestens 300°C, mindestens 350°C, mindestens 400°C, mindestens 450°C, mindestens 500°C, mindestens 550°C, mindestens 600°c, mindestens 650°C, mindestens 700°C, mindestens 750°C oder mindestens 800°C.In a preferred embodiment, the partial flow (T 2 ) is warmed before flowing around the membrane in a further temperature control device. The further temperature control device is preferably a heat exchanger. In the further temperature control device, heat is preferably transferred from the partial flow (T 3 ) to the partial flow (T 2 ). Preferably, the second partial stream (T 2 ) is heated in the further tempering to a temperature of at least 100 ° C, more preferably at least 150 ° C, at least 200 ° C, at least 250 ° C, at least 300 ° C, at least 350 ° C, at least 400 ° C, at least 450 ° C, at least 500 ° C, at least 550 ° C, at least 600 ° c, at least 650 ° C, at least 700 ° C, at least 750 ° C or at least 800 ° C.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Teilstrom (T2) vor dem Umströmen der Membran einer weiteren Brennkammer zugeleitet. Bevorzugt wird der Teilstrom (T2) in der weiteren Brennkammer durch Verbrennen von Wasserstoff gewärmt. Bevorzugt hat der zweite Teilstrom (T2) nach Verlassen der weiteren Brennkammer eine Temperatur von mindestens 700°C, bevorzugter mindestens 740°C, mindestens 780°C, mindestens 820°C, mindestens 860°, mindestens 900°C, mindestens 940°C, mindestens 980°C, mindestens 1020°C, mindestens 1060°C oder mindestens 1100°C. Bevorzugt liegt der Sauerstoffgehalt des Teilstroms (T2) nach Verlassen der weiteren Brennkammer im Bereich von 14 bis 21 Vol.-%, bevorzugter im Bereich von 14,2 bis 20,5 Vol.-%, im Bereich von 14,4 bis 20 Vol.-%, im Bereich von 14,6 bis 19,5 Vol.-%, im Bereich von 14,8 bis 19 Vol.-% oder im Bereich von 15 bis 18,5 Vol.-%.In a further preferred embodiment, the partial flow (T 2 ) is supplied to another combustion chamber before flowing around the membrane. Preferably, the partial flow (T 2 ) is warmed in the further combustion chamber by burning hydrogen. After leaving the further combustion chamber, the second partial flow (T 2 ) preferably has a temperature of at least 700 ° C., more preferably at least 740 ° C., at least 780 ° C., at least 820 ° C., at least 860 °, at least 900 ° C., at least 940 ° C, at least 980 ° C, at least 1020 ° C, at least 1060 ° C or at least 1100 ° C. Preferably, the oxygen content of the partial flow (T 2 ) after leaving the further combustion chamber is in the range from 14 to 21% by volume, more preferably in the range from 14.2 to 20.5% by volume, in the range from 14.4 to 20 Vol .-%, in the range of 14.6 to 19.5 vol .-%, in the range of 14.8 to 19 vol .-% or in the range of 15 to 18.5 vol .-%.

Im erfindungsgemäßen Verfahren kann nur der erste Teilstrom (T1) oder nur der zweite Teilstrom (T2) oder es können beide Teilströme (T1) und (T2) gewärmt werden. Bevorzugt wird durch das Erwärmen von mindestens einem der Teilströme (T1) oder (T2) die Membran gewärmt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Membran auf eine Temperatur im Bereich von 500°C bis 1000°C gewärmt, bevorzugter im Bereich von 550°C bis 990°C, im Bereich von 600°C bis 980°C, im Bereich von 650°C bis 970°C, im Bereich von 700°C bis 960°C oder im Bereich von 750°C bis 950°C.In the inventive method, only the first partial flow (T 1) or only the second partial flow (T 2) or it can be heated both partial streams (T 1) and (T 2). The membrane is preferably heated by heating at least one of the partial streams (T 1 ) or (T 2 ). In a preferred embodiment, the membrane is heated to a temperature in the range of 500 ° C to 1000 ° C, more preferably in the range of 550 ° C to 990 ° C, in the range of 600 ° C to 980 ° C, in the range of 650 ° C to 970 ° C, in the range of 700 ° C to 960 ° C or in the range of 750 ° C to 950 ° C.

Bevorzugt liegt die Temperatur des Teilstroms (T3) nach Verlassen der Membran im Bereich von 500°C bis 1000°C, bevorzugter im Bereich von 550°C bis 990°C, im Bereich von 600°C bis 980°C, im Bereich von 650°C bis 970°C, im Bereich von 700°C bis 960°C oder im Bereich von 750°C bis 950°. Bevorzugt wird der Teilstrom (T3) nach Verlassen der Membran über einen Wärmetauscher geführt, in welchem ein Teil der Wärme auf den Teilstrom (T2) überführt wird. Bevorzugt beträgt beim Einleiten in den Reformer die Temperatur des Teilstroms (T3) mindestens 300°C, bevorzugter mindestens 350°C, mindestens 400°C, mindestens 450°C, mindestens 500°C, mindestens 550°C, mindestens 600°C, mindestens 650°C, mindestens 700°C oder mindestens 750°C. Wird der Teilstrom (T3) vorgewärmt in den Reformer eingeleitet, muss innerhalb des Reformers bevorzugt weniger Energie für die Aufheizung des Teilstroms aufgewendet werden, wodurch Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff gespart werden können.Preferably, the temperature of the partial stream (T 3 ) after leaving the membrane in the range of 500 ° C to 1000 ° C, more preferably in the range of 550 ° C to 990 ° C, in the range of 600 ° C to 980 ° C, in the range from 650 ° C to 970 ° C, in the range of 700 ° C to 960 ° C or in the range of 750 ° C to 950 °. Preferably, the partial stream (T 3 ) is passed after leaving the membrane via a heat exchanger, in which part of the heat is transferred to the partial stream (T 2 ). When introduced into the reformer, the temperature of the partial stream (T 3 ) is preferably at least 300 ° C., more preferably at least 350 ° C., at least 400 ° C., at least 450 ° C., at least 500 ° C., at least 550 ° C., at least 600 ° C. , at least 650 ° C, at least 700 ° C or at least 750 ° C. If the partial stream (T 3 ) preheated introduced into the reformer, preferably less energy must be expended for the heating of the partial stream within the reformer, whereby hydrocarbons and oxygen can be saved.

Bevorzugt ist im Retentatstrom noch genügend Sauerstoff enthalten, so dass dieser als Verbrennungsluft in einer weiteren Brennkammer verwendet werden kann. Bevorzugt wird der Retentatstrom mit einer kohlenwasserstoffhaltigen Zusammensetzung, bevorzugt mit Erdgas, bevorzugt mit dem Erdgasteilstrom E1, unter Bildung von Wärme und Abgas umgesetzt. Bevorzugt beträgt der Sauerstoffgehalt des Retentatstroms nach Verlassen der Membran mindestens 0,2 Vol.-%, bevorzugter mindestens 0,4 Vol.-%, mindestens 0,6 Vol.-%, mindestens 0,8 Vol.-%, mindestens 1,0 Vol.-%, mindestens 1,2 Vol.-%, mindestens 1,4 Vol.-%, mindestens 1,6 Vol.-%, mindestens 1,8 Vol.-% oder mindestens 2,0 Vol.-%. Bevorzugt hat das bei der Umsetzung entstehende Abgas eine Temperatur von mindestens 1200°C, bevorzugter mindestens 1300°C, mindestens 1400°C, mindestens 1500°C, mindestens 1600°C, mindestens 1700°C, mindestens 1800°C, mindestens 1900°C oder mindestens 2000°C. Bei der Umsetzung des Retentatstroms mit Sauerstoff wird Wärme frei und es entsteht u. a. Wasserdampf als Reaktionsprodukt. Der Wasserdampf kann innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens oder in einem anderen Verfahren verwendet werden. Bevorzugt kann die Wärme auch verwendet werden, um die Teilströme (T1) und/oder (T2) oder andere Gasströme im erfindungsgemäßen Verfahren vorzuwärmen. Bevorzugt wird der Druck des abgekühlten Abgases in einem Turboexpander genutzt, um den Leistungsbedarf der Luftverdichter zumindest zum Teil zu decken.Preferably, sufficient oxygen is still present in the retentate stream so that it can be used as combustion air in another combustion chamber. Preferably, the retentate is reacted with a hydrocarbon-containing composition, preferably with natural gas, preferably with the natural gas partial stream E 1 , to form heat and exhaust gas. After leaving the membrane, the oxygen content of the retentate stream is preferably at least 0.2% by volume, more preferably at least 0.4% by volume, at least 0.6% by volume, at least 0.8% by volume, at least 1, 0 vol.%, At least 1.2 vol.%, At least 1.4 vol.%, At least 1.6 vol.%, At least 1.8 vol.% Or at least 2.0 vol.% , Preferably, the exhaust gas produced in the reaction has a temperature of at least 1200 ° C, more preferably at least 1300 ° C, at least 1400 ° C, at least 1500 ° C, at least 1600 ° C, at least 1700 ° C, at least 1800 ° C, at least 1900 ° C or at least 2000 ° C. In the reaction of the retentate with oxygen, heat is released and there is, inter alia, water vapor as a reaction product. The water vapor can be used within the process of the invention or in another process. Preferably, the heat can also be used to preheat the partial streams (T 1 ) and / or (T 2 ) or other gas streams in the process according to the invention. Preferably, the pressure of the cooled exhaust gas is used in a turboexpander to at least partially cover the power requirements of the air compressor.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines Synthesegases, wobei die Vorrichtung die folgenden, zumindest zeitweise miteinander in Wirkverbindung stehenden Komponenten umfasst:

  • (A) eine Komprimiervorrichtung, konfiguriert zum Komprimieren eines Gasstroms;
  • (B) eine Membran, welche für Sauerstoff und/oder Sauerstoff-Ionen durchlässig ist, angeordnet nach der Komprimiervorrichtung; und
  • (C) einen Reformer, angeordnet nach der Membran, konfiguriert zum Umsetzen von Sauerstoff und einer kohlenwasserstoffhaltigen Zusammensetzung.
A second aspect of the invention relates to an apparatus for producing a synthesis gas, wherein the apparatus comprises the following components, which are at least temporarily in operative connection with one another:
  • (A) a compression device configured to compress a gas flow;
  • (B) a membrane which is permeable to oxygen and / or oxygen ions disposed after the compression device; and
  • (C) a reformer arranged after the membrane configured to react oxygen and a hydrocarbonaceous composition.

Alle bevorzugten Ausführungsformen, welche vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, gelten entsprechend analog auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung.All preferred embodiments, which are described above in connection with the method according to the invention, apply analogously to the device according to the invention.

Die Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung stehen miteinander in Wirkverbindung, d. h. sind durch geeignete Rohrleitungen etc. miteinander in einer Weise verbunden, welche die allgemeine Funktionsfähigkeit der Vorrichtung gewährleistet. Die dafür erforderlichen Maßnahmen sind einem Fachmann bekannt.The components of the device according to the invention are in operative connection with each other, d. H. are connected to each other by suitable piping etc. in a manner which ensures the general functioning of the device. The necessary measures are known to a person skilled in the art.

Eine Komprimiervorrichtung ist bevorzugt konfiguriert zum Komprimieren eines Gasstromes. Erfindungsgemäß können alle zum Komprimieren eines Gasstroms geeigneten Vorrichtungen verwendet werden. Bevorzugt wird zum Komprimieren eines Gasstroms mindestens ein, bevorzugt mehrere Luftverdichter verwendet. Beispielsweise können als Luftverdichter Turboverdichter verwendet werden.A compression device is preferably configured to compress a gas stream. According to the invention, all devices suitable for compressing a gas stream can be used. Preferably, at least one, preferably a plurality of air compressors is used to compress a gas stream. For example, turbocompressors can be used as air compressors.

Eine Membran ermöglicht bevorzugt die Trennung von Stoffgemischen, wobei treibende Kräfte für den Transport beispielsweise Drücke, Ladungen oder Temperaturen sind. Geeignete Membranen können dabei porös oder gasdicht sein. Die Triebkraft für die Permeation des Sauerstoffs durch die Membran ist die Partialdruckdifferenz des Sauerstoffs auf beiden Seiten der Membran.A membrane preferably allows the separation of mixtures, wherein driving forces for transport, for example, pressures, charges or temperatures. Suitable membranes may be porous or gas-tight. The driving force for the permeation of oxygen through the membrane is the partial pressure difference of the oxygen on both sides of the membrane.

Ein Reformer ist bevorzugt konfiguriert zum Umsetzen von Sauerstoff mit einer kohlenwasserstoffhaltigen Zusammensetzung.A reformer is preferably configured to react oxygen with a hydrocarbonaceous composition.

Ein Reformer bezeichnet den Ort, an dem die Synthese eines Synthesegases erfolgt, und sein Aufbau ist einem Fachmann bekannt. Bevorzugt ist der Reformer zur Herstellung von Wasserstoff konfiguriert. Bevorzugt wird im Reformer Wasserstoff mit Hilfe von Dampfreformierung, partieller Oxidation oder autothermer Reformierung hergestellt. Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Reformer ein autothermer Reformer.A reformer designates the location where the synthesis of a synthesis gas occurs, and its structure is known to a person skilled in the art. Preferably, the reformer is configured to produce hydrogen. Hydrogen is preferably produced in the reformer with the aid of steam reforming, partial oxidation or autothermal reforming. The reformer according to the invention is preferably an autothermal reformer.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung die zusätzlich mit der Vorrichtung in Wirkverbindung stehende Komponente:

  • (D) eine Brennvorrichtung, angeordnet nach der Membran, konfiguriert zum Verbrennen einer kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung und Sauerstoff.
In a preferred embodiment, the device comprises the additionally operatively connected to the device component:
  • (D) a combustor arranged after the membrane configured to combust a hydrocarbon-containing compound and oxygen.

Bevorzugt ist die Brennvorrichtung ein Gerät zur Umsetzung von chemischer in thermische Energie, wobei bevorzugt eine gasförmige kohlenwasserstoffhaltige Zusammensetzung mit Sauerstoff unter Wärmeabgabe und Bildung von Abgas umgesetzt wird. Die Beschaffenheit einer solchen Brennvorrichtung ist einem Fachmann bekannt. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Retentatstrom nach Verlassen der Membran in die Brennvorrichtung überführt und bevorzugt mit einer kohlenwasserstoffhaltigen Zusammensetzung, bevorzugter mit Erdgas, umgesetzt. Preferably, the combustion device is a device for the conversion of chemical into thermal energy, wherein preferably a gaseous hydrocarbon-containing composition is reacted with oxygen with heat release and formation of exhaust gas. The nature of such a firing device is known to a person skilled in the art. In the device according to the invention, the retentate stream is transferred after leaving the membrane into the firing device and preferably reacted with a hydrocarbon-containing composition, more preferably with natural gas.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet.In a preferred embodiment, the device according to the invention is used in the method according to the invention.

1 und 2 illustrieren schematisch und beispielhaft das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Synthesegas mit autothermer Reformierung und einer Membranstufe, welche eine Membran umfasst, zur Bereitstellung von sauerstoffangereicherter Luft, sind jedoch nicht einschränkend auszulegen. 1 and 2 illustrate schematically and by way of example the method according to the invention for the production of synthesis gas with autothermal reforming and a membrane stage, which comprises a membrane, for the provision of oxygen-enriched air, but are not to be interpreted as limiting.

1 zeigt ein vereinfachtes Schema einer Anlage zur Herstellung von Synthesegas mit autothermem Reformer. Dabei wird Luft (9) bevorzugt im Luftverdichter (1) von Umgebungsdruck bevorzugt auf 42,6 bara komprimiert. Bevorzugt wird die verdichtete Luft in die Teilströme T1 (10) und T2 (12) aufgeteilt. Bevorzugt wird Teilstrom T2 (12) in einem Wärmetauscher auf 580°C erwärmt und der Membran (3) als Spülgasstrom zugeleitet. Bevorzugt wird der Teilstrom T1 (10) weiter verdichtet, bevorzugt auf einen Druck von 102,1 bara, und in einem Wärmetauscher auf 800°C erwärmt. Bevorzugt wird in einer Brennkammer (2) der verdichtete Teilstrom T1 durch Verbrennung mit einem Teil des entschwefelten Erdgasstroms E3 (21) weiter auf 906°C erhitzt. Bevorzugt sinkt hierbei der Sauerstoffgehalt geringfügig von 20,8 Vol.-% auf 19,9 Vol.-%. 1 shows a simplified scheme of a plant for the production of synthesis gas with autothermal reformer. This air ( 9 ) preferably in the air compressor ( 1 ) of ambient pressure is preferably compressed to 42.6 bara. The compressed air is preferably introduced into the partial flows T 1 (FIG. 10 ) and T 2 ( 12 ) divided up. Preference is given to substream T 2 ( 12 ) is heated in a heat exchanger to 580 ° C and the membrane ( 3 ) fed as purge gas. Preferably, the partial flow T 1 ( 10 ), preferably to a pressure of 102.1 bara, and heated to 800 ° C in a heat exchanger. It is preferred in a combustion chamber ( 2 ) the compressed partial flow T 1 by combustion with a part of the desulfurized natural gas stream E 3 ( 21 ) is further heated to 906 ° C. In this case, the oxygen content preferably drops slightly from 20.8% by volume to 19.9% by volume.

Bevorzugt permeiert ausschließlich Sauerstoff durch die hochselektive Membran (3) in den Teilstrom T2 unter Bildung des Teilstroms T3 (14). Bevorzugt wird der Teilstrom T1 dadurch auf einen Sauerstoffgehalt von 14 Vol.-% abgereichert, während der Teilstrom T2 (12) bevorzugt auf einen Sauerstoffgehalt von 41,5 Vol.-% angereichert wird.Preferably, only oxygen permeates through the highly selective membrane ( 3 ) in the partial flow T 2 to form the partial flow T 3 ( 14 ). Preferably, the partial flow T 1 is thereby depleted to an oxygen content of 14% by volume, while the partial flow T 2 (FIG. 12 ) is preferably enriched to an oxygen content of 41.5 vol .-%.

Bevorzugt wird der an Sauerstoff angereicherte Teilstrom T3 (14) durch Wärmeübertragung von dem bevorzugt 900°C heißen Retentatstrom bevorzugt auf 855°C aufgeheizt und dann als Oxidator zum autothermen Reformer (8) geleitet.Preferably, the oxygen-enriched substream T 3 ( 14 ) is preferably heated to 855 ° C. by heat transfer from the retentate stream, which is preferably heated to 900 ° C., and then oxidized to the autothermal reformer ( 8th ).

Bevorzugt hat der an Sauerstoff abgereicherte Retentatstrom (15) noch einen ausreichend hohen Sauerstoffgehalt, um als Verbrennungsluft in einem zweiten Erdgasbrenner (4) verwendet zu werden. Bevorzugt wird in diesem Brenner der Erdgasteilstrom E1 (18) mit dem Retentatstrom (15) verbrannt. Bevorzugt wird die Wärme des entstehenden, 2000°C heißen Rauchgases zur Dampferzeugung genutzt und anschließend in einem Turboexpander (5) auf Umgebungsdruck entspannt, um die Antriebsleistung der Verdichter zumindest teilweise zu decken.Preferably, the oxygen-depleted retentate stream ( 15 ) still has a sufficiently high oxygen content to be used as combustion air in a second natural gas burner ( 4 ) to be used. Preference is given in this burner, the natural gas partial stream E 1 ( 18 ) with the retentate stream ( 15 ) burned. Preferably, the heat of the resulting, 2000 ° C hot flue gas is used to generate steam and then in a turboexpander ( 5 ) to ambient pressure to at least partially cover the driving power of the compressors.

Bevorzugt wird Erdgas (17) in einem Erdgasverdichter (6) von 14 bara auf 105 bara verdichtet. Bevorzugt wird das Erdgas (17) in die Erdgasteilströme E1 (18) und E2 (19) aufgeteilt. Bevorzugt wird der Erdgasteilstrom E2 (19) unter Zugabe von Wasserstoff (20) im Reaktor (7) entschwefelt. Bevorzugt wird der Erdgasteilstrom E2 (19) nach dem Entschwefeln in die Erdgasteilströme E3 (21) und E4 (22) aufgeteilt. Bevorzugt wird der Erdgasteilstrom E3 (21) des entschwefelten Erdgases in der Brennkammer (2) verbrannt, um den Teilstrom T1 für die Membran vorzuheizen. Bevorzugt wird der Erdgasteilstrom E4 (22) mit Mitteldruckdampf (23) gemischt und auf eine Temperatur von 580°C vorgeheizt. Bevorzugt wird das Erdgas/Dampf-Gemisch (24) im autothermen Reformer (8) unter Zugabe des Teilstroms T3 (14) zu einem Rohsynthesegas (25) umgesetzt, das reich an Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid ist.Preference is given to natural gas ( 17 ) in a natural gas compressor ( 6 ) from 14 bara to 105 bara. Preference is given to natural gas ( 17 ) into the natural gas partial flows E 1 ( 18 ) and E 2 ( 19 ) divided up. Preference is given to the natural gas partial stream E 2 ( 19 ) with the addition of hydrogen ( 20 ) in the reactor ( 7 ) desulfurizes. Preference is given to the natural gas partial stream E 2 ( 19 ) after desulphurisation into the natural gas streams E 3 ( 21 ) and E 4 ( 22 ) divided up. Preference is given to the natural gas partial stream E 3 ( 21 ) of the desulphurised natural gas in the combustion chamber ( 2 ) burned to preheat the partial flow T 1 for the membrane. Preference is given to the natural gas partial stream E 4 ( 22 ) with medium pressure steam ( 23 ) and preheated to a temperature of 580 ° C. Preference is given to the natural gas / steam mixture ( 24 ) in the autothermal reformer ( 8th ) with addition of the partial stream T 3 ( 14 ) to a crude synthesis gas ( 25 ), which is rich in hydrogen and carbon monoxide.

2 zeigt eine andere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Spülluft die Membran auf Betriebstemperatur hält. 2 shows another variant of the method according to the invention, in which the purge air keeps the membrane at operating temperature.

Bevorzugt wird Luft (9) im Luftverdichter (1) von Umgebungsdruck auf 4,6 bara komprimiert. Bevorzugt wird die verdichtete Luft in die Teilströme T1 (10) und T2 (12) aufgeteilt. Bevorzugt wird der Teilstrom T1 (10) weiter auf einen Druck von 50 bara verdichtet. Bevorzugt wird er in zwei Wärmetauschern durch den heißen Retentatstrom (16) vorgewärmt, so dass er bevorzugt mit einer Temperatur von 600°C in die Hochdruckseite der Membran (3) eintritt. Bevorzugt wird der Teilstrom T2 (12) in einem Wärmetauscher durch den heißen Teilstrom T3 (14) vorgewärmt. Bevorzugt wird in einer Brennkammer eine kleine Menge Wasserstoff (20) mit dem Teilstroms T2 verbrannt, so dass der Teilstrom T2 bevorzugt auf 1080°C aufgeheizt wird. Bevorzugt tritt der Teilstrom T2 mit einem Sauerstoffgehalt von 16,5 Vol.-% in die Niederdruckseite der Membran ein.Preference is given to air ( 9 ) in the air compressor ( 1 ) from ambient pressure to 4.6 bara. The compressed air is preferably introduced into the partial flows T 1 (FIG. 10 ) and T 2 ( 12 ) divided up. The partial stream T 1 (it is preferred 10 ) is further compressed to a pressure of 50 bara. It is preferred in two heat exchangers by the hot retentate stream ( 16 ), so that it preferably at a temperature of 600 ° C in the high-pressure side of the membrane ( 3 ) entry. Preferably, the partial flow T 2 ( 12 ) in a heat exchanger through the hot partial flow T 3 ( 14 ) preheated. Preferably, in a combustion chamber, a small amount of hydrogen ( 20 ) is burned with the partial flow T 2 , so that the partial flow T 2 is preferably heated to 1080 ° C. Preferably, the partial flow T 2 enters the low-pressure side of the membrane with an oxygen content of 16.5 vol .-%.

Bevorzugt permeiert ausschließlich Sauerstoff durch die hochselektive Membran (3) in den gewärmten Teilstrom T2 (13). Bevorzugt wird der Teilstrom T1 dadurch auf einen Sauerstoffgehalt von 2,3 Vol.-% abgereichert, während der Teilstrom T2 auf einen Sauerstoffgehalt von 37,6 Vol.-% angereichert wird.Preferably, only oxygen permeates through the highly selective membrane ( 3 ) in the heated partial flow T 2 ( 13 ). Preferably, the partial flow T 1 is thereby depleted to an oxygen content of 2.3 vol .-%, while the partial flow T 2 is enriched to an oxygen content of 37.6 vol .-%.

Bevorzugt wärmt der an Sauerstoff angereicherte Teilstrom T3 (14) den Teilstrom T2 (10). Bevorzugt wird in einem Kondensator das in der Brennkammer gebildete Wasser auskondensiert. Der Teilstrom T3 wird bevorzugt in einem Prozessgasverdichter (26) auf den Betriebsdruck des autothermen Reformers (8) verdichtet und dann als Oxidator in den autothermen Reformer (8) geleitet.Preferably, the oxygen-enriched substream T 3 ( 14 ) the partial flow T 2 ( 10 ). Preferably, the water formed in the combustion chamber is condensed out in a condenser. The partial flow T 3 is preferably used in a process gas compressor ( 26 ) to the operating pressure of the autothermal reformer ( 8th ) and then as an oxidizer in the autothermal reformer ( 8th ).

Bevorzugt wärmt der an Sauerstoff abgereicherte und vom Teilstrom T2 erwärmte Retentatstrom (16) in zwei Wärmetauschern den Teilstrom T1 für die Membran (3) vor. Bevorzugt wird der Teilstrom T2 in einem Turboexpander (5) auf Umgebungsdruck entspannt, um den Leistungsbedarf der Verdichter zumindest teilweise zu decken.Preferably, the oxygen-depleted and heated by the partial flow T 2 retentate ( 16 ) in two heat exchangers the partial flow T 1 for the membrane ( 3 ) in front. Preferably, the partial flow T 2 in a turboexpander ( 5 ) to ambient pressure to at least partially meet the power requirements of the compressors.

Bevorzugt wird Erdgas (17) in einem Erdgasverdichter (6) von 14 bara auf den Betriebsdruck des autothermen Reformers (8) verdichtet. Das Erdgas wird bevorzugt unter Zugabe von Wasserstoff (20) im Reaktor (7) entschwefelt. Bevorzugt wird es dann mit Mitteldruckdampf (23) gemischt und bevorzugt auf eine Temperatur von 580°C vorgeheizt. Bevorzugt wird das Erdgas/Dampfgemisch (24) im autothermen Reformer (8) unter Zugabe des verdichteten Teilstroms T3 (27) zu einem Rohsynthesegas (25) umgesetzt, welches reich an Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid ist.Preference is given to natural gas ( 17 ) in a natural gas compressor ( 6 ) of 14 bara to the operating pressure of the autothermal reformer ( 8th ) compacted. The natural gas is preferably added with the addition of hydrogen ( 20 ) in the reactor ( 7 ) desulfurizes. It is then preferably mixed with medium-pressure steam ( 23 ) and preferably preheated to a temperature of 580 ° C. The natural gas / vapor mixture ( 24 ) in the autothermal reformer ( 8th ) with the addition of the compressed partial stream T 3 ( 27 ) to a crude synthesis gas ( 25 ), which is rich in hydrogen and carbon monoxide.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Luftverdichterair compressor
22
Brennkammercombustion chamber
33
Membranmembrane
44
Erdgasbrennernatural gas burner
55
Turboexpanderturboexpander
66
Erdgasverdichternatural gas compressor
77
Reaktorreactor
88th
autothermer Reformerautothermal reformer
99
Luftair
1010
Teilstrom T1 Partial flow T 1
1111
Teilstrom T1, gewärmtPartial flow T 1 , warmed
1212
Teilstrom T2 Partial flow T 2
1313
Teilstrom T2, gewärmtPartial flow T 2 , warmed
1414
Teilstrom T3 Partial flow T 3
1515
Retentatstromretentate
1616
heißer Retentatstromhot retentate stream
1717
Erdgasnatural gas
1818
Erdgasteilstrom E1 Natural gas partial flow E 1
1919
Erdgasteilstrom E2 Natural gas partial stream E 2
2020
Wasserstoffhydrogen
2121
Erdgasteilstrom E3 Natural gas partial stream E 3
2222
Erdgasteilstrom E4 Natural gas partial stream E 4
2323
MitteldruckdampfMedium pressure steam
2424
Erdgas/Dampf-GemischNatural gas / steam mixture
2525
Rohsynthesegasraw synthesis gas
2626
ProzessgasverdichterProcess Gas Compressors
2727
Teilstrom T3, verdichtetPartial flow T 3 , compressed

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102013202713 A1 [0011] DE 102013202713 A1 [0011]
  • DE 69623536 T2 [0012] DE 69623536 T2 [0012]

Claims (15)

Verfahren zum Herstellen eines Synthesegases (25), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Bereitstellen eines Gasstroms, welcher Luft (9) umfasst; (b) Komprimieren des Gasstroms; (c) Aufteilen des Gasstroms in einen ersten Teilstrom T1 (10) und einen zweiten Teilstrom T2 (12); (d) Überleiten des ersten Teilstroms T1 (10) über die erste Seite einer für Sauerstoff und/oder Sauerstoff-Ionen durchlässigen Membran (3) unter Bildung eines Permeatstroms, welcher den durch die Membran (3) diffundierten Sauerstoff umfasst, und eines sauerstoffabgereicherten Retentatstroms (15), welcher von der Membran (3) zurückgehalten wird; (e) Überleiten des zweiten Teilstroms T2 (12) über die zweite Seite der Membran (3); (f) Vereinen des zweiten Teilstroms T2 (12) und des Permeatstroms unter Bildung eines Teilstroms T3 (14); (g) Einleiten des Teilstroms T3 (14) in einen Reformer (8); (h) Einleiten einer kohlenwasserstoffhaltigen Zusammensetzung in den Reformer (8); und (i) Umsetzen des Teilstroms T3 (14) mit der kohlenwasserstoffhaltigen Zusammensetzung unter Bildung eines Synthesegases (25).Process for producing a synthesis gas ( 25 ), the method comprising the following steps: (a) providing a gas stream, which air ( 9 ); (b) compressing the gas stream; (c) dividing the gas stream into a first substream T 1 ( 10 ) and a second partial flow T 2 ( 12 ); (d) passing the first substream T 1 ( 10 ) via the first side of an oxygen and / or oxygen ion permeable membrane ( 3 ) to form a permeate stream which passes through the membrane ( 3 ) diffused oxygen, and an oxygen depleted retentate stream ( 15 ), which of the membrane ( 3 ) is held back; (e) passing the second partial stream T 2 ( 12 ) over the second side of the membrane ( 3 ); (f) combining the second partial stream T 2 ( 12 ) and the permeate stream to form a partial stream T 3 ( 14 ); (g) introducing the partial flow T 3 ( 14 ) into a reformer ( 8th ); (h) introducing a hydrocarbon-containing composition into the reformer ( 8th ); and (i) reacting the substream T 3 ( 14 ) with the hydrocarbon-containing composition to form a synthesis gas ( 25 ). Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Membran (3) zwischen einem höheren und einem niedrigeren Druckniveau betrieben wird, und wobei das höhere Druckniveau auf der Seite des Retentatstroms (15), der Retentatseite, und das niedrigere Druckniveau auf der Seite des Permeatstroms, der Permeatseite, liegt.The method of claim 1, wherein the membrane ( 3 ) is operated between a higher and a lower pressure level, and wherein the higher pressure level on the side of the retentate flow ( 15 ), the retentate side, and the lower pressure level on the permeate side, the permeate side. Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Druckverhältnis von höherem Druckniveau auf der Retentatseite der Membran (3) zu niedrigerem Druckniveau auf der Permeatseite der Membran im Bereich von 1,8 bis 2,5 liegt.The method of claim 2, wherein the pressure ratio of higher pressure level on the retentate side of the membrane ( 3 ) to a lower pressure level on the permeate side of the membrane in the range of 1.8 to 2.5. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das höhere Druckniveau ausreichend hoch ist, um die für den Sauerstofffluss durch die Membran (3) notwendige Partialdruckdifferenz des Sauerstoffs zu gewährleisten.The method of any one of claims 2 or 3, wherein the higher pressure level is sufficiently high to exceed that for oxygen flow through the membrane ( 3 ) to ensure necessary partial pressure difference of the oxygen. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das höhere Druckniveau ausreichend hoch ist, so dass der Teilstrom T3 (14) ohne Verdichtung in den Reformer (8) geleitet werden kann.The method according to one of claims 2 or 3, wherein the higher pressure level is sufficiently high such that the partial flow T 3 (FIG. 14 ) without consolidation in the reformer ( 8th ) can be directed. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Teilstrom T1 (10) einen Druck von mindestens 50 bara aufweist.The method according to one of the preceding claims, wherein the partial flow T 1 ( 10 ) has a pressure of at least 50 bara. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Teilstrom T1 (10) in einer ersten Temperiervorrichtung gewärmt wird.The method according to one of the preceding claims, wherein the partial flow T 1 ( 10 ) is warmed in a first temperature control device. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Teilstrom T2 (12) vor dem Umströmen der Membran (3) in einer weiteren Temperiervorrichtung gewärmt wird.The method according to one of the preceding claims, wherein the second substream T 2 ( 12 ) before the flow around the membrane ( 3 ) is warmed in a further tempering device. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Teilstrom T3 (14) einen Sauerstoffanteil von mindestens 25 Vol.-% aufweist.The method according to one of the preceding claims, wherein the substream T 3 ( 14 ) has an oxygen content of at least 25% by volume. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Membran (3) auf eine Temperatur im Bereich von 500°C bis 1000°C gewärmt wird.The method according to any one of the preceding claims, wherein the membrane ( 3 ) is heated to a temperature in the range of 500 ° C to 1000 ° C. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Retentatstrom (15) mit einer kohlenwasserstoffhaltigen Zusammensetzung unter Bildung von Wärme und Abgas umgesetzt wird.The process according to any one of the preceding claims, wherein the retentate stream ( 15 ) is reacted with a hydrocarbon-containing composition to form heat and exhaust gas. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Reformer (8) ein autothermer Reformer ist.The method according to any one of the preceding claims, wherein the reformer ( 8th ) is an autothermal reformer. Vorrichtung zum Herstellen eines Synthesegases (25), wobei die Vorrichtung die folgenden, zumindest zeitweise miteinander in Wirkverbindung stehenden Komponenten umfasst: (A) eine Komprimiervorrichtung (1), konfiguriert zum Komprimieren eines Gasstroms; (B) eine Membran (3), angeordnet nach der Komprimiervorrichtung (1), welche für Sauerstoff und/oder Sauerstoff-Ionen durchlässig ist; und (C) einen Reformer (8), angeordnet nach der Membran (3), konfiguriert zum Umsetzen von Sauerstoff und einer kohlenwasserstoffhaltigen Zusammensetzung.Apparatus for producing a synthesis gas ( 25 ), the device comprising the following components, at least temporarily in operative connection with one another: (A) a compression device ( 1 ) configured to compress a gas stream; (B) a membrane ( 3 ) arranged after the compression device ( 1 ), which is permeable to oxygen and / or oxygen ions; and (C) a reformer ( 8th ) arranged after the membrane ( 3 ) configured to react oxygen and a hydrocarbonaceous composition. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 13, umfassend die zusätzlich mit der Vorrichtung in Wirkverbindung stehenden Komponenten: (D) eine Brennvorrichtung (2), angeordnet nach der Membran (3), konfiguriert zum Verbrennen einer kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung und Sauerstoff.The device according to claim 13, comprising the additional components operatively connected to the device: (D) a combustion device ( 2 ) arranged after the membrane ( 3 ) configured to combust a hydrocarbon-containing compound and oxygen. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14 in einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.Use of the device according to one of claims 13 or 14 in a method according to one of claims 1 to 12.
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