AT523779A1 - Process for the production of hydrogen and oxygen by pyrolysis of a mixture of methane and carbon dioxide - Google Patents
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Abstract
Das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff (49) und Sauerstoff (42) aus Biogas (1), biogenen Gasen (94) und Methan (95) und Kohlendioxid (2), die in einem Behälter (3) gespeichert werden. Das Gemisch aus Methan und Kohlendioxid wird über einen Verdichter (4) in der ersten Stufe auf 12 bar verdichtet, über den Verdichter (7) auf 70 bar verdichtet einem Kondensator (10,12) zugeführt wird, in dem Kohlendioxid in flüssiger Phase im Tank (13) gespeichert wird. Das Methan (11) wird in einem Reaktor (55) mit einem induktiv (56) erhitzten Metallbad (54) in Wasserstoff und Kohlenstoff gespalten, rückgekühlt (45,60), der Kohlenstoff wird über einen Zyklon (52) und Gaswäscher (48) abgetrennt. Das flüssige Kohlendioxid (12) wird in Reaktoren (26,30) verdampft. Das dampfförmige Kohlendioxid (27,28) wird mit Hilfe von Metalloxiden (23,32) in den Reaktoren (26,30) in Kohlenmonoxid (39) und Sauerstoff (42) aufgespalten. Die Erfindung umfasst zudem die Aufspaltung von Kohlenmonoxid (39) zu Kohlenstoff (89) und Sauerstoff (93) unter Verwendung eines Edelgases wie Helium (90) in den induktiv (70,79) beheizten mit Metalloxiden (71,81) befüllten Reaktoren (74,80) verdampft (69,82), und als Dampf in den Reaktoren (75,76) zu Sauerstoff (93) und Kohlenstoff (89) aufgespalten.The process for generating hydrogen (49) and oxygen (42) from biogas (1), biogenic gases (94) and methane (95) and carbon dioxide (2), which are stored in a container (3). The mixture of methane and carbon dioxide is compressed to 12 bar via a compressor (4) in the first stage, and compressed to 70 bar via the compressor (7) is fed to a condenser (10, 12) in which carbon dioxide is in the liquid phase in the tank (13) is saved. The methane (11) is split into hydrogen and carbon in a reactor (55) with an inductively (56) heated metal bath (54), recooled (45,60), the carbon is removed via a cyclone (52) and gas scrubber (48) severed. The liquid carbon dioxide (12) is evaporated in reactors (26, 30). The vaporous carbon dioxide (27,28) is split up into carbon monoxide (39) and oxygen (42) with the aid of metal oxides (23,32) in the reactors (26,30). The invention also includes the splitting of carbon monoxide (39) into carbon (89) and oxygen (93) using a noble gas such as helium (90) in the inductively (70, 79) heated reactors (74) filled with metal oxides (71, 81) , 80) evaporates (69.82), and split as vapor in the reactors (75.76) to oxygen (93) and carbon (89).
Description
Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Pyrolyse von einem Gemisch aus Methan und Kohlendioxid Process for the production of hydrogen and oxygen by pyrolysis of a mixture of methane and carbon dioxide
Das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff 49 und Sauerstoff 42,93 durch Pyrolyse aus Biogas 1, biogenen Gasen 94 und Methan 95 und Kohlendioxid 2, die in einem Behälter 3 gespeichert wird. Das Gemisch aus Methan und Kohlendioxid wird über einen Verdichter 4 in der ersten Stufe auf 12 bar verdichtet, über den Verdichter 7 auf 70 bar verdichtet einem Kondensator 10 zugeführt wird, in dem Kohlendioxid in flüssiger Phase 12 im Tank 13 gespeichert wird. Das gasförmige Methan 11 wird mit Hilfe der Wärmetauscher 45, 60 erwärmt und über die Regelarmatur 57 und Düsenstock 58 in einen induktive erhitzten 56 Pyrolysereaktor 55 geleitet, in dem sich flüssiges heißes Metall 54 befindet. Das Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoff 53 wird über einen Zyklon 52 geleitet, wo der Kohlenstoff 59 abgeschieden wird. Der abgekühlte Wasserstoff 46 wird gewaschen 48 und als reines Wasserstoffgas 49 zur Verfügung gestellt. The method for generating hydrogen 49 and oxygen 42, 93 by pyrolysis from biogas 1, biogenic gases 94 and methane 95 and carbon dioxide 2, which is stored in a container 3. The mixture of methane and carbon dioxide is compressed to 12 bar via a compressor 4 in the first stage, and compressed to 70 bar via the compressor 7 is fed to a condenser 10 in which carbon dioxide is stored in the liquid phase 12 in the tank 13. The gaseous methane 11 is heated with the aid of the heat exchangers 45, 60 and passed via the control valve 57 and nozzle assembly 58 into an inductively heated 56 pyrolysis reactor 55 in which there is liquid hot metal 54. The gas mixture of hydrogen and carbon 53 is passed through a cyclone 52, where the carbon 59 is deposited. The cooled hydrogen 46 is washed 48 and made available as pure hydrogen gas 49.
Das flüssige Kohlendioxid 12 wird abwechselnd in den induktiv 21,31 beheizten mit Metalloxiden 23,32 befüllten Reaktoren 26,30 verdampft 27,28, über interne Wärmetauscher 22,36 erwärmt und als Dampf in den Reaktoren 26,30 zu Sauerstoff 42 und Kohlenmonoxid 39 aufgespalten. The liquid carbon dioxide 12 is alternately vaporized 27.28 in the inductively 21, 31 heated reactors 26, 30 filled with metal oxides 23, 32, heated via internal heat exchangers 22, 36 and as vapor in the reactors 26, 30 to form oxygen 42 and carbon monoxide 39 split up.
Die Erfindung umfasst zudem die Aufspaltung von Kohlenmonoxid 39 zu Kohlenstoff 89 und Sauerstoff 93 unter Verwendung eines Edelgases wie Helium 90 in den induktiv 70,79 beheizten mit Metalloxiden 71,81 befüllten Reaktoren 74,80 verdampft 75,76 über interne Wärmetauscher 69,82 erwärmt und als Dampf in den Reaktoren 74,80 zu Sauerstoff 93 und Kohlenstoff 90 aufgespalten. The invention also includes the splitting of carbon monoxide 39 into carbon 89 and oxygen 93 using a noble gas such as helium 90 in the inductively 70, 79 heated reactors 74, 80 filled with metal oxides 71, 81, evaporated 75, 76 heated via internal heat exchangers 69, 82 and split as steam in reactors 74, 80 to oxygen 93 and carbon 90.
Unter Biogas versteht man die durch Fermentation erzeugtes Gasgemisch aus Methan und Kohlendioxid. Das Verfahren der Fermentation erfolgt durch mikrobielle Zeilkulturen, die aus biogenen flüssigen Substraten biogene Gase erzeugen. Es ist der Stand der Technik dieses Biogas in Strom und Wärme umzuwandeln und das erzeugte Kohlendioxid an die Umgebung als Emission abzugeben. Ein weiterer Nachteil ist der mit dem Verfahren der Strom und Ge Wärmeerzeugung verbundene Methanschlupf, der ebenfalls als Emission mit sehr hohem If Treibhauspotenzial an die Umgebung abgegeben wird. in Biogas is the gas mixture of methane and carbon dioxide produced by fermentation. The fermentation process is carried out using microbial cell cultures that generate biogenic gases from biogenic liquid substrates. It is the state of the art to convert this biogas into electricity and heat and to release the generated carbon dioxide into the environment as an emission. Another disadvantage is the methane slip associated with the process of generating electricity and heat, which is also released into the environment as an emission with a very high If global warming potential. in
Unter biogenen Gasen versteht man Gärgase, die aus Deponien abgeschöpft werden können. Es ist der Stand der Technik diese biogenen Gase in Strom und Wärme umzuwandeln und das erzeugte Kohlendioxid an die Umgebung als Emission abzugeben. Ein weiterer Nachteil ist der mit dem Verfahren der Strom und Wärmeerzeugung verbundene Methanschlupf, der ebenfalls als Emission mit sehr hohem Treibhauspotenzial an die Umgebung abgegeben wird. Biogenic gases are fermentation gases that can be skimmed off from landfills. It is the state of the art to convert these biogenic gases into electricity and heat and to release the generated carbon dioxide into the environment as an emission. Another disadvantage is the methane slip associated with the process of generating electricity and heat, which is also released into the environment as an emission with a very high global warming potential.
Das Verfahren der Pyrolyse ist Stand der Technik. Unter Pyrolyse versteht man die Umwandlung und Dissoziation von Gasen, Flüssigkeiten und Stoffen zu Kohlenstoff und den Grundgasen wie Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid unter Einsatz von extern zugeführter Wärme. Gebaut wurden Niedertemperaturpyrolyseanlagen mit einem Temperaturniveau von 300°C bis maximal 450°C. Als Substrat werden Feststoffe verwendet. The pyrolysis process is state of the art. Pyrolysis is the conversion and dissociation of gases, liquids and substances into carbon and the basic gases such as oxygen, hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide using externally supplied heat. Low-temperature pyrolysis plants with a temperature level of 300 ° C to a maximum of 450 ° C were built. Solids are used as the substrate.
Die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe des Verfahrens der Elektrolyse ist bekannt. Das Verfahren basiert auf elektrochemischer Trennung von Wasser und ist auch bekannt unter dem Begriff der Elektrolyse. Das Verfahren der Elektrolyse ist sehr energieintensiv. Bei Kohlenwasserstoffen wie Methan verwendet man heute standardmäßig das Verfahren der Wasserdampfreformierung. Doch das Verfahren setzt voraus, dass man Wasser und Wasserdampf verfügbar hat. Dabei ist zu beobachten, dass Kohlendioxid mit Hilfe von Wasserdampf nur auf elektrochemischen Weg gespalten werden kann. Diese Verfahren sind als SOEC ( Solid Oxide Electrolysis Cells ) bekannt, sind jedoch sehr aufwendig und energieintensiv. Beide Verfahren sind elektrochemische verfahren, beruhen auf den Faradayschen Gesetzen und sind sehr energieintensiv und aufwendig. The production of hydrogen and oxygen using the process of electrolysis is known. The process is based on the electrochemical separation of water and is also known as electrolysis. The electrolysis process is very energy-intensive. In the case of hydrocarbons such as methane, the process of steam reforming is now used as standard. But the process requires that water and steam are available. It can be observed that carbon dioxide can only be split electrochemically with the aid of water vapor. These processes are known as SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cells), but are very complex and energy-intensive. Both processes are electrochemical, are based on Faraday's laws and are very energy-intensive and costly.
Die Aufgabe, die an die Erfindung gestellt wird, besteht darin, dass Biogas, biogene Gase und ein Gemisch aus Methan und Kohlendioxid in Stoffe wie die Kohlenstoff und Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid aufgespalten wird, der Kohlenstoff in amorpher Form vorliegt, und Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid getrennt als reine Gase verfügbar sind, um einerseits die Produkte Wasserstoff, Sauerstoff und andererseits Kohlenstoff in amorpher Form zu gewinnen. Zusätzliche Eigenschaften wie die Nullemission und die externe Wärmezuführung sollen so zu einer wirtschaftlichen Alternative zur bekannten Wasserelektrolyse führen. The task set for the invention is that biogas, biogenic gases and a mixture of methane and carbon dioxide are split into substances such as carbon and hydrogen, oxygen and carbon monoxide, the carbon is in amorphous form, and hydrogen, oxygen and carbon monoxide are available separately as pure gases, on the one hand to obtain the products hydrogen, oxygen and on the other hand carbon in amorphous form. Additional properties such as zero emission and the external heat supply should lead to an economical alternative to the well-known water electrolysis.
Das in dem Patent DE 601 15 109 T2 dargestellte Verfahren beschreibt das Verfahren der Plasmapyrolyse, bei dem mit Hilfe von Lichtbogenplasma ein System erhitzt und geschmolzen wird. Das dabei anfallende Gas besteht aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Der Nachteil des Verfahrens ist, dass es für Feststoffe geeignet ist, und zudem Schlacke in flüssiger Form anfällt. Durch die hohen Temperaturen kann man eine Verglasung von Carbonaten erreichen. The method shown in patent DE 601 15 109 T2 describes the method of plasma pyrolysis, in which a system is heated and melted with the aid of arc plasma. The resulting gas consists of hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide. The disadvantage of the process is that it is suitable for solids, and slag is also produced in liquid form. Due to the high temperatures, carbonates can be vitrified.
Die Erfindung nutzt das Prinzip der Pyrolyse, also die externe Erzeugung von Wärme durch (A das Verfahren der Erwärmung mit Hilfe der Induktion. Dabei werden Wicklungen 56,21,31, kA The invention uses the principle of pyrolysis, i.e. the external generation of heat through (A the process of heating with the aid of induction. Windings 56, 21, 31, kA
. 70,79 elektrisch mit Strom beaufschlagt und durch das so erzeugte Magnetfeld erfolgt das Erwärmen bis Hin zum Schmelzen von Metallen in den Reaktoren 55, 26,30,74,80. . 70, 79 is electrically charged with current and the magnetic field generated in this way is used to heat up to the melting of metals in the reactors 55, 26, 30, 74, 80.
Die Erfindung nutzt als Ausgangstoffe, das Gemisch aus Methan 95 und Kohlendioxid 2, wie es bei Biogas 1, biogenen Gasen 94, oder auch durch die Kombination von Methan 95 und Kohlendioxid 2 in jedweder Konzentration. Vor allem die Kombination von Methan und Kohlendioxid kann man eine echte nachhaltige Senke für Kohlendioxid erreichen. The invention uses, as starting materials, the mixture of methane 95 and carbon dioxide 2, as is the case with biogas 1, biogenic gases 94, or also through the combination of methane 95 and carbon dioxide 2 in any concentration. Above all, the combination of methane and carbon dioxide can create a real sustainable sink for carbon dioxide.
Aus den Ausgangsstoffen wie Biogas 1, biogene Gase 1 und dem Gasgemisch aus Methan 95 und Kohlendioxid 2 wird unter Verwendung der Pyrolyse die gewünschten Produkte wie Wasserstoff 49, Sauerstoff 48,93 und Kohlenstoff 50,59,89 erzeugt. Ein Zwischenschritt ist die Erzeugung von Kohlenmonoxid 39. Kohlenmonoxid kann man dabei als Produkt für die Erzeugung eines Synthesegases verwendet werden, das man zu höherwertigen Alkoholen fermentieren kann. Man kann in einem zweiten Schritt aus Kohlenmonoxid 39 wiederum durch das Verfahren der Pyrolyse Sauerstoff 93 und Kohlenstoff 89 gewinnen. From the starting materials such as biogas 1, biogenic gases 1 and the gas mixture of methane 95 and carbon dioxide 2, the desired products such as hydrogen 49, oxygen 48.93 and carbon 50.59.89 are generated using pyrolysis. An intermediate step is the production of carbon monoxide 39. Carbon monoxide can be used as a product for the production of a synthesis gas that can be fermented to form higher-valent alcohols. In a second step, oxygen 93 and carbon 89 can again be obtained from carbon monoxide 39 by the pyrolysis process.
In dem folgenden Abschnitt werden die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Gase und Dämpfe wie Methan 95, Kohlendioxid 12, Sauerstoff 42,93, Wasserstoff 49, Kohlenstoff 50,59,89 dargestellt. The following section presents the physical and chemical properties of gases and vapors such as methane 95, carbon dioxide 12, oxygen 42.93, hydrogen 49, carbon 50,59,89.
Methan CH4 Methane CH4
Molmasse 16,04 g/mol Molar mass 16.04 g / mol
Dichte 0,72 Ka/m? (20°C ) Phase Gas Density 0.72 Ka / m? (20 ° C) phase gas
Bildungsenthalpie -74,87_ | _kJ/mol Bildungsentropie 188,66 _ | J/mol K Wärmeleitung 0,03 W/mK Enthalpy of formation -74.87_ | _kJ / mol entropy of formation 188.66 _ | J / mol K thermal conductivity 0.03 W / mK
Spez. Wärmekapazität | 34,9 J/mol K Specific heat capacity | 34.9 J / mol K
Tabelle 10: Chemische und Physikalische Eigenschaften, Daten von Methan 1. Table 10: Chemical and physical properties, data of methane 1.
Kohlendioxid CO2 Carbon dioxide CO2
Molmasse 44,01 g/mol Molar mass 44.01 g / mol
Dichte 1,98 Ka/m® (20°C ) Phase Gas( dampf ) Bildungsenthalpie -393,51 kJ/mol Bildungsentropie 213,785 J/mol K Wärmeleitung 0,016 W/mK Density 1.98 Ka / m® (20 ° C) phase gas (vapor) enthalpy of formation -393.51 kJ / mol entropy of formation 213.785 J / mol K heat conduction 0.016 W / mK
Spez. Wärmekapazität | 24,99 J/mol K Specific heat capacity | 24.99 J / mol K
Tabelle 10: Chemische und Physikalische Eigenschaften, Daten von Kohlendioxid 2,12 . Table 10: Chemical and physical properties, data of carbon dioxide 2.12.
Kohlenmonoxid Co Carbon monoxide co
Molmasse 28,01 g/mol Molar mass 28.01 g / mol
Dichte 1,25 Ka/m* (20°C) Phase Gas Density 1.25 Ka / m * (20 ° C) phase gas
Bildungsenthalpie -110,53_| kJ/mol Bildungsentropie 197,66_ | J/mol K Wärmeleitung 0,0250 | W/mK Enthalpy of formation -110.53_ | kJ / mol entropy of formation 197.66_ | J / mol K heat conduction 0.0250 | W / mK
Spez. Wärmekapazität_| 25,56 J/mol K Specific heat capacity_ | 25.56 J / mol K
Tabelle 10: Chemische und Physikalische Eigenschaften, Daten von Kohlenmonoxid 39. Table 10: Chemical and physical properties, data of carbon monoxide 39.
W. stoff H2 W. substance H2
Molmasse 1,008 g/mol Molar mass 1.008 g / mol
Dichte 0,0899 Ka/m? (20°C) Phase gas Density 0.0899 Ka / m? (20 ° C) phase gas
Bildungsenthalpie 0 kJ/mol Bildungsentropie 130,68 J/mol K Wärmeleitung 0,1805 W/mK Entropy of formation 0 kJ / mol Entropy of formation 130.68 J / mol K Heat conduction 0.1805 W / mK
Spez. Wärmekapazität | 14,3404 | kJ/mol K Specific heat capacity | 14,3404 | kJ / mol K
Tabelle 10: Chemische und Physikalische Eigenschaften, Daten von Wasserstoff 49. Table 10: Chemical and physical properties, data of hydrogen 49.
Sauerstoff 02 Oxygen 02
Molmasse 15,999 ag/mol Dichte 1,429 Ka/m® Phase Gas Bildungsenthalpie 0 kJ/mol Bildungsentropie 205,152 J/mol K Wärmeleitung 0,02568 W/m K Molar mass 15.999 ag / mol density 1.429 Ka / m® phase gas enthalpy of formation 0 kJ / mol entropy of formation 205.152 J / mol K heat conduction 0.02568 W / m K
Spez. Wärmekapazität | 30,03295 | kJ/mol K Specific heat capacity | 30.03295 | kJ / mol K
Tabelle 10: Chemische und Physikalische Eigenschaften, Daten von Sauerstoff 42,93. Table 10: Chemical and physical properties, data of oxygen 42.93.
C Molmasse 12,011 Dichte Phase fest C Molar mass 12.011 Density phase, solid
9 kJ/mol 5,833 | J/mol K 119,0 | WmK 0,709 | kJ/molK 9 kJ / mol 5.833 | J / mol K 119.0 | WmK 0.709 | kJ / molK
Tabelle 10: Chemische und Physikalische Eigenschaften, Daten von Kohlenstoff 50,59,89. Table 10: Chemical and physical properties, data of carbon 50,59,89.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die Verwendung von Pyrolysereaktoren 54, 26,30,74,80, die induktiv beheizt sind. The invention solves the problem posed by the use of pyrolysis reactors 54, 26, 30, 74, 80 which are inductively heated.
Unter der Pyrolyse von Methan 95 wird erfindungsgemäß die Spaltung von Methan 11 in Kohlenstoff 50,59 und Wasserstoff 49 verstanden. Die chemische Reaktion und die freie Energie (Gibbsche Energie) ergeben sich als Funktion der Temperatur zu: According to the invention, the pyrolysis of methane 95 is understood to mean the splitting of methane 11 into carbon 50, 59 and hydrogen 49. The chemical reaction and the free energy (Gibbs energy) result as a function of the temperature:
CH4 <=> C H2 mol 1 1 2 16 12 2 | g/mol Massenbilanz 16 0 12 4 | g/mol „74 kJ/mol -74 kJ/mol T 673 673 188,66 1 J/mol K TdS kJ/mol „87,94 dG 7,48924 kJ/mol T 873 873 873 | °K Sf(298°K) 188,66 158,1 130,68 | J/mol K TdS 164,7002 0 | 138,0213 | 114,0836 | kJ/mol Gf=Hf-T Sf -239,57 0| -138,021 | -114,084 | kJ/mol_|dG -12,5348 kJ/mol T 1073 1073 1073 |_°K Sf(298°K) 188,66 158,1 130,68 | J/mol K TdS 202,4322 0 | 169,6413 | 140,2196 | kJ/mol CH4 <=> C H2 mol 1 1 2 16 12 2 | g / mol mass balance 16 0 12 4 | g / mol "74 kJ / mol -74 kJ / mol T 673 673 188.66 1 J / mol K TdS kJ / mol" 87.94 dG 7.48924 kJ / mol T 873 873 873 | ° K Sf (298 ° K) 188.66 158.1 130.68 | J / mol K TdS 164.7002 0 | 138.0213 | 114.0836 | kJ / mol Gf = Hf-T Sf -239.57 0 | -138.021 | -114.084 | kJ / mol_ | dG -12.5348 kJ / mol T 1073 1073 1073 | _ ° K Sf (298 ° K) 188.66 158.1 130.68 | J / mol K TdS 202.4322 0 | 169.6413 | 140.2196 | kJ / mol
Gf=Hf-T Sf -277,302 0] -169,641 | -140,22 | kJ/mol_| dG -32,5588 kJ/mol Gf = Hf-T Sf -277.302 0] -169.641 | -140.22 | kJ / mol_ | dG -32.5588 kJ / mol
T 1273 1 1 °K 1 1 1 K T 1273 1 1 ° K 1 1 1 K
dS 240,1642 0 3556 T Sf -315,034 O0 | -201,261 | -1 kJ/mol_|dG .52,5828 kJ/mol dS 240.1642 0 3556 T Sf -315.034 O0 | -201.261 | -1 kJ / mol_ | dG .52.5828 kJ / mol
Tabelie 10: Freie Energie ( Gibbsche Energie ) der Reduktion von Methan in Kohlenstoff und Wasserstoff. Table 10: Free energy (Gibbs energy) of the reduction of methane into carbon and hydrogen.
Das Verfahren der Pyrolyse benutzt dabei flüssiges Metall 54, das in einem Reaktor 55 induktiv erwärmt und geschmolzen wird. In dieses Metallschmelzbad wird das Methan 11 Ic eingedüst und bildet Blasen. In den Blasen wird durch die Wärme aus der Metallschmelze Kl das Methan 11 in die Bestandteile Kohlenstoff 50,59 und Wasserstoff 49 getrennt. Der Gl Kohlenstoff 59 liegt amorph vor, der in der Wasserstoffblase nun getragen wird. Durch den Auftrieb strömt die Wasserstoffblase entgegen der Schwerkraft an den Kopf des Reaktors, KA The pyrolysis process uses liquid metal 54, which is inductively heated and melted in a reactor 55. The methane 11 Ic is injected into this molten metal bath and forms bubbles. In the bubbles, the methane 11 is separated into the components carbon 50, 59 and hydrogen 49 by the heat from the molten metal Kl. The Gl carbon 59 is amorphous and is now carried in the hydrogen bubble. Due to the buoyancy, the hydrogen bubble flows against the force of gravity to the top of the reactor, KA
wo das Wasserstoffgas 53 in einen Zyklon 52 geleitet wird. In dem Zyklon wird der amorphe Kohlenstoff abgetrennt. Je nach Blasengröße bilden sich in der Wasserstoffblase auch Kohlenstoffcluster, auch bekannt als Ruß. In dem Zyklon 52 werden 95% bis 98% des erzeugten Kohlenstoffes abgeschieden und dann die latente Wärme des Wasserstoffes 51 in den Wärmetauschern 48,49 zur Vorwärmung von Methan 11 genutzt. Die Vorwärmung des Methan 11 über die Wärmetauscher 45,60 hat den erfindungsgemäßen Vorteil, dass die elektrische Energie zum Aufheizen des Metallschmelze 54 in dem Reaktor 55. where the hydrogen gas 53 is passed into a cyclone 52. The amorphous carbon is separated in the cyclone. Depending on the size of the bubble, carbon clusters, also known as soot, also form in the hydrogen bubble. In the cyclone 52, 95% to 98% of the carbon produced is deposited and the latent heat of the hydrogen 51 is then used in the heat exchangers 48, 49 to preheat methane 11. The preheating of the methane 11 via the heat exchangers 45, 60 has the advantage according to the invention that the electrical energy for heating the molten metal 54 in the reactor 55.
Erfindungsgemäß werden Metalle wie Zinn, Blei, Indium verwendet, die eine niedere Schmelztemperatur und eine sehr hohe Siedetemperatur haben. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von den Metallen Zinn und Blei sind wie folgt: According to the invention, metals such as tin, lead and indium are used, which have a low melting temperature and a very high boiling temperature. The physical and chemical properties of the metals tin and lead are as follows:
Zinn Sn Tin Sn
Molmasse 118,71 | g/mol Dichte 5,769 Ka/m? Phase fest Bildungsenthalpie 0 kJ/mol Bildungsentropie 51,3 J/mol K Wärmeleitung 21,59 Wim K Spez. Wärmekapazität | 0,709 kJ/mol K TM 231,9 °C Molar mass 118.71 | g / mol density 5.769 Ka / m? Solid phase entropy of formation 0 kJ / mol entropy of formation 51.3 J / mol K heat conduction 21.59 Wim K spec. Heat capacity | 0.709 kJ / mol K ™ 231.9 ° C
TB 2620 °C Schmelzenthalpie 7,03 kJ/mol TB 2620 ° C enthalpy of fusion 7.03 kJ / mol
Tabelle 10: Chemische und Physikalische Eigenschaften, Daten von Zinn. Table 10: Chemical and physical properties, data of tin.
Blei Pb Lead Pb
Molmasse 207,2 g/mol Dichte 11,342 _| Ka/m? Phase fest Bildungsenthalpie 0 kJ/mol Bildungsentropie 64,8 J/mol K Wärmeleitung 23,56 W/m K Spez. Wärmekapazität | 0,709 kJ/mol K IM 327,43 | °C Molar mass 207.2 g / mol density 11.342 _ | Came? Solid phase entropy of formation 0 kJ / mol entropy of formation 64.8 J / mol K heat conduction 23.56 W / m K specific heat capacity | 0.709 kJ / mol K IM 327.43 | ° C
TB 1744 °C Schmelzenthalpie 4,85 kJ/mol TB 1744 ° C enthalpy of fusion 4.85 kJ / mol
Tabelle 10: Chemische und Physikalische Eigenschaften, Daten von Blei. Table 10: Chemical and physical properties, data of lead.
Im geschmolzenen Zustand können durch die Metallschmelze die Gasblasen im Reaktor 55 in Blasenform entgegen der Schwerkraft aufsteigen und durch die von der Schmelze übertragene Wärme innerhalb der Gasblasen reagieren. Solche Reaktoren nennt man auch Blasenreaktoren. Die Wärme wird über induktive Erwärmung in Form von Wicklungen 56 am Zylindermantel des Reaktors 55 erzeugt. Durch die elektrische Wicklung 56 entsteht ein Magnetfeld, das intern im Reaktor im Metallbad 54 Wirbelströme erzeugt deren elektrische Energie durch die hohen internen Widerstände in Wärme umgewandelt wird. Auf diese Weise kann man im Reaktor 55 eine Temperatur von 800°C bis 1200°C erreichen. In the molten state, the metal melt can cause the gas bubbles in the reactor 55 to rise in the form of bubbles against the force of gravity and react within the gas bubbles due to the heat transferred from the melt. Such reactors are also called bubble reactors. The heat is generated via inductive heating in the form of windings 56 on the cylinder jacket of the reactor 55. The electrical winding 56 creates a magnetic field which generates eddy currents internally in the reactor in the metal bath 54, the electrical energy of which is converted into heat by the high internal resistances. In this way, a temperature of 800.degree. C. to 1200.degree. C. can be reached in the reactor 55.
Bei Gasen die den Sauerstoff als Element enthalten, wie Kohlendioxid 12, Kohlenmonoxid 39 ist das Oxidieren von Metallen im festen Zustand auszunutzen. Das Metall soll und darf nicht schmelzen. Es wird die Eigenschaft der Oxidation und der Desoxidation von Metallen bei unterschiedlichen Temperaturen ausgenutzt. Die Oxidation erfolgt bei niedrigen Temperaturen, die Desoxidation erfolgt in der Nähe des Schmelzpunktes der Metalloxide, also bei hohen Temperaturen. In the case of gases that contain oxygen as an element, such as carbon dioxide 12 and carbon monoxide 39, the oxidation of metals in the solid state is to be used. The metal should not and must not melt. The property of oxidation and deoxidation of metals at different temperatures is used. The oxidation takes place at low temperatures, the deoxidation takes place near the melting point of the metal oxides, i.e. at high temperatures.
Die Reaktoren 26,30, 70,80 besitzen innerhalb des Reaktors eine Schüttung aus Pellets, die aus einem keramischen Träger wie Aluminiumoxid (AlzOs) bestehen, die mit einem Metall MM beschichtet sind. Die Beschichtung ist wenige um bis 100 um dick und porös, sodass eine Öl große Oberfläche gegeben ist. Die große Oberfläche macht einen hohen Umsetzungsgrad in 1 der Trennung des eingedüsten verteilten Gases. En The reactors 26, 30, 70, 80 have a bed of pellets within the reactor, which consist of a ceramic carrier such as aluminum oxide (AlzOs) that are coated with a metal MM. The coating is a few to 100 µm thick and porous, giving an oil-sized surface. The large surface area makes a high degree of conversion in 1 the separation of the injected distributed gas. En
Allgemein kann man Metalle zur Oxidation und Desoxidation wie folgt benutzen: Me+02-—>»Me0-Q Me0 —>Me+0,+Q Die Oxidation erfolgt bei niederen Temperaturen, die Desoxidation von Sauerstoff erfolgt in der Nähe des Schmelzpunktes von Metalloxiden. Die Erfindung nutzt die Eigenschaft der In general, metals can be used for oxidation and deoxidation as follows: Me + 02 -—> »Me0-Q Me0 -> Me + 0, + Q The oxidation takes place at low temperatures, the deoxidation of oxygen takes place near the melting point of metal oxides . The invention takes advantage of the property of
Oxidation von Metallen aus. Es werden hier die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Mangan(Il,Il)oxiden und Eisen(Il,IIHoxiden dargestellt: Oxidation of metals. The chemical and physical properties of manganese (II, II) oxides and iron (II, IIHoxiden) are shown here:
MnO MnO
Molmasse 70,93 5,37 Molecular weight 70.93 5.37
Phase Fest Grüne Farbe - 1 Phase solid green color - 1
59,86 J/mol K 58,1 W/mK 46,51 kJ/mol K TM 1945,0 | °C TB 127 °C 59.86 J / mol K 58.1 W / mK 46.51 kJ / mol K TM 1945.0 | ° C TB 127 ° C
Tabelle 10: Chemische und Physikalische Eigenschaften, Daten von Mangan(Il)oxid 71,81. Table 10: Chemical and physical properties, data for manganese (II) oxide 71.81.
Molmasse 86,94 Dichte 5,03 Phase Braune Farbe Bildu Bildu 53,1 J/mol K 58,1 W/mK 54,1 kJ/mol K TM 535 © TB 1190 °C Molar mass 86.94 Density 5.03 Phase Brown color Image 53.1 J / mol K 58.1 W / mK 54.1 kJ / mol K TM 535 © TB 1190 ° C
Tabelle 10: Chemische und Physikalische Eigenschaften, Daten von Mangan(Ill)oxid 71,81. Table 10: Chemical and physical properties, data for manganese (III) oxide 71.81.
Eisen(I)oxid FeQ Iron (I) oxide FeQ
Molmasse 71,85 a/mol Molar mass 71.85 a / mol
Dichte 5,75 g/cm® Density 5.75 g / cm®
Phase Fest Grüne Farbe Bildungsenthalpie -272,1 | KJ/mol Bildungsentropie 58,79 J/mol K Wärmeleitung 51,1 W/mK Phase solid Green color Enthalpy of formation -272.1 | KJ / mol entropy of formation 58.79 J / mol K heat conduction 51.1 W / mK
Spez. Wärmekapazität | 46,51 kJ/mol K Specific heat capacity | 46.51 kJ / mol K
IM 1369,0 | °C IM 1369.0 | ° C
TB 3414,0 | °C TB 3414.0 | ° C
Tabelle 10: Chemische und Physikalische Eigenschaften, Daten von Eisen(Il)oxid 23,32. Table 10: Chemical and physical properties, data for iron (II) oxide 23,32.
Eisen(Ill)oxid Fe:O; Iron (III) oxide Fe: O;
Molmasse 231,53 | g/mol Molar mass 231.53 | g / mol
Dichte 5,0 Ka/m® Density 5.0 Ka / m®
Phase Fest Braune Farbe Phase solid brown color
Bildungsenthalpie -821,3_| KJ/mol geh Bildungsentropie 87.45 | J/mol K ( Wärmeleitung 58,1 W/mK W} Spez. Wärmekapazität | 98,28 | kJ/molK TM 1597 °C ’ Cl TB 2623 [°C fe Enthalpy of formation -821.3_ | KJ / mol go formation entropy 87.45 | J / mol K (thermal conductivity 58.1 W / mK W} specific heat capacity | 98.28 | kJ / molK TM 1597 ° C ’Cl TB 2623 [° C fe
Tabelle 10: Chemische und Physikalische Eigenschaften, Daten von Eisen(Ill)oxid 23,32. Table 10: Chemical and physical properties, data for iron (III) oxide 23,32.
In den Reaktoren 26,30 werden Schüttkörper bestehend aus einem keramischen Grundkörper aus Aluminiumoxid (Al>O3) der mit Eisenoxid beschichtet ist. Die Beschichtung hat eine Dicke von 10um bis 100um und ist porös, sodass eine große Oberfläche gewonnen wird. Die Schüttkörper sind Pellets mit einem Durchmesser von 3 mm bis 5 mm, einer Länge von 5 mm bis 10 mm. In the reactors 26, 30 bulk bodies are made up of a ceramic base body made of aluminum oxide (Al> O3) which is coated with iron oxide. The coating has a thickness of 10 µm to 100 µm and is porous, so that a large surface area is obtained. The bulk bodies are pellets with a diameter of 3 mm to 5 mm and a length of 5 mm to 10 mm.
Erfindungsgemäß werden in den Reaktoren 26,30 die Oxide von Eisen (Fe) verwendet. Dabei wird Eisen bei sehr niedrigen Temperaturen kleiner 290°C oxidiert und bei einer Temperatur von 1300°C desoxidiert: According to the invention, the oxides of iron (Fe) are used in the reactors 26, 30. Iron is oxidized at very low temperatures below 290 ° C and deoxidized at a temperature of 1300 ° C:
2FeO + CO, — Fe,O0; +CO — Q 2FeO + CO, - Fe, O0; + CO - Q
1 Fe203 — 2Fe0 +02 + Q 1 Fe203 - 2Fe0 +02 + Q
Dieser Prozess der Oxidation und Desoxidation von Kohlendioxid 12 an Eisenoxidpellets ermöglicht die Reduktion von Kohlendioxid 12 zu Kohlenmonoxid 39 und Sauerstoff 42. Die Wärme wird induktiv 21,31 eingebracht. Die Kühlung der Reaktoren 23,30 erfolgt mit Hilfe von internen Verdampferschlangen 22,36, in denen das flüssige Kohlendioxid verdampft wird. Der Kohlendioxiddampf 27, 28 wird den wechselweise den Reaktoren 26,30 zugeführt. This process of oxidation and deoxidation of carbon dioxide 12 on iron oxide pellets enables the reduction of carbon dioxide 12 to carbon monoxide 39 and oxygen 42. The heat is introduced inductively 21, 31. The reactors 23, 30 are cooled with the aid of internal evaporator coils 22, 36, in which the liquid carbon dioxide is evaporated. The carbon dioxide vapor 27, 28 is fed alternately to the reactors 26, 30.
Erfindungsgemäß wird daher das Kohlendioxid (CO2) mit Hilfe von Metalloxiden aufgespalten. Im ersten Verfahrensschritt erfolgt die erfindungsgemäß Trennung von Kohlendioxid in Sauerstoff und Kohlenmonoxid in einem Reaktor 26,30 mit Hilfe von Eisenoxiden: According to the invention, therefore, the carbon dioxide (CO2) is split with the aid of metal oxides. In the first process step, the separation of carbon dioxide into oxygen and carbon monoxide according to the invention takes place in a reactor 26, 30 with the help of iron oxides:
FeO CO2___<=> Co Fe203 mol 2 1 1 1 70 44 28 157 | g/mo! Massenbilanz 140 44 0 28 157 | g/mol Hf(298°K) -264 -393 -110 -957 | kJ/mol -528 -393 0 -110 -957 | kJ/mol -528 -393 0 -110 -957 | kJ/mol_| dH -146 kJ/mol T 1273 1273 1273 1273 Sf(298°K) 58,7 | 213,785 197,66 |_ 205,152 | J/mol K TdS 149,4502 | 272,1483 0 |251,6212 | 261,1585 | kJ/mol Gf=Hf-T Sf -378,55 | -120,852 0]141,6212 | -695,842 | kJ/mol_| dG -54,8188 kJ/mol FeO CO2 ___ <=> Co Fe203 mol 2 1 1 1 70 44 28 157 | g / mo! Mass balance 140 44 0 28 157 | g / mol Hf (298 ° K) -264 -393 -110 -957 | kJ / mol -528 -393 0 -110 -957 | kJ / mol -528 -393 0 -110 -957 | kJ / mol_ | dH -146 kJ / mol T 1273 1273 1273 1273 Sf (298 ° K) 58.7 | 213,785 197,66 | _ 205,152 | J / mol K TdS 149.4502 | 272.1483 0 | 251.6212 | 261.1585 | kJ / mol Gf = Hf-T Sf -378.55 | -120.852 0] 141.6212 | -695.842 | kJ / mol_ | dG -54.8188 kJ / mol
Tabelle 10: Freie Energie ( Gibbsche Energie ) der Reduktion von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und Sauerstoff. Table 10: Free energy (Gibbs energy) of the reduction of carbon dioxide into carbon monoxide and oxygen.
Dieser erste Verfahrensschritt in der Spaltung von Kohlendioxid 12 zu Kohlenmonoxid 39 This first process step in the splitting of carbon dioxide 12 into carbon monoxide 39
und Sauerstoff 42 entspricht auch den bisher beobachteten Messungen. and oxygen 42 also corresponds to the measurements observed so far.
Erfindungsgemäß werden in den Reaktoren 74,80 die Oxide von Mangan (Mn) 71,81 verwendet. Dabei wird Mangan bei sehr niedrigen Temperaturen kleiner 290°C oxidiert und bei einer Temperatur von 500°C desoxidiert: According to the invention, the oxides of manganese (Mn) 71.81 are used in the reactors 74, 80. Manganese is oxidized at very low temperatures below 290 ° C and deoxidized at a temperature of 500 ° C:
Mn0O + CO + He > Mn0,+C+He-Q 1 Mn0; —> MnO0O +50 +Q Mn0O + CO + He> Mn0, + C + He-Q 1 Mn0; -> MnO0O +50 + Q
Dieser Prozess der Oxidation und Desoxidation von Kohlenmonoxid 39 an Manganoxidpellets 71,81 ermöglicht die Reduktion von Kohlenmonoxid 39 zu Kohlenstoff 89 This process of oxidation and deoxidation of carbon monoxide 39 on manganese oxide pellets 71, 81 enables the reduction of carbon monoxide 39 to carbon 89
und Sauerstoff 93. Um den Kohlenstoff 89 aus den Reaktoren 74,80 austragen zu können and oxygen 93. To be able to remove the carbon 89 from the reactors 74,80
| wird das Edelgas Helium (He) 90 verwendet. Das Edelgas hat den Vorteil, dass es zu einer Reaktion mit dem Sauerstoff und den Metalloxiden kommt. | the noble gas helium (He) 90 is used. The noble gas has the advantage that it reacts with the oxygen and the metal oxides.
In den Reaktoren 74,80 erfolgt erfindungsgemäß die Auftrennung von Kohlenmonoxid 39 in Kohlenstoff 89 und Sauerstoff 93: According to the invention, carbon monoxide 39 is separated into carbon 89 and oxygen 93 in reactors 74, 80:
MnO Co <=> C 02 MnO2 MnO Co <=> C 02 MnO2
mol 1 1 1 0,5 1 70 28 12 32 87 | a/mol Massenbilanz 70 28) 0 12 16 87 | g/mol mol 1 1 1 0.5 1 70 28 12 32 87 | a / mol mass balance 70 28) 0 12 16 87 | g / mol
-110 0 kJ/mol -110 0 -520 | kJ/mol -110 0 kJ/mol -110 0 kJ / mol -110 0 -520 | kJ / mol -110 0 kJ / mol
T 323 323 158,1 1 TdS 19 18 0 0663 1_| kJ/mol Gf=Hf-T Sf 765 1 -51,0663 736 dG -126,015 kJ/mol T 323 323 158.1 1 TdS 19 18 0 0663 1_ | kJ / mol Gf = Hf-T Sf 765 1 -51.0663 736 dG -126.015 kJ / mol
Tabelle 10: Freie Energie ( Gibbsche Energie ) der Reduktion von Kohlenmonoxid in Kohlenstoff und Sauerstoff, Table 10: Free energy (Gibbs energy) of the reduction of carbon monoxide into carbon and oxygen,
Das niedrigere Temperaturniveau ist eine Folge der Reaktionseigenschaften von Kohlenmonoxid 39. Durch die geringere Temperatur für die Desoxidation des Sauerstoff vom Magan(lII!)oxid genügt das kalte gasförmige Kohlenmonoxid 39 zur Rückkühlung der Metalloxidbettung 71,81 in den Reaktoren 74,80. The lower temperature level is a consequence of the reaction properties of carbon monoxide 39. Due to the lower temperature for the deoxidation of the oxygen from the maganic (III!) Oxide, the cold gaseous carbon monoxide 39 is sufficient to re-cool the metal oxide bed 71, 81 in the reactors 74, 80.
Die Vorteile dieser Erfindung bestehen darin, daß aus jeder Kombination des Gasgemisches aus Methan und Kohlendioxid, die Produkte Wasserstoff 49, Sauerstoff 42,93 und Kohlenstoff 50,59,89 erzeugt werden können. Diese Erfindung ist großtechnisch leichter umsetzbar als das Verfahren der trockenen Reformierung. Das Verfahren der trockenen Reformierung. fußt auf der Qualität und den Standzeiten der Katalysatoren. Einerseits ergeben sich sehr hohe Kosten durch die Katalysatoren selber und andererseits ist mit dem Tausch der Katalysatoren ein lange Stillstandszeit verbunden. The advantages of this invention are that the products hydrogen 49, oxygen 42.93 and carbon 50.59.89 can be generated from any combination of the gas mixture of methane and carbon dioxide. This invention is easier to implement on an industrial scale than the dry reforming process. The dry reforming process. is based on the quality and service life of the catalytic converters. On the one hand, the catalytic converters themselves result in very high costs and, on the other hand, exchanging the catalytic converters entails a long downtime.
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass die Wärme extern in die Reaktoren eingebracht wird. Damit kann man leichter Teillasten fahren, die Produktion der Anlage ist in hohem Masse regelbar und kann in kleinem Maßstab in Form eines Start/Stopp Betriebes gefahren werden. Another advantage of this invention is that the heat is brought into the reactors externally. This makes it easier to run partial loads, the production of the system can be regulated to a large extent and can be run on a small scale in the form of a start / stop operation.
Da das Verfahren der Pyrolyse von Gasen ausgenutzt wird, hat diese Erfindung den weiteren Vorteil kein Wasser und in der Folge wasserdampf verwenden zu müssen. Das ist in Regionen wo Wasser ein Mangel ist, ein entscheidender wirtschaftlicher und technischer Faktor. fc Since the process of pyrolysis of gases is used, this invention has the further advantage of not having to use water and consequently water vapor. In regions where water is scarce, this is a crucial economic and technical factor. fc
Durch die elektrische Beheizung kann man regenerative Energien in Form von solarer IS Energie und Windenergie leicht und effizient einbinden. Die Erzeugung von grünem id Wasserstoff mit Hilfe dieses Verfahrens ist somit eine technische und wirtschaftlich gute Gl Alternative zu dem Verfahren der Wasserdampfreformierung und der Elektrolyse. K With electrical heating, you can easily and efficiently integrate renewable energies in the form of solar IS energy and wind energy. The production of green id hydrogen with the help of this process is therefore a technically and economically good alternative to the process of steam reforming and electrolysis. K
9 / 24 Fü 9/24 Fü
Symbole und Zeichen Symbols and signs
1 Biogas, als Gemisch aus Methan und Kohlendioxid 2 Kohlendioxid 1 biogas, as a mixture of methane and carbon dioxide 2 carbon dioxide
3 Tankbehälter 3 tank containers
4 Verdichter erste Stufe ( 1: 12) 4 compressors first stage (1:12)
5 Regelarmatur 5 control valve
6 Wärmetauscher als Rückkühler 6 heat exchangers as dry coolers
7 Verdichter zweite Stufe ( 12 : 70) 8 Regelarmatur 7 Compressor second stage (12:70) 8 Control valve
9 Wärmetauscher als Rückkühler 9 heat exchangers as dry coolers
10 Kohlendioxid Kondensator 10 carbon dioxide condenser
11 Methan 11 methane
12 Kohlendioxid flüssig 12 carbon dioxide liquid
13 Tankbehälter für flüssiges Kohlendioxid 13 Tank container for liquid carbon dioxide
14 Pumpe für flüssiges Kohlendioxid 14 Pump for liquid carbon dioxide
15 Regelarmaturen 15 control valves
16 flüssiges Kohlendioxid 16 liquid carbon dioxide
17 flüssiges Kohlendioxid 17 liquid carbon dioxide
18 Regelarmatur 18 control valve
19 Auf/Zu Armatur 19 Open / close fitting
20 Auf/Zu Armatur 20 Open / close fitting
21 induktive Wicklungen 21 inductive windings
22 Verdampferschlangen für flüssiges Kohlendioxid 23 Metalloxid / Keramikträger 24 Regelarmatur 25 Düsenstock 26 Reaktor 27 dampfförmiges Kohlendioxid 28 Regelarmatur 22 evaporator coils for liquid carbon dioxide 23 metal oxide / ceramic carrier 24 control valve 25 nozzle assembly 26 reactor 27 vaporous carbon dioxide 28 control valve
29 Düsenstock 29 nozzle assembly
30 Reaktor 30 reactor
31 induktive Wicklung 31 inductive winding
32 Metalloxid / Keramikträger 32 metal oxide / ceramic carrier
33 Regelarmatur 33 Control valve
34 Auf/Zu Armatur 34 Open / close fitting
35 Auf/Zu Armatur 35 Open / close fitting
36 Verdampferschlangen für flüssiges Kohlendioxid 36 liquid carbon dioxide evaporator coils
37 Regelarmatur 37 Control valve
38 Rückkühler und Kondensator 38 Dry cooler and condenser
39 Kohlenmonoxid 40 Regelarmatur 41 Rückkühler ; 42 Sauerstoff 43 Regelarmatur 44 Pumpe 45 Wärmetauscher 46 Wasserstoff 39 carbon monoxide 40 control valve 41 dry cooler; 42 Oxygen 43 Control valve 44 Pump 45 Heat exchanger 46 Hydrogen
47 Regelarmatur 47 Control valve
48 Gaswäscher 48 scrubbers
49 Wasserstoff 49 hydrogen
50 Kohlestoff mit Waschwasser 51 Wasserstoff 50 carbon with wash water 51 hydrogen
52 Zyklon 53 Wasserstoff mit Kohlenstoff 54 Metall 52 cyclone 53 hydrogen with carbon 54 metal
Reaktor reactor
induktive Wicklungen inductive windings
Regelarmatur für Methan Control valve for methane
Düsenstock Methan Methane nozzle assembly
Kohlenstoff aus dem Zyklon Carbon from the cyclone
Wärmetauscher Wasserstoff / Methan Hydrogen / methane heat exchanger
Helium Tank, Gemisch mit Kohlenmonoxid Verdichter für Gemisch aus Helium und Kohlenmonoxid Regelarmatur Helium tank, mixture with carbon monoxide compressor for mixture of helium and carbon monoxide control valve
Gasgemisch Helium und Kohlenmonoxid Gasgemisch Helium und Kohlenmonoxid Regelarmatur Gas mixture of helium and carbon monoxide Gas mixture of helium and carbon monoxide Control valve
Auf/Zu Armatur Open / close fitting
Auf/Zu Armatur Open / close fitting
Erwärmer für Kohlenmonoxid/ Helium Gasgemisch / Kühlung Reaktor induktive Wicklung Heater for carbon monoxide / helium gas mixture / cooling reactor inductive winding
Metalloxid / keramischer Träger Metal oxide / ceramic carrier
Düsenstock Nozzle holder
Regelarmatur Control valve
Reaktor reactor
erwärmtes Gasgemisch Helium/Kohlenmonoxid erwärmtes Gasgemisch Helium/Kohlenmonoxid Regelarmatur heated gas mixture helium / carbon monoxide heated gas mixture helium / carbon monoxide control valve
Düsenstock Nozzle holder
induktive Wicklungen inductive windings
Reaktor reactor
Metalloxid / keramischer Träger Metal oxide / ceramic carrier
Erwärmer für Kohlenmonoxid/ Helium Gasgemisch / Kühlung Reaktor Regelarmatur Heater for carbon monoxide / helium gas mixture / cooling reactor control valve
Auf/Zu Armatur Open / close fitting
Auf/Zu Armatur Open / close fitting
Regelarmatur Control valve
Rückkühler Dry cooler
Gaswäscher Gas scrubber
Kohlenstoff und Waschwasser Carbon and wash water
Helium helium
Regelarmatur Control valve
Rückkühler Dry cooler
Sauerstoff oxygen
biogenes Gas, Gasgemisch aus Methan und Kohlendioxid Methan biogenic gas, gas mixture of methane and carbon dioxide methane
10 10
Symbole Symbols
H2O Wasser H2O water
CHa Methan CHa methane
CO2 Kohlendioxid CO2 carbon dioxide
CO Kohlenmonoxid CO carbon monoxide
H2 Wasserstoff H2 hydrogen
O2 Sauerstoff O2 oxygen
C Kohlenstoff ( amorph ) C carbon (amorphous)
Sn Zinn Sn tin
Pb Blei Pb lead
MnO Mangan(Il)oxid ( grüne Farbe ) MnO2 Magan(Il)oxid ( braune Farbe ) FeO Eisen(Il)oxid MnO Manganese (II) oxide (green color) MnO2 Magan (II) oxide (brown color) FeO Iron (II) oxide
Fe2Os Eisen(IV)oxid Fe2Os iron (IV) oxide
Abbildungen Illustrations
Abbildung 1 illustration 1
Die Abbildung 1 zeigt die Erzeugung von Wasserstoff 49 und Sauerstoff 42 aus Biogas 94, Biogenen Gasen 95, Methan 1 und Kohlendioxid 2, gespeichert in einem Tank 3. Aus diesem Tank 3 wird mit einem Verdichter 4 über die Regelarmatur 5 und einem Rückkühler 6 das Gasgemisch 1,2 auf einen Druck von 12 bar verdichtet und mit einem Verdichter 7 mit zugehöriger Regelarmatur 8 und Rückkühler 9 auf einen Druck von 70 bar verdichtet. Das rückgekühlte Gasgemisch wird über den Wärmetauscher 10 als Kondensator für das dampfförmige Kohlendioxid 2 geleitet, indem Kohlendioxid in flüssiger Phase 12 abgeschieden wird und in einem Tankbehälter 13 gespeichert wird. Das verbleibende Methan 11 wird über einen Wärmetauscher 45 und einen Wärmetauscher 60 erwärmt und über die Regelarmatur 57 in den Düsenstock 58 des Reaktors 55 eingeleitet. Der Reaktor 55 wird mit induktiven Wicklungen 56 erwärmt. Die Metallpellets 54 schmelzen im Reaktor 55 und werden auf 800°C bis 1200°C erhitzt. In dieses heiße Metallbad wird das Methan 11 eingedüst 58 und in ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoff 53 gespalten. Der Kohlenstoff in amorpher Form bildet Rußpartikel 59, die über den Zyklon 52 abgeschieden werden. Der heiße Wasserstoff 53 wird abgekühlt 61 und über eine Regelarmatur 47 einem Gaswäscher 48 zugeführt. Das Gemisch aus Wasser und Kohlenstoff 50 wird aus dem Wasserstoff 49 abgeschieden und so steht der gereinigte Wasserstoff 49 als Produkt zur Verfügung. Figure 1 shows the generation of hydrogen 49 and oxygen 42 from biogas 94, biogenic gases 95, methane 1 and carbon dioxide 2, stored in a tank 3 Gas mixture 1, 2 compressed to a pressure of 12 bar and compressed to a pressure of 70 bar with a compressor 7 with associated control valve 8 and dry cooler 9. The recooled gas mixture is passed through the heat exchanger 10 as a condenser for the vaporous carbon dioxide 2 by separating carbon dioxide in the liquid phase 12 and storing it in a tank container 13. The remaining methane 11 is heated via a heat exchanger 45 and a heat exchanger 60 and introduced into the nozzle assembly 58 of the reactor 55 via the control valve 57. The reactor 55 is heated with inductive windings 56. The metal pellets 54 melt in the reactor 55 and are heated to 800.degree. C. to 1200.degree. The methane 11 is injected 58 into this hot metal bath and split into a mixture of hydrogen and carbon 53. The carbon in amorphous form forms soot particles 59, which are deposited via the cyclone 52. The hot hydrogen 53 is cooled 61 and fed to a gas scrubber 48 via a control valve 47. The mixture of water and carbon 50 is separated from the hydrogen 49 and the purified hydrogen 49 is available as a product.
Das flüssige Kohlendioxid 12 im Tank 13 wird über die Pumpe 14 abgesaugt und über die Regelarmaturen den Reaktoren 26 und 30 zugeführt. Das flüssige Kohlendioxid 17 wird über die Regelarmatur 18 in den Verdampfer 22 im Reaktor 26 eingeleitet und verdampft. Das heiße verdampfte Kohlendioxid 27 wird in den Reaktor 30 geleitet. Das flüssige Kohlendioxid 16 wird über die Regelarmatur 33 in die Verdampferschlangen 36 im Reaktor 30 eingeleitet und verdampft. Das dampfförmige Kohlendioxid 27 wird dem Reaktor 26 zugeführt. Der Sauerstoff wird dabei vom Metall durch Oxidation aus dem Kohlendioxid entfernt. Das so verbleibende Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Kohlendioxid wird über die Regelarmatur 37 einem Kondensator 38 zugeführt. Das so verflüssigte Kohlendioxid wird über die Pumpe 44 mit zugehöriger Regelarmatur 43 dem Tank 13 rückgeführt. Das Kohlenmonoxid 39 steht als Produkt zur Verfügung. Durch die induktive 21,31 Erhitzung der Reaktoren 26 und 30 wird der Sauerstoff 42 aus den Metalloxiden 23, 32 herausgelöst und über die Regelarmatur 40 dem Rückkühler 41 zugeführt und steht als Produkt 42 Sauerstoff zur Verfügung. The liquid carbon dioxide 12 in the tank 13 is sucked off via the pump 14 and fed to the reactors 26 and 30 via the control valves. The liquid carbon dioxide 17 is introduced into the evaporator 22 in the reactor 26 via the control valve 18 and evaporated. The hot vaporized carbon dioxide 27 is fed into the reactor 30. The liquid carbon dioxide 16 is introduced into the evaporator coils 36 in the reactor 30 via the control valve 33 and evaporated. The vaporous carbon dioxide 27 is fed to the reactor 26. The oxygen is removed from the metal by oxidation from the carbon dioxide. The gas mixture of carbon monoxide and carbon dioxide that remains in this way is fed to a condenser 38 via the control valve 37. The carbon dioxide liquefied in this way is returned to the tank 13 via the pump 44 with the associated control valve 43. The carbon monoxide 39 is available as a product. As a result of the inductive heating of the reactors 26 and 30, the oxygen 42 is released from the metal oxides 23, 32 and fed to the recooler 41 via the control valve 40 and oxygen is available as product 42.
Abbildung 2 Figure 2
Die Abbildung 2 zeigt die Erzeugung von Wasserstoff 49 und Sauerstoff 42 aus Biogas 94, Biogenen Gasen 95, Methan 1 und Kohlendioxid 2, gespeichert in einem Tank 3. Aus diesem Tank 3 wird mit einem Verdichter 4 über die Regelarmatur 5 und einem Rückkühler 6 das Gasgemisch 1,2 auf einen Druck von 12 bar verdichtet und mit einem Verdichter 7 mit zugehöriger Regelarmatur 8 und Rückkühler 9 auf einen Druck von 70 bar verdichtet. Das rückgekühlte Gasgemisch wird über den Wärmetauscher 10 als Kondensator für das dampfförmige Kohlendioxid 2 geleitet, indem Kohlendioxid in flüssiger Phase 12 abgeschieden wird und in einem Tankbehälter 13 gespeichert wird. Das verbleibende Methan 11 wird über einen Wärmetauscher 45 und einen Wärmetauscher 60 erwärmt und Figure 2 shows the generation of hydrogen 49 and oxygen 42 from biogas 94, biogenic gases 95, methane 1 and carbon dioxide 2, stored in a tank 3 Gas mixture 1, 2 compressed to a pressure of 12 bar and compressed to a pressure of 70 bar with a compressor 7 with associated control valve 8 and dry cooler 9. The recooled gas mixture is passed through the heat exchanger 10 as a condenser for the vaporous carbon dioxide 2 by separating carbon dioxide in the liquid phase 12 and storing it in a tank container 13. The remaining methane 11 is heated via a heat exchanger 45 and a heat exchanger 60 and
über die Regelarmatur 57 in den Düsenstock 58 des Reaktors 55 eingeleitet. Der Reaktor 55 E wird mit induktiven Wicklungen 56 erwärmt. Die Metallpellets 54 schmelzen im Reaktor 55 WG und werden auf 800°C bis 1200°C erhitzt. In dieses heiße Metallbad wird das Methan 11 MM Introduced into the nozzle assembly 58 of the reactor 55 via the control valve 57. The reactor 55 E is heated with inductive windings 56. The metal pellets 54 melt in the reactor 55 WG and are heated to 800.degree. C. to 1200.degree. In this hot metal bath the methane becomes 11 MM
eingedüst 58 und in ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoff 53 gespalten. Der Ca Kohlenstoff in amorpher Form bildet Rußpartikel 59, die über den Zyklon 52 abgeschieden hier werden. Der heiße Wasserstoff 53 wird abgekühlt 61 und über eine Regelarmatur 47 einem Te injected 58 and split into a mixture of hydrogen and carbon 53. The Ca carbon in amorphous form forms soot particles 59, which are deposited here via the cyclone 52. The hot hydrogen 53 is cooled 61 and a Te via a control valve 47
13 13th
Gaswäscher 48 zugeführt. Das Gemisch aus Wasser und Kohlenstoff 50 wird aus dem Wasserstoff 49 abgeschieden und so steht der gereinigte Wasserstoff 49 als Produkt zur Verfügung. Gas scrubber 48 supplied. The mixture of water and carbon 50 is separated from the hydrogen 49 and the purified hydrogen 49 is available as a product.
Das flüssige Kohlendioxid 12 im Tank 13 wird über die Pumpe 14 abgesaugt und über die Regelarmaturen den Reaktoren 26 und 30 zugeführt. Das flüssige Kohlendioxid 17 wird über die Regelarmatur 18 in den Verdampfer 22 im Reaktor 26 eingeleitet und verdampft. Das heiße verdampfte Kohlendioxid 27 wird in den Reaktor 30 geleitet. Das flüssige Kohlendioxid 16 wird über die Regelarmatur 33 in die Verdampferschlangen 36 im Reaktor 30 eingeleitet und verdampft. Das dampfförmige Kohlendioxid 27 wird dem Reaktor 26 zugeführt. Der Sauerstoff wird dabei vom Metall durch Oxidation aus dem Kohlendioxid entfernt. Das so verbleibende Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Kohlendioxid wird über die Regelarmatur 37 einem Kondensator 38 zugeführt. Das so verflüssigte Kohlendioxid wird über die Pumpe 44 mit zugehöriger Regelarmatur 43 dem Tank 13 rückgeführt. Das Kohlenmonoxid 39 steht als Produkt zur Verfügung. Durch die induktive 21,31 Erhitzung der Reaktoren 26 und 30 wird der Sauerstoff 42 aus den Metalloxiden 23, 32 herausgelöst und über die Regelarmatur 40 dem Rückkühler 41 zugeführt und steht als Produkt 42 Sauerstoff zur Verfügung. The liquid carbon dioxide 12 in the tank 13 is sucked off via the pump 14 and fed to the reactors 26 and 30 via the control valves. The liquid carbon dioxide 17 is introduced into the evaporator 22 in the reactor 26 via the control valve 18 and evaporated. The hot vaporized carbon dioxide 27 is fed into the reactor 30. The liquid carbon dioxide 16 is introduced into the evaporator coils 36 in the reactor 30 via the control valve 33 and evaporated. The vaporous carbon dioxide 27 is fed to the reactor 26. The oxygen is removed from the metal by oxidation from the carbon dioxide. The gas mixture of carbon monoxide and carbon dioxide that remains in this way is fed to a condenser 38 via the control valve 37. The carbon dioxide liquefied in this way is returned to the tank 13 via the pump 44 with the associated control valve 43. The carbon monoxide 39 is available as a product. As a result of the inductive heating of the reactors 26 and 30, the oxygen 42 is released from the metal oxides 23, 32 and fed to the recooler 41 via the control valve 40 and oxygen is available as product 42.
In der Abbildung 2 wird das erzeugte Kohlenmonoxid 39 in einem Tank 61 zusammen mit Helium 90 gemischt und über den Verdichter 62 mit zugehöriger Regelarmatur 63 den Reaktoren 74,80 zugeführt. Das Gasgemisch 65 wird über die Regelarmatur 66 über die Kühlschlangen 69 im Reaktor 74 als erwärmtes Gasgemisch 75 der Regelarmatur 877 des Reaktors 80 zugeführt. In dem Reaktor 80 wird das Gasgemisch in das Gemisch Helium und Kohlenstoff aufgespalten, der Sauerstoff wird von den Metalloxiden 81 gebunden. Das Gasgemisch wird über die Regelarmatur 86 einem Rückkühler 87 zugeführt und der Kohlenstoff 89 über einen Gaswäscher 88 ausgewaschen, das so verbleibende Helium 90 wird dem Tank 61 rückgeführt. Das Gasgemisch 64 wird über die Regelarmatur 83 über die Kühlschlangen 82 im Reaktor 80 als erwärmtes Gasgemisch 76 der Regelarmatur 72 des Reaktors 74 zugeführt. In dem Reaktor 74 wird das Gasgemisch in das Gemisch Helium und Kohlenstoff aufgespalten, der Sauerstoff wird von den Metalloxiden 71 gebunden. Das Gasgemisch wird über die Regelarmatur 86 einem Rückkühler 87 zugeführt und der Kohlenstoff 89 über einen Gaswäscher 88 ausgewaschen, das so verbleibende Helium wird dem Tank 61 rückgeführt. In FIG. 2, the carbon monoxide 39 produced is mixed together with helium 90 in a tank 61 and fed to the reactors 74, 80 via the compressor 62 with the associated control valve 63. The gas mixture 65 is fed via the control valve 66 via the cooling coils 69 in the reactor 74 as a heated gas mixture 75 to the control valve 877 of the reactor 80. In the reactor 80, the gas mixture is split into the mixture of helium and carbon; the oxygen is bound by the metal oxides 81. The gas mixture is fed to a recooler 87 via the control valve 86 and the carbon 89 is washed out via a gas scrubber 88; the helium 90 that remains in this way is returned to the tank 61. The gas mixture 64 is fed via the control valve 83 via the cooling coils 82 in the reactor 80 as a heated gas mixture 76 to the control valve 72 of the reactor 74. In the reactor 74, the gas mixture is split into the mixture of helium and carbon, and the oxygen is bound by the metal oxides 71. The gas mixture is fed to a recooler 87 via the control valve 86 and the carbon 89 is washed out via a gas scrubber 88; the helium thus remaining is returned to the tank 61.
Durch die Erwärmung der Metalloxide 71,81 in den Reaktoren 74,80 wird der Sauerstoff 93 abgetrennt und über die Regelarmatur 91 einem Rückkühler 92 als Produkt 93 gewonnen. By heating the metal oxides 71, 81 in the reactors 74, 80, the oxygen 93 is separated off and obtained as product 93 via the control valve 91 in a recooler 92.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ATA105/2020A AT523779A1 (en) | 2020-05-04 | 2020-05-04 | Process for the production of hydrogen and oxygen by pyrolysis of a mixture of methane and carbon dioxide |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ATA105/2020A AT523779A1 (en) | 2020-05-04 | 2020-05-04 | Process for the production of hydrogen and oxygen by pyrolysis of a mixture of methane and carbon dioxide |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| AT523779A1 true AT523779A1 (en) | 2021-11-15 |
Family
ID=78474870
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ATA105/2020A AT523779A1 (en) | 2020-05-04 | 2020-05-04 | Process for the production of hydrogen and oxygen by pyrolysis of a mixture of methane and carbon dioxide |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| AT (1) | AT523779A1 (en) |
Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| US20180122519A1 (en) * | 2016-10-31 | 2018-05-03 | Georgia Tech Research Corporation | Thermal reactor systems and methods |
| EP3521241A1 (en) * | 2018-02-06 | 2019-08-07 | Universidad Politécnica De Madrid | Process and device for direct thermal decomposition of hydrocarbons with liquid metal in the absence of oxygen for the production of hydrogen and carbon |
| WO2020046583A1 (en) * | 2018-08-30 | 2020-03-05 | Exxonmobil Research And Engineering Company | Systems and processes for molten media pyrolysis |
-
2020
- 2020-05-04 AT ATA105/2020A patent/AT523779A1/en unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180122519A1 (en) * | 2016-10-31 | 2018-05-03 | Georgia Tech Research Corporation | Thermal reactor systems and methods |
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| WO2020046583A1 (en) * | 2018-08-30 | 2020-03-05 | Exxonmobil Research And Engineering Company | Systems and processes for molten media pyrolysis |
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