BR112018000920B1

BR112018000920B1 - Dispositivo e método para produzir gás sintético

Info

Publication number: BR112018000920B1
Application number: BR112018000920-2A
Authority: BR
Inventors: Stéphane FORTIN; Yilmaz Kara; Julia Ricard
Original assignee: Engie
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2022-03-08
Also published as: AU2016294485A1; CN107922863A; EP3322776A1; DK3322777T3; DK3322776T3; FR3038908A1; BR112018000921A2; FR3038912B1; KR20180030677A; EP3322777A1; AU2016294485B2; CN107922862A; FR3038911A1; WO2017009575A1; SG11201800380TA; CL2018000105A1; EP3322777B1; FR3038912A1; BR112018000921B1; PL3322777T3

Abstract

dispositivo e método para produzir gás sintético. a invenção se refere a um dispositivo de produção de gás sintético (1000) que compreende: - um meio de eletrólise de água (1105) para produzir oxigênio e hidrogênio; - um canal de alimentação do dióxido de carbono (1110); - um meio (1115) para injetar hidrogênio em um canal de alimentação (1015) alimentado com dióxido de carbono, sendo que o dito dióxido de carbono e o dito hidrogênio formam um gás de síntese; - um reator de metanação isotérmico (1005) que compreende: - uma entrada (1010) destinada para o gás de síntese e conectada ao canal de alimentação do gás de síntese (1015); e - uma saída (1020) para gás natural sintético; - um meio de separação de água (1025) que compreende: - uma entrada (1030) para gás natural sintético; e - uma saída (1035) para gás natural sintético desidratado; e - um desvio (1040) para uma porção do gás natural sintético desidratado da saída do meio de separação de água para o canal de alimentação do gás de síntese a fim de fornecer uma mistura do gás de síntese desviado com o gás natural sintético ao reator.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo e a um método para produzir gás sintético. A mesma se aplica, em particular, ao campo de produção de gás natural sintético ou "SNG" (Gás Natural Sintético).

ESTADO DA TÉCNICA

[002] O biometano, que é um "SNG" (Gás Natural Sintético), pode ser produzido utilizando-se métodos Potência-para-SNG (abreviado para "P2G"), projetado para converter água, CO2 e energia elétrica em um gás combustível de uma qualidade similar àquela do gás natural.

[003] Para alcançar um retorno econômico satisfatório, P2G tem base no uso de energia elétrica proveniente e uma fonte renovável durante períodos em que existe uma superprodução dessa energia. Consequentemente, a tecnologia de metanação exige grande flexibilidade operacional em termos de potência, ou taxa de fluxo, e processamento.

[004] Existem diversas opções tecnológicas dentro desse setor.

[005] A primeira opção consiste em coeletrolisar diretamente a água, na forma de vapor, e o CO2 antropogênico para produzir CO e H2. Essa conversão normalmente ocorre em temperatura alta, e o gás produzido é um gás de síntese cujas características composicionais são próximas àquelas da gaseificação de biomassa (CO, H2, CO2 e H2O) . A principal diferença fica no controle melhor da razão H2/CO sem uma etapa de reação gás para água, abreviada para "WGS" (para Comutação Água-Gás) e referida como a "reação <=> de Dussan". A fórmula para essa reação de WGS é

[006] A segunda opção consiste em converter a água por eletrólise da membrana de eletrólito alcalino ou de polimero para produzir H2 no cátodo e O2 no ânodo. O H2 produzido desse modo é misturado, então, com CO2 para formar gás de sintese, que é a fonte do gás natural sintético.

[007] A produção de biometano a partir do gás de sintese tem base na reação de metanação catalítica (ou hidrogenação) do CO ou CO2, denominada "reação de Sabatier". A metanação consiste em converter o monóxido ou dióxido de carbono na presença de hidrogênio e um catalisador, normalmente com base em niquel ou qualquer outro metal de transição mais ou menos nobre, para produzir metano. A mesma é governada pelas seguintes reações de hidrogenação balanceadas de modo competitivo: CO + 3H2<^CH4 + H2O ΔG298K = -206 kJ/g.mol CO2 + 4H2 0CH4 + 2HzO ΔG298K = -27 kcal/mol

[008] Para produzir SNG a partir de gás de sintese, a primeira opção utiliza uma reação de metanação do CO enquanto a segunda opção utiliza uma reação de metanação de CO2.

[009] A reação de metanação é uma reação exotérmica com uma redução na quantidade de moles; de acordo com o principio de Le Chatelier, a reação é facilitada pelo aumento da pressão e dificultada pelo aumento da temperatura.

[010] Essas reações balanceadas altamente exotérmicas exigem bom controle do resfriamento do reator no qual os mesmos ocorrem.

[011] O calor gerado durante a conversão de CO é de aproximadamente 2,7 kWh durante a produção de 1 Nm3 de metano. O controle da temperatura dentro do reator, e, chaves para minimizar a desativação do catalisador, por sinterização, e maximização da taxa de conversão de metano.

[012] O reuso lucrativo do calor produzido durante a metanação, dentro da unidade real ou vendendo-se calor, é uma das chaves para o balanço técnico e econômico do método de produção de SNG. A produção de vapor d'água é um modo convencional de obter esse reuso.

[013] As reações de metanação, que têm cinética rápida nas temperaturas utilizadas, são caracterizadas por exotermicidade muito alta.

[014] Para maximizar a produção de CH4 por hidrogenação do dióxido de carbono, e minimizar o excesso de CO2, o H2 e o CO2 devem ter uma razão estequiométrica de cerca de 4:1. Mesmo respeitando essa razão, a reação permanece incompleta por causa dos balanços quimicos.

[015] Entre as tecnologias do reator de metanação, algumas utilizar um reator com leito fluidizado denso, sendo que o leito é formado pela reação de metanação catalisador. O calor produzido pela reação é, portanto, removido por trocadores imersos no leito fluidizado. Entretanto, por causa da exotermicidade muito alta da reação, a quantidade de calor a ser removido, e, portanto, as áreas de superfície de troca exigidas, é muito grande. Portanto, o volume ocupado pelo trocador leva a um superdimensionamento geral do tamanho do reator, e, acima de tudo, a tornar seu modelo mais complexo.

[016] A utilização de um leito fluidizado é uma solução simples para limitar a temperatura da reação. A fluidificação do catalisador pela mistura reagente permite a homogeneização quase perfeita das temperaturas em todos^ps pontos da camada de catalisador e o reator pode ser assimilado a um reator isotérmico. A remoção do calor produzido pela reação é alcançada por meio de trocadores imersos dentro do leito fluidizado. Os coeficientes de troca térmica entre a camada fluidizada e uma parede imersa no leito são muito altos (da ordem de 400 a 600 watts por kelvin por metro quadrado, expresso como W/K.m2, em comparação àqueles entre um liquido e uma parede) e tornam possivel minimizar as dimensões do trocador, e, portanto, o tamanho geral do reator.

[017] Na faixa de temperatura utilizada nos reatores de metanação com leito fluidizado, as cinéticas da reação de metanação são muito rápidas e, como resultado, a quantidade de catalisador exigida apenas para a reação quimica é baixa. Consequentemente, o tamanho do reator e a quantidade de catalisador usado parte das dimensões gerais do trocador instalado dentro do leito fluidizado e a partir da área da superficie de transferência exigida.

[018] Por causa da troca térmica e do regime de fluidificação, uma desvantagem principal é atribuível a essa tecnologia para a operação de alta pressão. A redução no volume de gás devido à pressão aumentada leva a uma área de corte transversal menor disponível para posicionar o trocador (para potência equivalente). Entretanto, soluções da pessoa versada na técnica existem para superar o ajuste da área de superficie efetiva ou o regime de fluidificação. Por exemplo, as soluções não exaustivas são: - reduzir a quantidade de tubos e, como resultado, aumentar a altura da camada de catalisador, com um limite de altura ligado ao fenômeno de fluidificação agregativa cóm, propriedades de troca térmica reduzidas, sendo que a fluidificação agregativa é o movimento de sólidos em pacotes com, entre dois pacotes, um bolso gasoso que preenche toda a área de corte transversal de um reator, que tem o efeito de produção de uma alternação entre pacotes sólidos e gasosos em vez de uma mistura de gás e sólidos, conforme esperado; e - modificar as características fisicas do catalisador (tamanho de partícula, densidade da sustentação) para preservar uma fluidificação equivalente para uma taxa de fluxo volumétrica inferior.

[019] Para otimizar a flexibilidade operacional, o leito fluidizado permite naturalmente maior flexibilidade em termos de reator taxa de fluxo e, portanto, potência em relação a condições de dimensionamento.

[020] As soluções propostas atualmente para essa familia tecnológica não são realmente diferenciadas uma da outra pela eficiência de conversão, mas, principalmente, pela metodologia utilizada para resfriar o reator.

[021] Os principios de resfriamento no contexto de metanação de CO2 são, atualmente, os mesmos para a metanação de CO quando a conversão for executada em um reator "isotérmico". Além disso, mesmo com um ajuste dos reagentes H2/CO2 à razão estequiométrica de 4:1, o SNG produzido continuará a conter H2, CO2 e água, que precisam ser removidos a fim e cumprir as especificações para injeção na grade de gás natural. O diagrama esquemático geral para sistemas P2G atuais, portanto, compreende as seguintes etapas: - realizar metanação do CO2 e do hidrogênio produzidó^ % / pela eletrólise; e - se ajustar às especificações, para separar o H2O e o H2/CO2 residual.

[022] A função do ajuste à etapa de especificações deve separar os constituintes do gás produzido por metanação a fim de obter um biometano que cumpre as especificações para a injeção na grade de gás natural. Essa separação, portanto, gera os subprodutos H2O, CO2 e H2. A mesma, normalmente, é executada no equipamento separado com, às vezes, condições operantes muito diferentes.

[023] Antes do SNG produzido ser processado e injetado, uma fração significativa do H2 residual proveniente da reação de metanação deve ser removida a fim de cumprir as especificações. A técnica usada de modo mais frequente para essa separação é a permeação de membrana, que pode apresentar um nivel não trivial de complexidade e custos, em termos de gasto de capital e operação, com um impacto considerável na cadeia de valor.

[024] A composição do SNG bruto na saida a partir do reator está relacionada proximamente às condições operantes do reator, em termos de pressão, temperatura, modo de operação adiabático ou isotérmico do reator, sendo que essas condições governam os balanços quimicos das reações de metanação. Essas reações normalmente formam água, e, consequentemente, essa espécie precisa ser separada. Em relação à outra espécie (CO2 e H2), suas concentrações respectivas podem ser modificadas atuando-se primeiro no modo operante do reator (adiabático ou isotérmico) e segundo na temperatura ou pressão. Uma alta pressão e uma baixa uma série de etapas também é necessária para alcançar uma qualidade de conversão equivalente ao reator isotérmico. Em todo o caso, para uma pressão operante de menos de 4 Mpa (40 bars), a composição do gás produzido é normalmente incompatível em relação às especificações para a injeção ou use de gás natural, e são necessárias etapas de melhoria para remover o CO2 e/ou o H2 residual. Portanto, o modo operante forma um bloco para simplificar a cadeia de métodos.

[025] Os sistemas são conhecidos como aqueles no documento US 2013/0317126. Nesses sistemas, um reator de metanação adiabático é utilizado e uma porção dos produtos de metanação é recirculada na entrada do dito reator.

[026] Essa recirculação dos produtos de metanação é desejada, de acordo com esse documento, no ajuste da temperatura dos reagentes inseridos no reator de metanação adiabático de modo a moderar a exotermicidade da reação adiabática que ocorre no reator.

[027] Nessas soluções, a temperatura alcançada na entrada ao reator de metanação é da ordem de 310 a 330°C e a temperatura na saida a partir desse reator é da ordem de 620°C, que resulta em uma conversão um tanto quanto ineficiente limitada pela termodinâmica da reação e, portanto, a presença de compostos indesejáveis, por exemplo, o excesso de H2, CO2 no fluxo emitido a partir do reator. Essa presença de compostos indesejáveis, especialmente hidrogênio, torna uma etapa de separação do hidrogênio necessária a jusante do reator para cumprir, por exemplo, as to Rub especificações para a injeção na distribuição ou grade dé^ %/ transporte do gás natural.

[028] É considerado gue o fluxo cumpra as especificações de injeção quanto as características a seguir do fluxo: - alto valor de aquecimento ("HHV"); - indice de Wobbe; e - teor de hidrogênio.

[029] Estão dentro das faixas de valor predefinidas que correspondem às características particulares da distribuição ou grade de transporte do gás natural.

[030] Os sistemas como aqueles descritos no documento US 3 967 936 também são conhecidos. Nesses sistemas, uma série de reatores de metanação adiabáticos é utilizada e uma porção dos produtos de metanação é recirculada na entrada a cada reator da série.

[031] Essa recirculação dos produtos de metanação é desejada, de acordo com esse documento, no ajuste da temperatura dos reagentes inseridos no reator de metanação adiabático de modo a moderar a exotermicidade da reação adiabática que ocorre no reator.

[032] Do mesmo modo, essas soluções exigem a separação, a jusante do reator, de compostos indesejáveis como hidrogênio para cumprir, por exemplo, as especificações para injeção na distribuição ou grade de transporte do gás natural.

[033] Os sistemas são conhecidos como aqueles no documento US 2009/0247653. Nesses sistemas, uma série de três reatores de metanação adiabáticos é utilizada, sendo que o último reator na série é projetado para produzir metano sintético adicional. Nesses sistemas, uma porção dos 9/29 produtos de metanação CO e H2 é recirculada depois reator em direção ao fluxo inserido do primeiro série de modo a ajustar a razão entre CO e H2 e ajustar a temperatura do fluxo inserido do primeiro reator a fim de moderar a exotermicidade da reação adiabática que ocorre no primeiro reator.

[034] Entretanto, essas soluções também exigem a separação, a jusante do reator, de compostos indesejáveis como hidrogênio.

[035] Os reatores adiabáticos, embora os mesmos não assumam o resfriamento dentro do reator de metanação, têm diversas desvantagens: - uma pluralidade de reatores em série é necessária para obter uma proteção de metanação satisfatória; e - no caso de metanação de CO, uma composição especifica do gás sintético, adicionando-se o que é conhecido como etapa de catalisação de gás-para-água, é necessária para obter uma estequiometria satisfatória.

[036] Por outro lado, o modelo de reatores adiabáticos é mais simples, visto que os mesmos consistem basicamente em uma câmara que tem que resistir normalmente a altas pressões (> 3 Mpa (30 bars)) par alcançar uma conversão satisfatória.

[037] No caso de metanação em um reator isotérmico, a pressão operante não precisa ser tão alta (< 2 Mpa (20 bars)), mas exige a disposição de superficies imersas na camada de catalisador, que gera um modelo complexo e custo adicional ligado ao sistema de resfriamento.

[038] Consequentemente, os sistemas atuais não tornam possivel controlar a temperatura da reação em um reator de metanação isotérmico.

[039] Em conclusão, as técnicas atuais do estado da';V / xa<^' técnica não permitem o controle satisfatório da exotermicidade da reação de metanação isotérmica e não produzem a flexibilidade satisfatória do dispositivo em relação a flutuações de potência ligadas diretamente à superprodução de eletricidade. Além disso, essas técnicas atuais exigem uma separação sistemática de H2 e/ou CO2 para cumprir as especificações para a injeção ou uso como um substituto para gás natural na grade.

[040] Portanto, os sistemas atuais não tornam o ajuste às especificações para injeção na distribuição ou grade de transporte do gás natural possiveis sem que uma etapa de separação do hidrogênio, a jusante da etapa de metanação, ocorra.

MATÉRIA DA INVENÇÃO

[041] A presente invenção tem o objetivo de remediar toda ou parte dessas desvantagens.

[042] Com essa finalidade, de acordo com um primeiro aspecto, a presente invenção possibilita um dispositivo de produção de gás sintético que compreende: - um meio de eletrólise de água para produzir oxigênio e hidrogênio; - um canal de alimentação do dióxido de carbono; - um meio para injetar hidrogênio em um canal de alimentação alimentado com dióxido de carbono, esse dióxido de carbono e esse hidrogênio formam um gás de sintese; - um reator de metanação isotérmico que compreende: - uma entrada pretendida para o gás de sintese e conectada ao canal de alimentação do gás de sintese; e - uma saida para gás natural sintético; - um meio de separação de água que compreende: - uma entrada para gás natural sintético; e - uma saida for gás natural sintético desidratado; e - um desvio para uma porção do gás natural sintético desidratado a partir da saida do meio de separação de água até o canal de alimentação do gás de sintese a fim de fornecer uma mistura do gás de sintese e do gás natural sintético desviado ao reator.

[043] Como o meio de separação de água resfria o gás natural sintético, que alimenta uma porção desse gás natural sintético na entrada até o reator permite que o gás de sintese seja resfriado e significa que o reator não exige um trocador de calor. O modelo de tal reator, especialmente em termos de dimensionamento, se torna ainda mais simples. Além disso, a alimentação de gás natural sintético desidratado no canal de alimentação melhora o indice de Wobbe e HHV da reação de produtos de metanação através da modificação favorável dos balanços de reação. Portanto, o dispositivo que é a matéria da presente invenção permite um dimensionamento reduzido do reator e um ajuste às especificações para a grade de gás que exige pouco ou nenhum processamento a jusante da reação de metanação.

[044] Além disso, a utilização de um reator isotérmico torna possivel ter uma única etapa de metanação para obter uma conversão eficiente do gás natural sintético e obter um gás de uma qualidade próxima às especificações para injeção na distribuição ou grade de transporte do gás natural.

[045] Em algumas modalidades, o dispositivo que é a matéria da presente invenção compreende um canal de desvio, para uma porção dos produtos de reação da metanação a quente, reator e o meio de separação de água; e - uma saida posicionada a montante da entrada até o reator.

[046] Essas modalidades tornam possivel regular a taxa de fluxo inserida no reator de modo a dar ao dispositivo uma grande flexibilidade, independentemente da quantidade de energia elétrica produzida a montante.

[047] Em algumas modalidades, o dispositivo que é a matéria da presente invenção compreende: - um meio para medir a taxa de fluxo do hidrogênio produzido por eletrólise; e - um meio para regular a taxa de fluxo do dióxido de carbono no canal de alimentação do carbono como uma função da taxa de fluxo do hidrogênio medida.

[048] Essas modalidades tornam possivel regular a composição do gás de sintese inserido ao reator de metanação.

[049] Em algumas modalidades, o dispositivo que é a matéria da presente invenção compreende: - a jusante do reator, um sensor de uma temperatura do gás natural sintético; e - a montante da entrada até o reator, um meio para pré- aquecer a mistura como uma função da temperatura medida.

[050] Essas modalidades tornam possivel controlar a temperatura do reator e garantir a isotermalidade desse reator.

[051] Em algumas modalidades, o dispositivo que é a matéria da presente invenção compreende: - um sensor de uma magnitude fisica que representa um valor de aquecimento de combustível ou uma composição do gás natural sintético desidratado; e - urn recirculador de gás natural inserido no desvio, controlado como uma função de um valor da magnitude física medida.

[052] Em algumas modalidades, o dispositivo que é a matéria da presente invenção compreende: - um meio para medir a taxa de fluxo do gás de síntese a jusante da localidade de mistura; e - um recirculador do gás natural quente inserido no canal de desvio, controlado como uma função da taxa de fluxo do gás de síntese medida.

[053] Essas modalidades tornam possível regular a taxa de fluxo inserida ao reator como uma função da taxa de fluxo do gás de síntese medida.

[054] Em algumas modalidades, o meio de separação de água é configurado para resfriar os gases naturais sintéticos a uma temperatura entre -5°C e +60°C.

[055] Essas modalidades tornam possível separar quase toda a água contida no SNG na saída a partir do reator de metanação.

[056] Em algumas modalidades, o meio de separação é configurado para resfriar os gases naturais sintéticos a uma temperatura abaixo da temperatura do ponto de condensação da água nas condições operantes do reator em questão.

[057] Em algumas modalidades, o reator isotérmico é um reator com leito fluidizado.

[058] Em algumas modalidades, o dispositivo que é a matéria da presente invenção compreende pelo menos uma superfície de troca de calor posicionada no leito fluidizado. v<^sma' o

[059] Essas modalidades tornam possível regular 'ã । temperatura dentro do reator de metanação.

[060] Essas modalidades permitem que a temperatura na camada de catalisador do reator isotérmico se torne uniforme de modo simples.

[061] De acordo com um segundo aspecto, a presente invenção pretende um método para produzir gás sintético, que compreende: - uma etapa de eletrólise de água para produzir oxigênio e hidrogênio; - a etapa de alimentação de dióxido de carbono; - uma etapa de injeção de hidrogênio, emitido a partir da etapa de eletrólise, para um canal de alimentação alimentado com dióxido de carbono, emitido a partir da etapa de alimentação do dióxido de carbono, sendo que esse dióxido de carbono e esse hidrogênio formam um gás de síntese; - uma etapa de reação de metanação, que compreende: - uma etapa de inserção de gás de síntese em um reator de metanação isotérmico por meio do canal de alimentação do gás de síntese, e - uma etapa de emissão de gás natural sintético; - uma etapa de separação de água, que compreende: - uma etapa de inserção de gás natural sintético e - uma etapa de emissão de gás natural sintético desidratado; e - uma etapa de desvio de uma porção do gás natural sintético desidratado emitido a partir da etapa de separação de água para o canal de alimentação do gás de sintese a fim de fornecer uma mistura do gás de síntese e do gás natural sintético desviado para o reator.

[062] O método que é a matéria da presente invenção que corresponde ao dispositivo que é a matéria da presente invenção, os recursos, vantagens e objetivos particulares desse método são similares àqueles do dispositivo que é a matéria da presente invenção. Esses recursos, vantagens e objetivos não são repetidos no presente contexto.

[063] Em algumas modalidades, o método que é a matéria da presente invenção compreende uma etapa de desvio de uma porção dos produtos de reação da metanação a quente, a um montante da etapa de metanação.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[064] Outras vantagens, objetivos e recursos particulares da invenção se tornarão aparentes a partir da descrição não limitante que segue pelo menos uma modalidade particular do dispositivo e método para produzir gás sintético que são as matérias da presente invenção, com referência a desenhos incluidos em um apêndice, em que: - A Figura 1 representa, de modo esquemático, uma modalidade particular do dispositivo que é a matéria da presente invenção; - A Figura 2 representa, de modo esquemático e na forma de um diagrama lógico, uma série particular de etapas do método que é a matéria da presente invenção; - A Figura 3 representa, na forma de uma curva, o indice de Wobbe do gás sintético obtido pela modalidade do dispositivo da Figura 1 e do método que são as matérias da presente invenção; - A Figura 4 representa, na forma de uma curva, o HHV do gás sintético obtido pela modalidade do dispositivo da Figura 1 e do método que são as matérias da presente invenção; - A Figura 5 representa, na forma de uma curva, do fluxo molar de hidrogênio nos gases naturais na saida a partir do reator de metanação durante a utilização da modalidade do dispositivo da Figura 1 e do método que são as matérias da presente invenção; - A Figura 6 representa, na forma de uma curva, a exotermicidade da reação de metanação durante a utilização da modalidade do dispositivo da Figura 1 e do método que são as matérias da presente invenção; e - A Figura 7 representa, de modo esquemático, um exemplo do sistema utilizado no estado da técnica.

DESCRIÇÃO DOS EXEMPLOS DA REALIZAÇÃO DA INVENÇÃO

[065] A presente descrição é dada como um exemplo não limitante, cada característica de uma modalidade que tem capacidade para ser combinada com qualquer outra característica de qualquer outra modalidade de modo vantaj oso.

[066] Agora é observado que as Figuras não estão em escala.

[067] A Figura 7 mostra uma vista esquemática de um exemplo de sistema 80 utilizado no estado da técnica.

[068] Nesses sistemas 1600, os reagentes de metanação entram em um reator de metanação 1605, que pode ser parte de uma série (não mostrada) de tais reatores.

[069] Na saida da etapa de metanação, a água é separada dos produtos de metanação por um meio 1625 para separar essa água, como um trocador de calor, por exemplo.

[070] O gás natural sintético desidratado é, então, processado por um meio 1645 para separar dióxido de carbono.

[071] Por último, o gás natural sintético é processado I por um meio 1655 para separar hidrogênio para que esse gás natural sintético cumpra as especificações para injeção na grade de distribuição do gás natural.

[072] As etapas de separação de água, dióxido de carbono e hidrogênio podem ser executadas em qualquer ordem.

[073] A Figura 1, que não está em escala, mostra uma vista esquemática de uma modalidade do dispositivo 1000 que é a matéria da presente invenção. Esse dispositivo de produção de gás sintético 1000 compreende: - um meio de eletrólise de água 1105 para produzir oxigênio e hidrogênio; - um canal de alimentação do dióxido de carbono 1110; - um meio 1115 para injetar hidrogênio em um canal de alimentação 1015 alimentado com dióxido de carbono, esse dióxido de carbono e esse hidrogênio formam um gás de sintese; - um reator de metanação isotérmico 1005 que compreende: - uma entrada 1010 pretendida para o gás de sintese e conectada ao canal de alimentação do gás de sintese 1015 e - uma saida 1020 para gás natural sintético; - um meio de separação de água 1025 que compreende: - uma entrada 1030 para gás natural sintético, - uma saida 1035 para gás natural sintético desidratado; e - uma saida 1027 para a água separada do gás natural sintético; e - um desvio 1040 para uma porção do gás natural sintético desidratado a partir da saida do meio de separação de água até o canal de alimentação do gás de sintese a fim de fornecer uma mistura do gás de sintese desviado com o gás natural 18/29 sintético ao reator.

[074] O reator 1005 é, de preferência, leito fluidizado de metanação isotérmico que opera em uma temperatura predefinida. A fluidificação do catalisador pela mistura reagente permite a homogeneização quase perfeita das temperaturas em todos os pontos da camada de catalisador e o reator 1005 pode ser assimilado a um reator isotérmico. Em algumas variantes, esse reator 1005 pode ser um reator de água fervente, conhecido à pessoa versada na técnica sob a abreviação "BWR" (para Reator de Água Fervente). Em outras variantes, esse reator 1005 pode ser um reator com parede resfriada ou um reator trocador.

[075] Em algumas modalidades, o reator 1005 compreende pelo menos uma superficie de troca de calor 1006 posicionada no leito fluidizado do reator isotérmico 1005.

[076] Essa superficie 1006 é, por exemplo, um tubo configurado para formar um ciclo para circular um fluido a partir do exterior do reator 1005 para o interior desse reator 1005, sendo que o fluido é resfriado do lado de fora do reator 1005.

[077] Esse fluido é, por exemplo, vapor d'água superaquecido ou saturado.

[078] Esse reator 1005 é configurado para executar a metanação do dióxido de carbono.

[079] Esse reator 1005 compreende a entrada 1010 para o gás de sintese que é, por exemplo, uma abertura do reator 1005 equipado com um conector (não mostrado) compativel com o canal de alimentação do gás de sintese 1015.

[080] Os gases naturais sintéticos saem do reator 1005 através da saida 1020 a partir do reator. A saida 1020 é, por exemplo, uma abertura conectada a um conector (na%, , mostrado) que torna possível se conectar a um canal vedado para transportar gás natural sintético.

[081] 0 meio de separação de água 1025 é, por exemplo, um trocador de calor para resfriar os gases naturais sintéticos a uma temperatura abaixo da temperatura do ponto de condensação da água. Essa temperatura está, de preferência, entre -5°C e +60°C. De preferência, essa temperatura está entre 5°C e 40°C.

[082] Em algumas modalidades preferenciais, o meio de separação de água 1025 é configurado para resfriar os gases naturais sintéticos a uma temperatura abaixo da temperatura do ponto de condensação da água nas condições operantes do reator 1005 em questão.

[083] A água separada desse modo é coletada por uma saída 1027 para água e pode ser usada pelo meio de eletrólise de água 1105.

[084] 0 meio de separação de água 1025 compreende a entrada 1030 para gás natural sintético. Essa entrada 1030 é, por exemplo, uma abertura associada a um conector (não mostrado) como conectada a um canal vedado para transportar gás natural sintético emitido a partir do reator 1005.

[085] 0 meio de separação de água 1025 compreende a saída 1035 para gás natural sintético desidratado. A saída 1035 é, por exemplo, uma abertura associada a um conector (não mostrado) como conectada a um canal vedado (não referida) que transporta gás natural sintético desidratado.

[086] 0 desvio 1040 é, por exemplo, um canal vedado conectado ao canal de transporte para gás natural sintético desidratado a fim de capturar uma porção do fluxo que atravessa esse canal de transporte.

[087] Esse desvio 1040 injeta os gases naturais sintéticos desidratados no canal de alimentação do gás de síntese 1015.

[088] Desse modo, o gás de sintese e o gás natural sintético desidratado, resfriadas pelo processo de separação de água, formam uma mistura que, no reator 1005, reduz a exotermicidade da reação de metanação e melhora dessa forma as especificações do gás natural sintético emitido a partir do reator 1005.

[089] Em particular, a mistura produzida torna possivel evitara separação a jusante de H2 no SNG.

[090] 0 canal de alimentação 1015 é vedado e recebe, por exemplo, CO2 e H2 emitidos a partir de um meio de eletrólise de água.

[091] O meio de eletrólise 1105 é, por exemplo, um eletrolisador para água, configurado para separar moléculas de água em moléculas de oxigênio e moléculas de hidrogênio.

[092] O dióxido de carbono no canal de alimentação 1110 é processado por compressão e pelo tratamento de impurezas a montante do dispositivo 1000.

[093] O meio de injeção 1115 é, por exemplo, uma válvula para injetar hidrogênio no canal de alimentação 1015.

[094] Em algumas modalidades preferenciais, como aquela mostrada na Figura 1, o dispositivo 1000 compreende: - um meio 1120 para medir a taxa de fluxo do hidrogênio produzido por eletrólise; e - um meio 1125 para processar dióxido de carbono no canal de alimentação do carbono 1015 como uma função da taxa de fluxo do hidrogênio medida.

[095] O meio de processamento de dióxido de carbono 1125 é, por exemplo, um circuito de controle eletrônico que multiplica a taxa de fluxo medida do hidrogênio por um coeficiente do ponto de definição determinado 1126. O resultado dessa multiplicação é comunicado a uma válvula reguladora da taxa de fluxo do dióxido de carbono, sendo que esse resultado corresponde a um ponto de definição da taxa de fluxo.

[096] Para uma produção ideal de CFU, a razão H2/CO2 deve ser ajustada para próximo da estequiometria, isto é, entre 3,9 e 4,1, de modo a limitar o excesso de reagentes. Essa reação é controlada regulando-se a taxa de fluxo de CO2 como uma função da medição da taxa de fluxo do fluxo de H2 e um fator estequiométrico.

[097] Em algumas modalidades preferenciais, como aquela mostrada na Figura 1, o dispositivo 1000 compreende: - a jusante do reator 1005 e a montante do meio de separação de água 1025, um sensor 1062 de uma temperatura do gás natural sintético; e - a montante da entrada até o reator, um meio 1060 para pré-aquecer a mistura como uma função da temperatura medida.

[098] O meio de pré-aquecimento 1060, de preferência, aquece a mistura a uma temperatura mais alta que a temperatura do ponto de condensação da mistura, para impedir qualquer pré-condensação da mistura, e mais baixa que a temperatura operante do reator, para permitir que o reator 1005 seja resfriado.

[099] Em algumas modalidades preferenciais, como aquela mostrada na Figura 1, o meio de pré-aquecimento da mistura 1060 aquece essa mistura a uma temperatura entre 50°C e 300°C. De preferência, o meio de pré-aquecimento da mistuBa,r 1060 aquece essa mistura a uma temperatura mais alta que 50°C e menor que a temperatura operante do reator 1005.

[100] Esse meio de pré-aquecimento 1060 é, por exemplo, um trocador de calor para aquecer o gás de sintese.

[101] A temperatura do meio de pré-aquecimento 1060 varia conforme uma função da temperatura capturada e um ponto de definição da temperatura predefinida. Se a temperatura capturada for mais alta que o ponto de definição da temperatura, a potência do meio de pré-aquecimento 1060 é reduzido. De modo reciproco, a potência do meio de pré- aquecimento 1060 é aumentada quando a temperatura capturada estiver abaixo do ponto de definição da temperatura.

[102] Em algumas modalidades preferenciais, como aquela mostrada na Figura 1, o dispositivo 1000 compreende um canal de desvio 1070, para uma porção dos produtos de reação da metanação a quente, que compreende: - uma entrada 1075 posicionada entre a saida a partir do reator 1005 e o meio de separação de água 1025; e - uma saida 1080 posicionada a montante da entrada 1010 até o reator 1005.

[103] O canal de desvio 1070 é, por exemplo, um canal vedado. A entrada 1075 é, por exemplo, uma abertura que emerge no interior do canal de transporte do gás natural sintético, a montante do meio de separação de água 1025. A saida 1080 é, por exemplo, uma abertura para injetar gás natural sintético na mistura, a jusante do meio de pré- aquecimento 1060.

[104] Os gases naturais sintéticos, que são quentes, tornam possivel manter a taxa de fluxo no reator 1005.

[105] A taxa de fluxo do gás de síntese é inteiramente uma função das quantidades de eletricidade disponivel. A fim de manter a estabilidade de conversão durante a operação de metanação, as condições hidrodinâmicas devem ser mantidas tão constantes quanto possivel. Entretanto, se a potência elétrica disponivel for insuficiente e, como resultado, a taxa de fluxo do gás de sintese for reduzida, é necessário manter uma taxa de fluxo geral constante inserida ao reator 1005 ou optar para uma tecnologia muito flexivel. Mesmo no caso do leito fluidizado capaz de operar em uma faixa de taxa de fluxo de um a seis, as taxas de fluxo que são baixas demais podem causar degradação do resfriamento, e, portanto, da conversão. Para superar essa dificuldade, no caso de uma queda significativa na taxa de fluxo do gás de sintese, a taxa de fluxo na saida a partir do meio de pré-aquecimento 1060 é suplementada por uma recirculação quente que vem diretamente da saida 1020 do reator 1005 por meio do canal de desvio 1070. 0 fato de usar um fluido de recirculação quente não causa um desequilíbrio térmico do reator 1005, mas permite que o dispositivo 1000 se torne muito flexivel.

[106] Em algumas modalidades preferenciais, como aquela mostrada na Figura 1, o dispositivo 1000 compreende: - um meio 1085 para medir a taxa de fluxo do gás de sintese a jusante da localidade de mistura e a montante do reator 1005; e - um recirculador 1090 do gás natural inserido no canal de desvio 1070, controlado como uma função da taxa de fluxo do gás de sintese medida.

[107] O meio de medição da taxa de fluxo 1085 pode ser qualquer tipo conhecido à pessoa versada na técnica que seja adequado para medir a taxa de fluxo de gases, como%um anemómetro, fluxômetro do efeito Coriolis, fluxômetro do efeito de vórtice ou fluxômetro eletromagnético, por exemplo.

[108] 0 recirculador 1090 é similar ao recirculador 1055 em termos estruturais. Esse recirculador 1090 é controlado como uma função da taxa de fluxo medida pelo meio de medição da taxa de fluxo 1085 e um valor de ponto de definição da taxa de fluxo 1087. Se a taxa de fluxo medida estiver abaixo de um ponto de definição da taxa de fluxo predefinido 1087, o recirculador 1090 é atuado de modo a formar a diferença entre a taxa de fluxo medida e o ponto de definição da taxa de fluxo 1087 por uma taxa de fluxo equivalente de gás natural sintético.

[109] Em algumas modalidades preferenciais, como aquela mostrada na Figura 1, o dispositivo 1000 compreende: - um sensor 1050 de uma magnitude fisica que representa um valor de aquecimento de combustível ou uma composição do gás natural sintético desidratado; e - um recirculador 1055 de gás natural quente inserido no desvio, controlado como uma função de um valor da magnitude fisica medida.

[110] O sensor 1050 é, por exemplo, um circuito eletrônico para estimar o HHV associado a uma cromatografia de gás que determina uma composição do SNG no desvio 1040 ou na saida 1035.

[111] O recirculador 1055 tem o objetivo de deslocar a carga, ou pressão, perdas sucessivamente no meio de pré- aquecimento 1060, no reator 1005, no meio de separação de água 1025 particularmente para o dispositivo 1000 descrito com referência à Figura 1, e todos os canais de conexão desses diversos itens do equipamento.

[112] Tal perda de carga é estimada como entre 0,02 MPa e 0,08 MPa (200 e 800 mbars) , por exemplo. O recirculador 1055 é, por exemplo, um ventilador, compressor ou ejetor.

[113] Na modalidade da Figura 1, o dispositivo 1000 compreende um meio 1085 para medir a taxa de fluxo do gás de sintese a jusante da localidade de mistura, sendo que o recirculador 1090 do gás natural inserido no canal de desvio 1070 é controlado como uma função da taxa de fluxo do gás de sintese medida.

[114] Graças às características descritas com referência à Figura 1, em uma pressão operante próxima a 1 MPa (dez bars), e para uma taxa de fluxo dada, essa modalidade permite que as etapas de separação de H2 e CO2 subsequentes sejam eliminadas.

[115] A utilização do dispositivo 1000 que é a matéria da presente invenção torna possivel obter gás sintético próximo às especificações da grade de gás que exigem poucas operações adicionais.

[116] Além disso, o dispositivo 1000 também pode ser utilizado para uma faixa de pressão de entre um MPa e dez MPa (um bar e cem bars) , e uma faixa de temperaturas predefinidas de entre 150°C e 700°C.

[117] A Figura 2 mostra, na forma de um diagrama lógico das etapas, uma modalidade particular do método 1600 que é a matéria da presente invenção. Esse método de produção de gás sintético 1600 compreende: - uma etapa de eletrólise de água 1640 para produzir oxigênio e hidrogênio; - a etapa 1645 de alimentação de dióxido de carbono; - uma etapa 1650 de injeção de hidrogênio, emitido a partir da etapa de eletrólise 1640, para um canal de alimentação alimentado com dióxido de carbono, emitido a partir da etapa de alimentação do dióxido de carbono 1645, sendo que esse dióxido de carbono e esse hidrogênio formam um gás de sintese; - uma etapa de reação de metanação 1605, que compreende: - uma etapa 1610 de inserção de gás de sintese em um reator de metanação isotérmico por meio do canal de alimentação do gás de sintese, e - uma etapa 1615 de emissão de gás natural sintético; - uma etapa 1620 de separação de água, que compreende: - uma etapa 1625 de inserção de gás natural sintético e - uma etapa 1630 de emissão de gás natural sintético desidratado; uma etapa 1635 de desvio de uma porção do gás natural sintético desidratado emitido a partir da etapa de separação de água para o canal de alimentação do gás de sintese a fim de fornecer uma mistura do gás de sintese e do gás natural sintético desviado para o reator; e - de preferência, uma etapa 1655 de desvio de uma porção dos produtos de reação da metanação a quente, emitidos a partir da etapa de reação 1605, para a montante da etapa de metanação.

[118] Esse método 1600 é utilizado, por exemplo, por um dispositivo 1000 que é a matéria da presente invenção e é descrito com referência às Figuras 1.

[119] As Figuras 3 a 6 mostram o resultado de simulações executadas para o dispositivo 1000 que é a matéria da presente invenção.

[120] A Figura 3 mostra, no eixo geométrico x, o indice de Wobbe do gás natural sintético produzido pelo dispositivo, 1000, como uma função da taxa de recirculação, no eixo geométrico y, e da natureza do gás natural sintético recirculado na entrada até o reator de metanação, 1005. O termo "taxa de recirculação" significa a quantidade de gás emitido a partir do meio de separação 1025 reinjetado no canal 1015 dividida pela quantidade total de gás emitido a partir do meio de separação 1025.

[121] É observado, em particular, que a recirculação de gás natural sintético úmido 1205 não tem efeito sobre o indice de Wobbe do gás natural sintético produzido pelo dispositivo.

[122] Também é observado que a recirculação de gás natural sintético desidratado 1210 melhora o indice de Wobbe do gás natural sintético produzido pelo dispositivo.

[123] A Figura 4 mostra, no eixo geométrico x, o HHV do gás natural sintético produzido pelo dispositivo, 1000, como uma função da taxa de recirculação, no eixo geométrico y, e da natureza do gás natural sintético recirculado na entrada até o reator de metanação, 1005.

[124] É observado, em particular, que a recirculação de gás natural sintético úmido 1305 não tem efeito sobre o HHV do gás natural sintético produzido pelo dispositivo.

[125] Também é observado que a recirculação de gás natural sintético desidratado 1310 melhora o HHV do gás natural sintético produzido pelo dispositivo.

[126] A Figura 5 mostra, no eixo geométrico x, a variação relativa no fluxo molar de H2 na saida a partir do dispositivo 28/29 geométrico y, e da natureza do gás natural sintético recirculado na entrada até o reator de metanação 1005 comparada ao fluxo molar de H2 em um dispositivo sem recirculação.

[127] É observado, em particular, que a recirculação de gás natural sintético úmido 1405 não tem efeito sobre o fluxo molar de H2 na saida a partir do dispositivo.

[128] Também é observado que a recirculação de gás natural sintético desidratado 1410 causa uma redução no fluxo molar de H2 na saida a partir do dispositivo.

[129] A Figura 6 torna possivel ver a mudança na exotermicidade normalizada do reator, isto é, o calor a ser removido em comparação a um caso sem recirculação, como uma função da taxa de recirculação para a configuração de referência e o dispositivo 1000 descritos acima.

[130] A Figura 6 mostra, no eixo geométrico x, a exotermicidade da reação de metanação do dispositivo 1000 como uma função da taxa de recirculação, no eixo geométrico y, e da natureza do gás natural sintético recirculado na entrada até o reator de metanação 1005.

[131] É observado, em particular, que a recirculação de gás natural sintético úmido 1505 reduz a exotermicidade da reação de metanação.

[132] Também é observado que a recirculação de gás natural sintético desidratado 1510 também reduz a exotermicidade do reator de metanação.

[133] Parece que aumentar a taxa de recirculação leva a uma redução linear na exotermicidade do reator. No presente contexto, o SNG recirculado desempenha o papel de acumulador de calor, que é mais marcado na presença de H2O por causa de uma capacidade de calor mais alta. Obter um nivel de recirculação que corresponde a uma temperatura operante ideal do dispositivo 1000 torna possivel ser liberado do trocador interno do reator e a separação de H2 para ajuste às especificações. Adicionalmente, o reator é alotérmico e, portanto, exige uma alimentação de calor para manter as reações.

[134] A mudança nas frações molares das espécies de H2, CO2 e CH4 como uma função da taxa de recirculação para a configuração simulada está na direção de melhoria da qualidade de SNG com o dispositivo de recirculação de SNG desidratado.

Claims

1. Dispositivo de produção de gás sintético (1000) caracterizado pelo fato de que compreende: - um meio de eletrólise de água (1105) para produzir oxigênio e hidrogênio; - um canal de alimentação do dióxido de carbono (1110); - um meio (1115) para injetar hidrogênio do meio de eletrolise em um canal de alimentação (1015) alimentado com dióxido de carbono pelo canal de alimentação do dióxido de carbono (1110), sendo que esse dióxido de carbono e esse hidrogênio formam um gás de síntese; - um reator de metanação isotérmico (1005) que compreende: - uma entrada (1010) destinada para o gás de síntese e conectada ao canal de alimentação do gás de síntese (1015) e - uma saída (1020) para gás natural sintético; - um meio de separação de água (1025) que compreende: - uma entrada (1030) para gás natural sintético conectada à saída de gás natural sintético e - uma saída (1035) para gás natural sintético desidratado; e - um desvio (1040) para uma porção do gás natural sintético desidratado da saída do meio de separação de água para o canal de alimentação do gás de síntese (1015) a fim de fornecer uma mistura do gás de síntese desviado com o gás natural sintético ao reator.

2. Dispositivo (1000), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende: - um meio (1120) para medir a taxa de fluxo do hidrogênio produzido por eletrólise; e - um meio (1125) para processar dióxido de carbono no canal de alimentação do carbono (1015) como uma função da taxa de fluxo do hidrogênio medida.

3. Dispositivo (1000), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende: - a jusante do reator (1005) e a montante do meio de separação de água (1025), um sensor (1062) de uma temperatura do gás natural sintético; e - a montante da entrada até o reator, um meio (1060) para pré-aquecer a mistura como uma função da temperatura medida.

4. Dispositivo (1000), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que compreende: - um sensor (1050) de uma magnitude física que representa um valor de aquecimento de combustível ou uma composição do gás natural sintético desidratado; e - um recirculador (1055) de gás natural inserido no desvio, controlado como uma função de um valor da magnitude física medida.

5. Dispositivo (1000), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que compreende um canal de desvio (1070), para uma porção dos produtos de reação de metanação a quente, que compreende: - uma entrada (1075) posicionada entre a saída a partir do reator (1005) e o meio de separação de água (1025); e - uma saída (1080) posicionada a montante da entrada até o reator.

6. Dispositivo (1000), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende: - um meio (1085) para medir a taxa de fluxo do gás de síntese a jusante da localidade de mistura; e - um recirculador (1090) do gás natural quente inserido no canal de desvio (1070), controlado como uma função da taxa de fluxo do gás de síntese medida.

7. Dispositivo (1000), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o meio de separação (1025) é configurado para resfriar os gases naturais sintéticos até uma temperatura entre -5 °C e +60 °C.

8. Dispositivo (1000), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o meio de separação de água (1025) é configurado para resfriar os gases naturais sintéticos até uma temperatura abaixo da temperatura do ponto de condensação da água nas condições operantes do reator (1005) em questão.

9. Dispositivo (1000), de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que o meio de separação de água (1025) é configurado para resfriar os gases naturais sintéticos até uma temperatura abaixo da temperatura do ponto de condensação nas condições operantes do reator (1005).

10. Dispositivo (1000), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o reator isotérmico (1005) é um reator com leito fluidizado.

11. Dispositivo (1000), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos uma superfície de troca de calor (1006) posicionada no leito fluidizado.

12. Método (1600) para produzir gás sintético caracterizado pelo fato de que compreende: - uma etapa de eletrólise de água (1640) para produzir oxigênio e hidrogênio; - uma etapa (1645) de alimentação de dióxido de carbono; - uma etapa (1650) de injeção de hidrogênio, emitido a partir da etapa de eletrólise, para um canal de alimentação alimentado com dióxido de carbono, emitido a partir da etapa de alimentação do dióxido de carbono, sendo que esse dióxido de carbono e esse hidrogênio formam um gás de síntese; - uma etapa de reação de metanação (1605) que compreende: - uma etapa (1610) de inserção de gás de síntese em um reator de metanação isotérmico por meio do canal de alimentação do gás de síntese, e - uma etapa (1615) de emissão de gás natural sintético; - uma etapa (1620) de separação de água que compreende: - uma etapa (1625) de inserção de gás natural sintético e - uma etapa (1630) de emissão de gás natural sintético desidratado; - uma etapa (1635) de desvio de uma porção do gás natural sintético desidratado emitido da etapa de separação de água para o canal de alimentação do gás de síntese a fim de fornecer uma mistura do gás de síntese e do gás natural sintético desviado para o reator.

13. Método (1600), de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende uma etapa (1655) de desvio de uma porção dos produtos de reação da metanação a quente para a montante da etapa de metanação.