BR112018000921B1

BR112018000921B1 - Dispositivo e método para produzir gás sintético

Info

Publication number: BR112018000921B1
Application number: BR112018000921-0A
Authority: BR
Inventors: Yilmaz Kara; Stéphane FORTIN; Julia Ricard
Original assignee: Engie
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2022-03-08
Also published as: AU2016294487B2; BR112018000920B1; CN107922863A; WO2017009577A1; FR3038912B1; PL3322777T3; EP3322776B1; CL2018000105A1; DK3322776T3; BR112018000921A2; KR20180030679A; FR3038911A1; AU2016294485A1; FR3038908A1; EP3322777A1; KR20180030677A; AU2016294485B2; SG11201800380TA; ES2804550T3; ES2804548T3

Abstract

dispositivo e método para produzir gás sintético. a invenção se refere a um dispositivo de produção de gás natural sintético (10) que compreende: - um meio (805, 905) para co-eletrólise de alta temperatura de uma mistura de dióxido de carbono e água a fim de produzir um gás de síntese que compreende monóxido de carbono, dióxido de carbono, água e hidrogênio; - um reator de metanação isotérmico (105, 205) que compreende: - uma entrada (110, 210) para o gás de síntese produzido pelo meio de co-eletrólise, - uma entrada (110) que é destinada para o gás de síntese produzido por eletrólise e é conectado a um canal de alimentação do gás de síntese (115), e - uma saída (120) para gás natural sintético; - um meio de separação de água (125) que compreende: - uma entrada (130) para gás natural sintético; e - uma saída (135) para gás natural sintético desidratado; e - um desvio (140) 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 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 periodos 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 co-eletrolisar diretamente a água, na forma de vapor, e o 002 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, Hz, 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 polímero para produzir H2 no cátodo e 02 no ânodo. 0 H2 produzido desse modo é misturado, então, com 002 para formar gás de síntese, 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 catalitica (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:

[008] Para produzir SNG a partir de gás de sintese, a primeira opção utiliza uma reação de metanação do CO e CO2 residual 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. 0 controle da temperatura dentro do reator, portanto, remoção do calor produzido pela reação, é uma das 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 CFU por hidrogenação do monóxido de carbono, o H2 e o CO devem ter uma razão estequiométrica de cerca de 3:1. 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 os 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 superfície de transferência exigida.

[018] Em temperaturas abaixo de 230°C, é provável que o niquel, que constitui o catalisador ou está presente no material que forma as paredes do reator, reaja com o monóxido de carbono para formar niquel-tetracarbonila (Ni(CO)4), um composto altamente tóxico. Por esse motivo, é essencial que todas as porções do reator em contato com CO estejam sempre a uma temperatura acima de 150°C e, de preferência, acima de 230°C.

[019] Por causa da troca térmica e do regime de fluidificação, uma desvantagem principal é atribuível a essa tecnologia para a operação de alta pressão 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 superfície 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 com 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.

[020] 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.

[021] 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.

[022] O diagrama esquemático geral para sistemas P2G atuais, portanto, compreende as seguintes etapas: - realizar a co-eletrólise do vapor d'água e CO2; - realizar a metanação de CO pelo hidrogênio coproduzido na co-eletrólise; e - se ajustar às especificações, para separar o H2O e o H2/CO2 residual.

[023] A função do ajuste à etapa de especificações deve separar os constituintes do gás produzido por metanação a fim de obter um metano sintético 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.

[024] 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.

[025] 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 (CO, 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 temperatura permitirão, portanto, que as concentrações desses compostos sejam reduzidas de modo considerável. Quando a operação for executada em um reator "adiabático", uma série de etapas também é necessária para alcançar uma qualidade de conversão equivalente ao reator isotérmico. Em todo o caso, 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.

[026] 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.

[027] 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.

[028] 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, CO, 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 especificações para a injeção na distribuição ou grade de transporte do gás natural.

[029] É considerado que 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.

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

[031] 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.

[032] 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.

[033] 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.

[034] 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, produtos de metanação CO e H2 é recirculada depois do segundo reator em direção ao fluxo inserido do primeiro reator na 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.

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

[036] 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.

[037] 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.

[038] 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.

[039] Em conclusão, as técnicas atuais do estado da técnica não permitem o controle satisfatório da exotermicidade da reação de metanação e não produzeittA- a *V* 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, quando a pressão operante for menor que 4 MPa (40 bars), para cumprir, por exemplo, 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 natural sintético, que compreende: - um meio para co-eletrólise de alta temperatura de uma mistura de dióxido de carbono e água a fim de produzir um gás de sintese que compreende monóxido de carbono, dióxido de carbono, água e hidrogênio; - um reator de metanação isotérmico que compreende: - uma entrada, para gás de sintese produzido pelo meio de co-eletrólise, conectada a um 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 natural sintético 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 simplificado do reator e a simplificação do ajuste às especificações que exigem a separação do dióxido de carbono antes do processamento para injetar em uma grade de gás.

[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 meio para separar dióxido de carbono do gás natural sintético, sendo que esse meio de separação é posicionado a jusante do desvio.

[046] Essas modalidades melhoram o especificações da reação de produtos de metanação.

[047] Em algumas modalidades, o dispositivo que é a matéria da presente invenção compreende um meio para separar dióxido de carbono do gás natural sintético, sendo que esse meio de separação é posicionado a montante do desvio.

[048] Essas modalidades melhoram ainda mais a simplificação do ajuste às especificações da reação de produtos de metanação.

[049] Em algumas modalidades, o dispositivo que é a matéria da presente invenção compreende, a montante do canal de alimentação do gás de sintese, um meio para a co- eletrólise de alta temperatura de uma mistura de dióxido de carbono e água.

[050] Em algumas modalidades, o dispositivo que é a matéria da presente invenção compreende: - um meio para injetar um gás de purga para limpar um ânodo do meio de co-eletrólise; - um meio para separar água dos produtos de co- eletrólise; e - um meio para recuperar oxigênio ou ar enriquecido com oxigênio na saida a partir do meio de separação.

[051] Essas modalidades permitem que o vapor alcance uma pressão de retorno em relação à pressão operante de cátodo do meio de co-eletrólise.

[052] Em algumas modalidades, o dispositivo que é a matéria da presente invenção compreende um meio para comprimir o dióxido de carbono pretendido para ser misturado com a água.

[053] Essas modalidades tornam possivel melhorar a

[054] Em algumas modalidades, o dispositivo que é a matéria da presente invenção compreende, a montante da entrada até o reator, um meio para resfriar a mistura a uma temperatura mais alta que a temperatura do ponto de condensação da mistura, para impedir qualquer pré- condensação da água da mistura, e mais baixa que a temperatura operante do reator, para permitir que o reator seja resfriado.

[055] Essas modalidades tornam possivel colocar o gás de sintese em linha com as temperaturas operantes do reator de metanação.

[056] Em algumas modalidades, o meio de resfriamento de mistura resfria essa mistura a uma temperatura entre 150°C e 300°C.

[057] Em algumas modalidades, o meio de resfriamento de mistura resfria essa mistura a uma temperatura mais alta que 230°C e menor que a temperatura operante do reator.

[058] Em algumas modalidades, o dispositivo que é a matéria da presente invenção compreende: - um sensor de uma temperatura dentro ou sobre a saida a partir do reator; e - um recirculador de gás natural inserido no desvio, controlado como uma função de um valor da temperatura medida.

[059] Essas modalidades tornam possivel regular a taxa de fluxo dos produtos de reação recirculados como uma função da temperatura medida. Se a temperatura medida estiver acima de uma temperatura predefinida, que corresponde a condições ideais da reação de metanação, a taxa de fluxo dos produtos recirculados é aumentada para resfriar o meio de reação do reator. De modo reciproco, se a temperatura medida estiver abaixo da temperatura predefinida, a taxa de fluxo de produtos recirculados é reduzida.

[060] 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, que compreende: - uma entrada posicionada entre a saida a partir do reator e o meio de separação de água; e - uma saida posicionada a montante da entrada até o reator e a jusante do meio de resfriamento.

[061] 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.

[062] Em algumas modalidades, o dispositivo que é a matéria da presente invenção compreende: - um meio para medir a taxa de fluxo do gás de sintese a jusante da localidade de mistura e a montante do reator de metanação; e - um recirculador dos produtos de reação da metanação a quente inseridos no canal de desvio, controlado como uma função da taxa de fluxo do gás de sintese medido.

[063] Essas modalidades tornam possivel regular a taxa de fluxo inserida ao reator como uma função da taxa de fluxo do gás de sintese medida.

[064] 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.

[065] Em algumas modalidades, o meio de separação de água uma temperatura abaixo da temperatura do ponto de condensação nas condições operantes do reator.

[066] Essas modalidades tornam possivel separar quase toda a água contida no SNG na saida a partir do reator de metanação.

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

[068] Em algumas modalidades, o dispositivo que é a matéria da presente invenção compreende pelo menos uma superficie de troca de calor posicionada no leito fluidizado.

[069] Essas modalidades tornam possivel regular a temperatura dentro do reator de metanação.

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

[071] De acordo com um segundo aspecto, a presente invenção pretende um método para produzir gás natural sintético, que compreende: - uma etapa de co-eletrólise de alta temperatura de uma mistura de dióxido de carbono e água a fim de produzir um gás de sintese que compreende monóxido de carbono, dióxido de carbono, água e hidrogênio; - uma etapa de reação de metanação, que compreende: - uma etapa de inserção de gás de sintese, emitido a partir da etapa de co-eletrólise, em um reator de metanação isotérmico por meio de um canal de alimentação do gás de sintese, e - uma etapa de emissão de gás natural sintético; - uma etapa de separação de água, que compreende: - uma etapa de inserção de gás natural sintétido e - uma etapa de emissão de gás natural sintético desidratado; - 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 sintese e do gás natural sintético desviado para o reator.

[072] 0 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.

[073] Em algumas modalidades, o método que é a matéria da presente invenção compreende uma etapa de separação de dióxido de carbono a partir do gás natural sintético desidratado emitido a partir da etapa de separação de água.

[074] 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

[075] 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 natural 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 primeira modalidade particular do dispositivo que da presente invenção; - a figura 2 representa, de modo esquemático, uma segunda modalidade particular do dispositivo que é a matéria da presente invenção; - a figura 3 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 4 representa, na forma de uma curva, o indice de Wobbe do gás sintético obtido pela primeira e pela segunda modalidades do dispositivo e do método que são as matérias da presente invenção; - a figura 5 representa, na forma de uma curva, o HHV do gás sintético obtido pela primeira e pela segunda modalidades do dispositivo e do método que são as matérias da presente invenção; - a figura 6 representa, na forma de a curva, a redução relativa do fluxo molar de hidrogênio dentro do reator durante a utilização da primeira e da segunda modalidades do dispositivo, em comparação a um dispositivo comparável sem recirculação; - a figura 7 representa, na forma de a curva, a exotermicidade da reação de metanação durante a utilização da primeira e da segunda modalidades do dispositivo e do método que são as matérias da presente invenção; e - a figura 8 representa, de modo esquemático, um exemplo do sistema utilizado no estado da técnica.

DESCRIÇÃO DOS EXEMPLOS DA REALIZAÇÃO DA INVENÇÃO

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

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

[078] A Figura 8 mostra uma vista esquemática de um exemplo de sistema 80 utilizado no estado da técnica.

[079] Nesses sistemas 80, os reagentes de metanação entram em um reator de metanação 805, que pode ser parte de uma série (não mostrada) de tais reatores.

[080] Na saida da etapa de metanação, a água é separada dos produtos de metanação por um meio 825 para separar essa água, como um trocador de calor, por exemplo.

[081] O gás natural sintético desidratado é, então, processado por um meio 845 para separar dióxido de carbono.

[082] Por último, o gás natural sintético é processado por um meio 855 para separar hidrogênio para que esse gás natural sintético cumpra as especificações para injeção na grade de distribuição do gás natural.

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

[084] A Figura 1, que não está em escala, mostra uma vista esquemática de uma primeira modalidade do dispositivo 10 que é a matéria da presente invenção. Esse dispositivo de produção de gás natural sintético 10 compreende: - um meio 805 para co-eletrólise de alta temperatura de uma mistura de dióxido de carbono e água a fim de produzir um gás de sintese que compreende monóxido de carbono, dióxido de carbono, água e hidrogênio; - um reator de metanação isotérmico 105 que compreende: - uma entrada 110, para gas de síntese produzido pélo^ meio de co-eletrólise, conectada a um canal de alimentação do gás de síntese 115, e - uma saída 120 para gás natural sintético; - um meio de separação de água 125 que compreende: - uma entrada 130 para gás natural sintético, - uma saída 135 para gás natural sintético desidratado; - uma saída 127 para a água separada do gás natural sintético, e um desvio 140 para uma porção do gás natural sintético desidratado a partir da saída do meio de separação de água até o canal de alimentação do gás de síntese 115 a fim de fornecer uma mistura do gás de síntese desviado com o gás natural sintético ao reator.

[085] A água, H2O, e o CO2 são co-eletrolisados a uma alta temperatura, da ordem de 750 a 850°C, para produzir gás de síntese que compreende CO, CO2, H2O e H2 que resulta, por reação catalítica, em hidrocarbonetos no reator 105. Esse sistema usa tanto energia elétrica quanto calor para eletrolisar as moléculas de CO2 e H2O.

[086] 0 reator 105 é, de preferência, um reator com 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 pode ser assimilado a um reator isotérmico. Em algumas variantes, esse reator 105 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 105 pode ser um reator com parede resfriada ou um reator trocador.

[087] Em algumas modalidades, o reator 105 compreende pelo menos uma superficie de troca de calor 106 posicionada no leito fluidizado do reator isotérmico 105.

[088] Essa superficie 106 é, por exemplo, um tubo configurado para formar um ciclo para circular um fluido a partir do exterior do reator 105 para o interior desse reator 105, sendo que o fluido é resfriado do lado de fora do reator 105.

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

[090] Esse reator 105 é configurado para executar a metanação do monóxido de carbono e/ou dióxido de carbono.

[091] Esse reator 105 compreende a entrada 110 para o gás de sintese que é, por exemplo, uma abertura do reator 105 equipado com um conector (não mostrado) compatível com o canal de alimentação do gás de sintese 115.

[092] Os gases naturais sintéticos saem do reator 105 através da saida 120 a partir do reator. A saida 120 é, por exemplo, uma abertura conectada a um conector (não mostrado) que torna possivel se conectar a um canal vedado para transportar gás natural sintético.

[093] O meio de separação de água 125 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 modo preferencial, essa temperatura está entre 5°C e 40°C. De modo preferencial, essa temperatura é mais baixa que a temperatura do ponto de condensação da água sob as condições operantes da presente invenção, para impedir qualquer pré-condensação da água baixa que a temperatura operante do reator, para permitir que o reator 105 seja resfriado.

[094] A água separada desse modo é coletada por uma saida 127 para água e pode ser injetada no meio de produção de vapor 830, usado por um dispositivo externo, ou aquecido para ser transformado em vapor d'água que pode ser, conforme indicado abaixo, injetado no meio de compressão 825.

[095] O meio de separação de água 125 compreende a entrada 130 para gás natural sintético. Essa entrada 130 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 105.

[096] 0 meio de separação de água 125 compreende a saida 135 para gás natural sintético desidratado. A saida 135 é, por exemplo, uma abertura associada a um conector (não mostrado) como conectada a um canal vedado (não mostrado) que transporta gás natural sintético desidratado.

[097] O desvio 140 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.

[098] Esse desvio 140 injeta os gases naturais sintéticos desidratados no canal de alimentação do gás de sintese 115.

[099] 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 105, reduz a exotermicidade da reação de metanação e também melhora as especificações do gás natural sintético emitido a partir do reator 105.

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

[101] 0 canal de alimentação 115 é vedado e recebe, por exemplo, CO, CO2, H2O e H2 emitidos a partir de um meio para co-eletrolisar água e dióxido de carbono.

[102] Em algumas modalidades preferenciais, como aquela mostrada na Figura 1, o dispositivo 10 compreende - um meio 810 para injetar um gás de purga, como vapor d'água ou uma mistura de ar e vapor d'água, para limpar um ânodo do meio de co-eletrólise 805; - um meio 815 para separar água dos produtos de co- eletrólise; - um meio 820 para recuperar oxigênio ou ar enriquecido com oxigênio na saida a partir do meio de separação 815.

[103] O meio de injeção 810 é, por exemplo, um canal conectado a uma válvula de injeção que permite que um ânodo do meio de co-eletrólise 805 seja limpo.

[104] Esse canal de injeção é alimentado com água proveniente de um meio de produção do vapor d'água 830.

[105] 0 oxigênio produzido durante a co-eletrólise é removido do meio de co-eletrólise 805 por um canal diferente do canal conectado ao canal de alimentação 115. Esse canal de remoção de oxigênio atravessa o meio 815 para separar a água dos produtos de co-eletrólise. Esse meio de separação de água é, por exemplo, um trocador de calor para resfriar o oxigênio e a água ou o ar enriquecido e água a uma temperatura abaixo da temperatura do ponto de condensação da água. A água separada desse modo é direcionada para o tanque que alimenta água ao meio de injeção de vapor 810.

[106] 0 meio 820 para recuperar oxigênio ou ar/ \ enriquecido é, por exemplo, um canal conectado ao meio de produção do vapor d'água 830.

[107] Em algumas modalidades preferenciais, como aquela mostrada na Figura 1, o dispositivo 10 compreende um meio 825 para comprimir dióxido de carbono pretendido para ser misturado com a água. O meio de compressão pode ser qualquer tipo conhecido à Pessoa Versada na Técnica.

[108] De modo preferencial, o meio de compressão 825 é, por exemplo, um ejetor que utilizada vapor como fluido de transporte. Esse vapor vem, por exemplo, a partir do canal de injeção de vapor que forma o meio de injeção do vapor 810.

[109] Em algumas modalidades preferenciais, como aquela mostrada na Figura 1, o dispositivo 10 compreende, a montante da entrada do reator 105, um meio 160 para resfriar a mistura a uma temperatura mais alta que a temperatura do ponto de condensação da mistura e mais baixa que a temperatura operante do reator.

[110] Em algumas modalidades preferenciais, como aquela mostrada na Figura 1, o meio de resfriamento de mistura 160 resfria essa mistura até uma temperatura entre 150°C e 300°C e, de preferência, mais alta ou igual a 230°C para impedir a formação de compostos tóxicos como, por exemplo, niquel- tetracarbonila.

[111] Esse meio de resfriamento 160 é, por exemplo, um trocador de calor para resfriar o gás de sintese.

[112] Além disso, o dispositivo 10 pode compreender, nessas modalidades, um sensor de temperatura 162 da mistura a jusante do meio de resfriamento 160. A temperatura do meio (O f de resfriamento 160 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 resfriamento 160 é aumentada. De modo reciproco, a potência do meio de resfriamento 160 é reduzida quando a temperatura capturada estiver abaixo do ponto de definição da temperatura.

[113] Em algumas modalidades preferenciais, como aquela mostrada na Figura 1, o dispositivo 10 compreende: - um sensor 150 de uma temperatura dentro ou sobre a saida 120 a partir do reator 105; e - um recirculador 155 dos produtos de reação da metanação a quente inseridos no canal de desvio, controlado como uma função da temperatura capturada.

[114] O sensor 150 é posicionado dentro ou fora do reator 105. Esse sensor 150 captura a temperatura do catalisador que forma o leito fluidizado, a atmosfera do reator 105 e/ou a parede do reator 105 e/ou a temperatura da saida 120 do reator 105.

[115] 0 recirculador 155 tem como objetivo deslocar a carga, ou pressão, perdas de modo sucessivo em: - o meio de pré-aquecimento 160, o reator 105, o meio de separação de água 125 particularmente para o dispositivo 10 descrito com referência à Figura 1, e - o meio de pré-aquecimento 260, o reator 205, o meio de separação de água 225 e o meio de separação do dióxido de carbono 245 para o dispositivo 20 descrito com referência à Figura 2 - e todos os canais de conexão desses diversos itens de equipamento.

[116] Tal perda de carga é estimada como entre 0,02 MPa e 0,08 MPa (200 e 800 mbars), por exemplo. O recirculador 155 é, por exemplo, um ventilador, compressor ou ejetor. No caso de um ejetor, o fluido usado para realizar o mecanismo de ejeção é, por exemplo, vapor d'água para permitir que o WGS ocorra no reator 105.

[117] Se a temperatura medida estiver acima de uma temperatura predefinida, que corresponde a condições ideais da reação de metanação, a taxa de fluxo dos produtos recirculados é aumentada para resfriar o meio de reação do reator 105. De modo reciproco, se a temperatura medida estiver abaixo da temperatura predefinida, a taxa de fluxo de produtos recirculados é reduzida.

[118] Em algumas modalidades preferenciais, como aquela mostrada na Figura 1, o dispositivo 10 compreende um canal de desvio 170, para uma porção dos produtos de reação da metanação a quente, que compreende: - uma entrada 175 posicionada entre a saida a partir do reator 105 e o meio de separação de água 125; e - uma saida 180 posicionada a montante da entrada 110 até o reator 105 e a jusante do meio de resfriamento 160.

[119] 0 canal de desvio 170 é, por exemplo, um canal vedado. A entrada 175 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 125. A saida 180 é, por exemplo, uma abertura para injetar gás natural sintético na mistura, a jusante do meio de resfriamento 160.

[120] Os gases naturais sintéticos, que são quentes, tornam possivel manter a taxa de fluxo constante no reator 105.

[121] A taxa de fluxo do gás de sintese é uma função das quantidades de energia elétrica disponível. 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 disponível 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 105 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 resfriamento 160 é suplementada por uma recirculação quente que vem diretamente da saida 120 do reator 105 por meio do canal de desvio 170. O fato de usar um fluido de recirculação quente não causa um desequilíbrio térmico do reator 105, mas permite que o dispositivo 10 se torne muito flexivel.

[122] Em algumas modalidades preferenciais, como aquela mostrada na Figura 1, o dispositivo 10 compreende: - um meio 185 para medir a taxa de fluxo do gás de sintese a jusante da localidade de mistura e a montante do reator 105; e - um recirculador 190 do gás natural inserido no canal de desvio 170, controlado como uma função da taxa de fluxo do gás de sintese medida.

[123] 0 meio de medição da taxa de fluxo 185 pode ser To Rub qualquer tipo conhecido à pessoa versada na técnica que seja°¥i y.31 adequado para medir a taxa de fluxo de qases, como um anemómetro, fluxômetro do efeito Coriolis, fluxômetro do efeito de vórtice ou fluxômetro eletromagnético, por exemplo.

[124] 0 recirculador 190 é similar ao recirculador 155 em termos estruturais. Esse recirculador 190 é controlado como uma função da taxa de fluxo medida pelo meio de medição da taxa de fluxo 185 e um valor de ponto de definição da taxa de fluxo 187. Se a taxa de fluxo medida estiver abaixo de um ponto de definição da taxa de fluxo predefinido 187, o recirculador 190 é atuado de modo a formar a diferença entre a taxa de fluxo medida e o ponto de definição da taxa de fluxo 187 por uma taxa de fluxo equivalente de gás natural sintético.

[125] Em algumas modalidades preferenciais, o dispositivo 10 compreende um meio 145 para separar o dióxido de carbono do gás natural sintético posicionado a jusante do desvio 140. A utilização do dispositivo 10 que é a matéria da presente invenção torna possivel obter gás sintético próximo às especificações da grade de gás que exigem poucas operações adicionais.

[126] Além disso, o dispositivo 10 também pode ser utilizado para uma faixa de pressão de entre 0,1 MPa e dez MPa (um bar e cem bars) , e uma faixa de temperaturas predefinidas de entre 230°C e 700°C.

[127] A Figura 2, que não está em escala, mostra uma vista esquemática de uma segunda modalidade do dispositivo 20 que é a matéria da presente invenção. Esse dispositivo de produção do gás sintético 20 é similar ao dispositivo 10 descrito com referência à Figura 1. Portanto 205, 210, 215, 220, 225, 227, 230, 235, 240, 250, 255, 260, 262, 270, 275, 280, 285, 287, 290, 905, 910, 915, 920, 925 e 930 do dispositivo 20 correspondem respectivamente às referências 105, 110, 115, 120, 125, 127, 130, 135, 140, 150, 155, 160, 162, 170, 175, 180, 185, 187, 190, 805, 810, 815, 820, 825 e 830 do dispositivo 10.

[128] O dispositivo 20 também compreende um meio 245 para separar dióxido de carbono do gás natural sintético posicionado a montante do desvio 240. Esse meio de separação 245 pode ser posicionado a montante ou a jusante do meio de separação de água 225.

[129] A Figura 3 mostra, na forma de um diagrama lógico das etapas, uma modalidade particular do método 30 que é a matéria da presente invenção. Esse método de produção do gás natural sintético 30 compreende: - um meio 340 para co-eletrólise de alta temperatura de uma mistura de dióxido de carbono e água a fim de produzir um gás de sintese que compreende monóxido de carbono, dióxido de carbono, água e hidrogênio; - uma etapa de reação de metanação 305, que compreende: - uma etapa 310 de inserção de gás de sintese, emitido a partir da etapa de co-eletrólise 340, em um reator de metanação isotérmico por meio de um canal de alimentação do gás de sintese, e - uma etapa 315 de emissão de gás natural sintético; - uma etapa 320 de separação de água, que compreende: - uma etapa 325 de inserção de gás natural sintético, e - uma etapa 330 de emissão de gás natural sintético desidratado; sintético desidratado emitido a partir da etapa de saida 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; - de preferência, uma etapa 345 de separação do dióxido de carbono contido no gás natural sintético desidratado, cuja etapa de separação 345 pode ser realizada entre a etapa de reação 305 e a etapa de separação de água 320 ou a jusante da etapa de separação de água 320; e - de preferência, uma etapa 350 de desvio de uma porção dos produtos de reação da metanação a quente, para a montante da etapa de metanação.

[130] Esse método 30 é utilizado, por exemplo, por um dispositivo 10 ou 20 que é a matéria da presente invenção e é descrito com referência às Figuras 1 e 2.

[131] É observado que as Figuras 4 a 7 são o resultado de simulações executadas para determinar o impacto do dispositivo e método que são a matéria da presente invenção. Esses resultados são comparados a uma simulação de um caso de recirculação sem desidratação. 0 objetivo do dispositivo e método que são as matérias da presente invenção também é minimizar as etapas de ajuste às especificações enquanto opera uma metanação em etapa única em pressão moderada que é aceitável em termos de custos. Pelos mesmos motivos, o SNG é comprimido, de preferência, no fim da cadeia de produção depois das separações exigidas para a injeção na grade. As simulações executadas e apresentadas abaixo foram executadas em 0,8 MPa (8 bars) e uma temperatura de metanação de 320°C.

[132] As Figuras 4 e 5 mostram, respectivamente, o indice de Wobbe e o HHV do SNG antes da separação de H2 para configuração de referência com a recirculação do SNG úmido, a recirculação do SNG desidratado e a recirculação do SNG desidratado, descarbonizado.

[133] Esses resultados são apresentados como uma função da taxa de recirculação, que corresponde à razão das taxas de fluxo de volume sob condições de pressão e temperatura normais do fluxo recirculado até o gás de sintese fluxo. Para a "configuração de referência", o fluxo reciclado é substituído por uma taxa de fluxo de SNG úmido equivalente ao fluxo que atravessa o canal de desvio.

[134] A Figura 4 mostra, no eixo geométrico x, o indice de Wobbe do gás natural sintético produzido pelo dispositivo, 10 ou 20, 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, 105 ou 205.

[135] É observado, em particular, que a recirculação de gás natural sintético úmido 405 não tem efeito sobre o indice de Wobbe do gás natural sintético produzido pelo dispositivo.

[136] É observado, por último, que a recirculação do gás natural sintético desidratado, descarbonizado 415 melhora o indice de Wobbe do gás natural sintético produzido pelo dispositivo, mesmo com uma taxa de recirculação de menos de um.

[137] Também é observado que a recirculação de gás natural sintético desidratado 410 melhora ainda mais o indice de Wobbe do gás natural sintético produzido pelo dispositivo.

[138] A Figura 5 mostra, no eixo geométrico x, o HHV do gás natural sintético produzido pelo dispositivo, 10 ou 20, como uma função da taxa de recirculação, no y, e da natureza do gás natural sintético entrada até o reator de metanação, 105 ou 205.

[139] É observado, em particular, que a recirculação de gás natural sintético úmido 505 não tem efeito sobre o HHV do gás natural sintético produzido pelo dispositivo.

[140] É observado, por último, que a recirculação do gás natural sintético desidratado, descarbonizado 515 melhora o HHV do gás natural sintético produzido pelo dispositivo, mesmo com uma taxa de recirculação de menos de um.

[141] Também é observado que a recirculação de gás natural sintético desidratado 510 melhora ainda mais o HHV do gás natural sintético produzido pelo dispositivo.

[142] De acordo com os resultados obtidos em termos do indice de Wobbe e HHV, a taxa de recirculação do gás úmido, isto é, a configuração de referência, não tem impacto sobre a qualidade do gás e da mostra que a separação do H2 é essencial para alcançar as especificações de injeção. A recirculação depois da desidratação sozinha ou com descarbonização leva a um aumento maior ou menor no indice de Wobbe e no HHV. Essas melhorias podem ser interpretadas como o resultado de uma diluição simples, mas a Figura 6 ressalta uma melhoria real nos balanços de reação, com uma redução dramática no fluxo molar de H2 na saída a partir do dispositivo 10 ou 20.

[143] A Figura 6 mostra, no eixo geométrico x, o fluxo molar de H2 relativo na saida a partir do dispositivo, 10 ou 20, 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, 105 ou 205, em relação a um dispositivo com a recirculação de gás natural sintético úmido ou sem recirculação.

[144] É observado, em particular, que a recirculação de gás natural sintético úmido 605 não tem efeito sobre o fluxo molar de H2 na saida a partir do dispositivo.

[145] Também é observado que a recirculação de gás natural sintético desidratado 610 causa uma redução no fluxo molar de H2 na saida a partir do dispositivo.

[146] É observado, por último, que a recirculação de gás natural sintético desidratado, descarbonizado 615 também causa uma redução no fluxo molar H2 na saida a partir do dispositivo.

[147] Apesar da diluição por recirculação, a razão de CO/H2O depois da recirculação ser mantida na entrada até o reator em relação à razão inicial de CO/H2O sem recirculação. Portanto, o risco ligado à desativação do catalisador de metanação através de cozimento permanece relativamente baixo. Entre os dois dispositivos, 10 e 20, a descarbonização a jusante da recirculação do gás natural sintético parece mais efetiva em termos de redução molar do H2. Dessa forma, para cumprir com os critérios de injetabilidade, a taxa de fluxo de recirculação precisa ser de duas a três vezes inferior para a desidratação sozinha que na solução com descarbonização. Para as condições operantes usadas para a simulação, e, quando apenas a desidratação for aplicada antes da recirculação, a taxa de recirculação minima exigida para evitar a separação de H2 é estimada como 0,4. Quando a desidratação for suplementada por uma etapa de descarbonização, a taxa exigida é 1. Essas taxas respectivas tornam efetivamente possivel cumprir as restrições interno para resfriar o reator para manter a isotermalidade e, nesse caso, não pode ser aplicado a tecnologias de leito fixado não resfriado. Em relação aos reatores trocadores - reator com água fervente ou leito fluidizado - esse novo recurso, sob essas condições operantes, permite que a área de superficie trocadora seja reduzida em 15% e 5%, respectivamente.

[148] A Figura 7 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 os dois dispositivos, 10 e 20, descritos acima.

[149] A Figura 7 mostra, no eixo geométrico x, a exotermicidade do reator de metanação do dispositivo, 10 ou 20, 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, 105 ou 205.

[150] É observado, em particular, que a recirculação de gás natural sintético úmido 705 reduz a exotermicidade do reator de metanação.

[151] Também é observado que a recirculação de gás natural sintético desidratado 710 também reduz a exotermicidade do reator de metanação.

[152] É observado, por último, que a recirculação do gás natural sintético desidratado, descarbonizado 715 também reduz a exotermicidade do reator de metanação.

[153] 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 dos dispositivos, 10 e 20, 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.

[154] A mudança nas frações molares das espécies de H2, CO2, CO e CH4 como uma função da taxa de recirculação para as configurações diferentes simuladas está na direção da qualidade de SNG melhorada. Entretanto, a fração molar de CO aumenta com o dispositivo de recirculação do SNG desidratado 10. Para as condições operantes consideradas, entretanto, o valor do ponto de definição nunca é excedido. No caso, a desidratação sozinha leva ao teor de CO2 ser concentrado na entrada até o reator e comutar o balanço da reação de WGS em direção à produção de CO e consumo de H2. Para o dispositivo 20, a extração de CO2 incorporada no ciclo de recirculação permite que a reação de WGS seja encorajada em direção à produção de H2, que é, então, convertida em CH4.

Claims

1. Dispositivo de produção de gás sintético natural (10, 20) caracterizado pelo fato de que compreende: - um meio (805, 905) para co-eletrólise de alta temperatura de uma mistura de dióxido de carbono e água a fim de produzir um gás de síntese que compreende monóxido de carbono, dióxido de carbono, água e diidrogênio; - um reator de metanação isotérmico (105, 205) que compreende: - uma entrada (110, 210), para gás de síntese produzido pelo meio de co-eletrólise, conectada a um canal de alimentação do gás de síntese (115, 215), e - uma saída (120, 220) para gás natural sintético; - um meio de separação de água (125, 225) que compreende: - uma entrada (130, 230) para gás natural sintético conectada à saída de gás natural sintético e - uma saída (135, 235) para gás natural sintético desidratado; - um desvio (140, 240) 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.

2. Dispositivo (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende um meio (145) para separar dióxido de carbono do gás natural sintético, sendo que esse meio de separação é posicionado a jusante do desvio (140).

3. Dispositivo (20), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende um meio (245) para separar dióxido de carbono do gás natural sintético, sendo que esse meio de separação é posicionado a montante do desvio (240).

4. Dispositivo (10, 20), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que compreende um meio (825, 925) para comprimir dióxido de carbono destinado a ser misturado com a água.

5. Dispositivo (10, 20), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que compreende, a montante da entrada do reator (105, 205), um meio (160, 260) para resfriar a mistura até uma temperatura mais alta que a temperatura do ponto de condensação da mistura, para impedir qualquer pré-condensação da água da mistura, e mais baixa que a temperatura operante do reator, para permitir que o reator (105, 205) seja resfriado.

6. Dispositivo (10, 20), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o meio de resfriamento de mistura (160, 260) resfria essa mistura até uma temperatura entre 150°C e 300°C.

7. Dispositivo (10, 20), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o meio de resfriamento de mistura (160, 260) resfria essa mistura até uma temperatura mais alta que 230°C e menor que a temperatura operante do reator (105, 205).

8. Dispositivo (10, 20), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende um canal de desvio (170, 270), para uma porção dos produtos de reação da metanação a quente, que compreende: - uma entrada (175, 275) posicionada entre a saída a partir do reator (105, 205) e o meio de separação de água (125, 225); e - uma saída (180, 280) posicionada a montante da entrada até o reator e a jusante do meio de resfriamento (160, 260).

9. Dispositivo (10, 20), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que compreende: - um sensor (150, 250) de uma temperatura dentro ou sobre a saída a partir do reator (105, 205); e - um recirculador (155, 255) dos produtos de reação da metanação a quente inseridos no canal de desvio (140, 240), controlado como uma função da temperatura capturada.

10. Dispositivo (10, 20), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende: - um meio (185, 285) para medir a taxa de fluxo do gás de síntese a jusante da localidade de mistura e a montante do reator de metanação (105, 205); e - um recirculador (190, 290) do gás natural inserido no canal de desvio (170, 270), controlado como uma função da taxa de fluxo do gás de síntese medido.

11. Dispositivo (10, 20), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que compreende: - um meio (810, 910) para injetar um gás de purga para limpar um ânodo do meio de co-eletrólise (805, 905); e - um meio (815, 915) para separar água dos produtos de co-eletrólise; - um meio (820, 920) para recuperar oxigênio ou ar enriquecido com oxigênio na saída a partir do meio de separação.

12. Dispositivo (10, 20), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o meio de separação (125, 225) é configurado para resfriar os gases naturais sintéticos até uma temperatura entre -5°C e +60°C.

13. Dispositivo (10, 20), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que o meio de separação de água (125, 225) é configurado para resfriar os gases naturais sintéticos até uma temperatura abaixo da temperatura do ponto de condensação nas condições operantes do reator.

14. Dispositivo (10, 20), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que o reator isotérmico (105) é um reator com leito fluidizado.

15. Método (30) para produzir gás natural sintético caracterizado pelo fato de que compreende: - um meio (340) para co-eletrólise de alta temperatura de uma mistura de dióxido de carbono e água a fim de produzir um gás de síntese que compreende monóxido de carbono, dióxido de carbono, água e hidrogênio; - uma etapa de reação de metanação (305) que compreende: - uma etapa (310) de inserção de gás de síntese, emitido a partir da etapa de co-eletrólise, em um reator de metanação isotérmico por meio de um canal de alimentação do gás de síntese, e - uma etapa (315) de emissão de gás natural sintético; - uma etapa (320) de separação de água que compreende: - uma etapa (325) de inserção de gás natural sintético conectada à saída de gás natural sintético, e - uma etapa (330) de emissão de gás natural sintético desidratado; e - uma etapa (335) 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.