BR112018000922B1

BR112018000922B1 - DEVICE AND METHOD TO PRODUCE SYNTHETIC GAS

Info

Publication number: BR112018000922B1
Application number: BR112018000922-9A
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: FR3038910B1; MY186992A; EP3322778A1; BR112018000922A2; EP3322778B1; WO2017009576A1; FR3038910A1; KR20180030678A; FR3038909A1; DK3322778T3; CN107922864A

Abstract

dispositivo e método para produzir gás sintético. a invenção se refere a um dispositivo de produção de gás sintético (10) que compreende: - um reator de metanação isotérmico (105) que compreende: - uma entrada (110) que é destinada ao gás de síntese produzido por gaseificação de material de hidrocarboneto 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 paras 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.device and method for producing synthetic gas. the invention relates to a synthetic gas production device (10) comprising: - an isothermal methanation reactor (105) comprising: - an inlet (110) which is intended for the synthesis gas produced by gasification of hydrocarbon material and is connected to a syngas supply channel (115); and - an outlet (120) for synthetic natural gas; - a water separation means (125) comprising: - an inlet (130) for synthetic natural gas; and - an outlet (135) for dehydrated synthetic natural gas; and - a diversion (140) for a portion of the dehydrated synthetic natural gas from the outlet of the water separation means to the syngas feed channel in order to supply a mixture of the diverted syngas with the synthetic natural gas to the reactor .

Description

FIELD OF THE INVENTION TECHNIQUE

[001] A presente invenção se refere a um dispositivo e método para produzir gás sintético. A mesma se aplica, em particular, ao campo de produzir gás natural sintético pela gaseificação de compostos de hidrocarboneto.[001] The present invention relates to a device and method for producing synthetic gas. The same applies in particular to the field of producing synthetic natural gas by the gasification of hydrocarbon compounds.

STATUS OF THE TECHNIQUE

[002] O biometano é um “SNG” (gás natural sintético) e pode ser produzido por conversão termoquímica de qualquer composto de hidrocarboneto. Essa conversão é realizada por um método que consiste nas quatro etapas principais a seguir: - gaseificar o composto de hidrocarboneto para produzir gás de síntese (gás sintético), composto principalmente de H2, CO, CO2, CH4, H2O e Alcatrões (C6+); - purificar o gás de síntese para remover os alcatrões e as impurezas sulfatadas e/ou cloradas; - metanação catalítica, que consiste em converter o H2 e o CO em CH4; e - ajustar as especificações, visando a eliminar a água, H2 residual, e CO2 para produzir um gás natural sintético tão próximo quanto possível às especificações de gás natural.[002] Biomethane is a “SNG” (synthetic natural gas) and can be produced by thermochemical conversion of any hydrocarbon compound. This conversion is carried out by a method consisting of the following four main steps: - gasifying the hydrocarbon compound to produce synthesis gas (synthetic gas), composed mainly of H2, CO, CO2, CH4, H2O and Tar (C6+); - purifying the synthesis gas to remove tars and sulphated and/or chlorinated impurities; - catalytic methanation, which consists of converting H2 and CO into CH4; and - adjust specifications to eliminate water, residual H2, and CO2 to produce a synthetic natural gas as close as possible to natural gas specifications.

[003] A especificação se refere, em particular, à lista não-exaustiva a seguir: - valor de aquecimento elevado, abreviado para “HHV”; - índice Wobbe; e - teor de H2 e CO2 máximo.[003] The specification refers in particular to the following non-exhaustive list: - high heating value, abbreviated to “HHV”; - Wobbe index; and - maximum H2 and CO2 content.

[004] A gaseificação do composto de hidrocarboneto é executada dentro de um reator em que a biomassa é submetida a diferentes etapas de reação.[004] The gasification of the hydrocarbon compound is performed inside a reactor in which the biomass is subjected to different reaction steps.

[005] A primeira etapa é uma degradação térmica do composto de hidrocarboneto que é submetida, sucessivamente, à secagem e, então, à desvolatilização da matéria orgânica para produzir: - um resíduo carbonáceo (referido como “carvão”); - um gás sintético, tal como H2, CO, CO2, H2O e CH4; e - compostos condensáveis contidos dentro do gás de síntese, tais como alcatrões.[005] The first stage is a thermal degradation of the hydrocarbon compound which is successively subjected to drying and then to the devolatilization of the organic matter to produce: - a carbonaceous residue (referred to as “coal”); - a synthetic gas, such as H2, CO, CO2, H2O and CH4; and - condensable compounds contained within the synthesis gas, such as tars.

[006] O resíduo carbonáceo pode, então, ser oxidado por um agente de gaseificação, tal como vapor de água, ar ou oxigênio, para produzir H2 e CO. Em função de sua natureza, esse agente de gaseificação pode também reagir com os alcatrões ou os principais gases constituintes. Dessa forma, caso haja vapor de água (H2O), então, uma reação de Dussan, referida como uma reação “gás-para-água” e, normalmente, conhecida sob o acrônimo “WGS” (para Mudança de Agua-para- Gás), ocorre no reator de gaseificação de acordo com o equilíbrio a seguir:

[006] The carbonaceous residue can then be oxidized by a gasifying agent, such as water vapor, air or oxygen, to produce H2 and CO. Due to its nature, this gasification agent can also react with tars or the main constituent gases. Thus, if water vapor (H2O) is present, then a Dussan reaction, referred to as a “gas-to-water” reaction and commonly known under the acronym “WGS” (for Water-to-Gas Change) ), occurs in the gasification reactor according to the following equilibrium:

[007] A pressão do reator tem pouco efeito nessa reação. Em contraste, o equilíbrio é estreitamente ligado à temperatura do reator e às concentrações “iniciais” dos reagentes. Para métodos existentes, a razão de H2/CO é de modo geral menos que 2 no final da etapa de gaseificação. Essa razão é um importante fator para a produção de biometano nas etapas de purificação e metanação subsequentes que tornam a produção de CH4 possível, e em que o método de produção de SNG se baseia.[007] Reactor pressure has little effect on this reaction. In contrast, equilibrium is closely linked to reactor temperature and “initial” concentrations of reactants. For existing methods, the H2/CO ratio is generally less than 2 at the end of the gasification step. This ratio is an important factor for biomethane production in the subsequent purification and methanation steps that make CH4 production possible, and on which the SNG production method is based.

[008] A reação de WGS pode ser executada em um reator específico colocado a montante da metanação. Entretanto, no caso de determinados métodos de leito fluidizado, as duas reações, metanação e WGS, podem ser executadas em paralelo no mesmo reator, em que o vapor necessário para a reação de WGS é injetado no reator ao mesmo tempo que a mistura de reagente.[008] The WGS reaction can be performed in a specific reactor placed upstream of the methanation. However, in the case of certain fluidized bed methods, the two reactions, methanation and WGS, can be run in parallel in the same reactor, where the steam required for the WGS reaction is injected into the reactor at the same time as the reactant mixture. .

[009] A produção de biometano a partir da emissão de gás de síntese a partir da etapa de gaseificação é com base na reação de metanação catalítica do CO ou CO2, chamada a “reação de Sabatier”. A metanação consiste em converter o monóxido ou dióxido de carbono na presença de hidrogênio e de um catalisador, de modo geral, com base em níquel ou qualquer outro metal de transição da tabela periódica, para produzir metano. A mesma é regida pelas reações de hidrogenação competitivamente equilibradas a seguir:

[009] The production of biomethane from the emission of synthesis gas from the gasification step is based on the catalytic methanation reaction of CO or CO2, called the “Sabatier reaction”. Methanation consists of converting carbon monoxide or dioxide in the presence of hydrogen and a catalyst, generally based on nickel or any other transition metal in the periodic table, to produce methane. It is governed by the following competitively balanced hydrogenation reactions:

[010] Sob as condições de modo geral usadas para produzir SNG a partir do gás de síntese obtido a partir de gaseificação, a reação de metanação do CO é grandemente favorecida devido à ausência de H2 no gás de síntese produzido.[010] Under the conditions generally used to produce SNG from the synthesis gas obtained from gasification, the CO methanation reaction is greatly favored due to the absence of H2 in the synthesis gas produced.

[011] A reação de metanação é uma reação exotérmica com uma redução no número de moles; de acordo com o princípio de Le Chatelier, a reação é estimulada aumentando-se a pressão e desestimulada aumentando-se a temperatura.[011] The methanation reaction is an exothermic reaction with a reduction in the number of moles; According to Le Chatelier's principle, the reaction is stimulated by increasing the pressure and discouraged by increasing the temperature.

[012] A produção de metano a partir de CO e H2 é otimizada para um gás com uma composição próxima à composição estequiométrica, isto é, quando a razão de H2/CO está próxima a 3. O gás de síntese produzido por gaseificação, especialmente, de biomassa, é caracterizado por uma menor razão de H2/CO, da ordem de 1 para 2. Também, para maximizar a produção de metano, essa razão deve ser ajustada produzindo-se hidrogênio com o uso da reação entre monóxido de carbono e vapor de água através da reação de WGS.[012] The production of methane from CO and H2 is optimized for a gas with a composition close to the stoichiometric composition, that is, when the H2/CO ratio is close to 3. Synthesis gas produced by gasification, especially , of biomass, is characterized by a lower H2/CO ratio, on the order of 1 to 2. Also, to maximize methane production, this ratio must be adjusted by producing hydrogen using the reaction between carbon monoxide and water vapor through the WGS reaction.

[013] Em temperaturas abaixo de 230°C, o níquel, que constitui o catalisador ou presente no material que constitui as paredes do reator, tende a reagir com o monóxido de carbono para formar tetracarbonila de níquel (Ni(CO)4), um composto altamente tóxico. Por esse motivo, é essencial que todas as porções do reator em que CO e o composto metálico estão presentes estejam sempre em uma temperatura acima de 150°C e, preferencialmente, acima de 230°C para impedir isso completamente.[013] At temperatures below 230°C, nickel, which constitutes the catalyst or present in the material that constitutes the reactor walls, tends to react with carbon monoxide to form nickel tetracarbonyl (Ni(CO)4), a highly toxic compound. For this reason, it is essential that all portions of the reactor in which CO and the metallic compound are present are always at a temperature above 150°C and preferably above 230°C to completely prevent this.

[014] O calor gerado durante a conversão de CO é, aproximadamente, 2,7 kWh durante a produção de 1 Nm3 de metano. Controlar a temperatura dentro do reator, e, portanto, remover o calor produzido pela reação, é uma das chaves para minimizar a desativação do catalisador, por sinterização, e maximizar a taxa de conversão de metano.[014] The heat generated during the CO conversion is approximately 2.7 kWh during the production of 1 Nm3 of methane. Controlling the temperature inside the reactor, and therefore removing the heat produced by the reaction, is one of the keys to minimizing catalyst deactivation, by sintering, and maximizing the methane conversion rate.

[015] Dentre as tecnologias de reator de metanação, algumas usam um reator de leito fluidizado denso, em que o leito é formado pelo catalisador na reação de metanação. O calor produzido pela reação é, portanto, removido pelos trocadores imersos no leito fluidizado. Entretanto, devido à exotermicidade bastante elevada da reação, a quantidade de calor a ser removido e, portanto, as áreas de superfície de troca exigidas, são bastante grandes. Portanto, o volume ocupado por esse trocador conduz a um superdimensionamento geral do tamanho do reator e, acima de tudo, torna seu projeto mais complexo.[015] Among the methanation reactor technologies, some use a dense fluidized bed reactor, in which the bed is formed by the catalyst in the methanation reaction. The heat produced by the reaction is therefore removed by exchangers immersed in the fluidized bed. However, due to the very high exothermicity of the reaction, the amount of heat to be removed and therefore the required exchange surface areas are quite large. Therefore, the volume occupied by this exchanger leads to an overall oversizing of the reactor size and, above all, makes its design more complex.

[016] O uso de um leito fluidizado é uma solução simples para limitar a temperatura da reação. A fluidificação do catalisador pela mistura de reagente habilita a homogeneização quase perfeita das temperaturas em todos os pontos da camada de catalisador e o reator pode ser assimilado em um reator isotérmico. A remoção do calor produzido pela reação é feita 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 bastante altos (da ordem de 400 a 600 W/Km2, comparável àqueles entre um líquido e uma parede) e tornam possível minimizar as dimensões do trocador e, portanto, o tamanho geral do reator.[016] The use of a fluidized bed is a simple solution to limit the reaction temperature. The fluidization of the catalyst by the reagent mixture enables almost perfect homogenization of temperatures at all points of the catalyst layer and the reactor can be assimilated in an isothermal reactor. The heat produced by the reaction is removed by means of exchangers immersed in the fluidized bed. The heat exchange coefficients between the fluidized layer and a wall immersed in the bed are quite high (on the order of 400 to 600 W/Km2, comparable to those between a liquid and a wall) and make it possible to minimize the dimensions of the exchanger and, therefore, the overall size of the reactor.

[017] Na faixa de temperatura usada nos reatores de metanação de leito fluidizado, a cinética da reação de metanação é bastante rápida e, como resultado, a quantidade de catalisador exigida apenas para a reação química é pequena. Consequentemente, o tamanho do reator e a quantidade de catalisador usada derivam a partir das dimensões gerais do trocador instalado dentro do leito fluidizado.[017] In the temperature range used in fluidized bed methanation reactors, the kinetics of the methanation reaction is quite fast and, as a result, the amount of catalyst required just for the chemical reaction is small. Consequently, the size of the reactor and the amount of catalyst used are derived from the overall dimensions of the exchanger installed within the fluidized bed.

[018] Devido à troca térmica e ao regime de fluidificação, uma desvantagem principal é atribuível a essa tecnologia para operação de alta pressão. A redução no volume de gás devido à pressão aumentada conduz a uma menor área de corte transversal disponível para posicionar o trocador (para potência equivalente). Entretanto, existem as soluções da pessoa versada na técnica para superar o ajuste da área de superfície eficaz ou do regime de fluidificação. Por exemplo, as soluções não-exaustivas são: - reduzir o número de tubos e, como resultado, aumentar a altura da camada de catalisador, com uma altura limite ligada ao fenômeno de escoamento intermitente (slugs) com propriedades de troca térmica reduzidas, em que o escoamento intermitente é o movimento de sólidos em bolsões com, entre dois bolsões, um bolsão gasoso que preenche toda a área de corte transversal de um reator, que tem o efeito de produzir uma alternação entre bolsões sólidos e gasosos em vez de uma mistura de gases e sólidos, conforme o esperado; e - modificar as características físicas do catalisador (tamanho de partícula, densidade do suporte) para preservar uma fluidificação equivalente para uma menor taxa de fluxo volumétrico.[018] Due to the heat exchange and fluidization regime, a main disadvantage is attributable to this technology for high pressure operation. The reduction in gas volume due to increased pressure leads to less cross-sectional area available to position the exchanger (for equivalent power). However, there are solutions of the person skilled in the art to overcome the effective surface area adjustment or fluidization regime. For example, non-exhaustive solutions are: - reducing the number of tubes and, as a result, increasing the height of the catalyst layer, with a threshold height linked to the phenomenon of intermittent flow (slugs) with reduced heat exchange properties, in that intermittent flow is the movement of solids in pockets with, between two pockets, a gaseous pocket filling the entire cross-sectional area of a reactor, which has the effect of producing an alternation between solid and gaseous pockets rather than a mixture of gases and solids, as expected; and - modifying the physical characteristics of the catalyst (particle size, support density) to preserve equivalent fluidization for a lower volumetric flow rate.

[019] Em termos de flexibilidade, o leito fluidizado permite naturalmente uma maior flexibilidade em termos de taxa de fluxo de reator e, portanto, potência em relação às condições de dimensionamento.[019] In terms of flexibility, the fluidized bed naturally allows for greater flexibility in terms of reactor flow rate and, therefore, power in relation to design conditions.

[020] Em relação ao reagente, e diferente de tecnologias de leito fixo ou reatores de parede resfriada, metanação do gás de síntese em um leito fluidizado não exige uma pré-WGS. Coinjetar vapor com o gás de síntese significa que as reações de metanação de CO e WGS podem ser executadas no mesmo dispositivo.[020] Regarding the reagent, and unlike fixed bed technologies or cooled wall reactors, methanation of syngas in a fluidized bed does not require a pre-WGS. Co-injecting steam with the syngas means that the CO and WGS methanation reactions can be performed in the same device.

[021] As soluções atualmente propostas para essa família tecnológica são não realmente diferenciadas uma da outra por eficiência de conversão, porém, principalmente pela metodologia usada para resfriar o reator.[021] The solutions currently proposed for this technological family are not really differentiated from each other by conversion efficiency, however, mainly by the methodology used to cool the reactor.

[022] Por fim, a função da etapa final de ajuste às especificações é separar os constituintes do gás produzido por metanação, a fim de obter um biometano que satisfaz as especificações para injeção na rede de gás natural. Essa separação, portanto, gera os subprodutos H2O, CO2 e H2. A mesma é normalmente executada em equipamento separado, às vezes com condições de operação bastante diferentes.[022] Finally, the function of the final step of adjustment to specifications is to separate the constituents of the gas produced by methanation, in order to obtain a biomethane that meets the specifications for injection into the natural gas network. This separation, therefore, generates the by-products H2O, CO2 and H2. It is normally performed on separate equipment, sometimes with very different operating conditions.

[023] Em emissão a partir do reator de metanação, a água é primeiro separada a partir do biometano através de resfriamento e condensação, passando abaixo da temperatura de ponto de condensação da água sob as condições em questão.[023] In emission from the methanation reactor, water is first separated from the biomethane through cooling and condensation, passing below the dew point temperature of water under the conditions in question.

[024] Em seguida, o CO2 é extraído a partir do gás para satisfazer as especificações da rede. As tecnologias que tornam essa separação possível são relativamente numerosas e conhecidas. As principais famílias tecnológicas são absorção física ou química, absorção modulada por pressão, permeação de membrana e criogênicos.[024] Then the CO2 is extracted from the gas to meet the grid specifications. The technologies that make this separation possible are relatively numerous and well-known. The main technological families are physical or chemical absorption, pressure modulated absorption, membrane permeation and cryogenics.

[025] Por fim, na etapa final antes de o SNG produzido ser processado e injetado, uma fração significativa do H2 residual a partir da reação de metanação precisa ser removida a fim de satisfazer as especificações relativas, mais particularmente, ao HHV. A técnica usada mais frequentemente para essa separação é a permeação de membrana, que pode apresentar um nível de complexidade e custos não-triviais, em termos de despesa e operação de capital, com um impacto considerável na cadeia de valor.[025] Finally, in the final step before the produced SNG is processed and injected, a significant fraction of the residual H2 from the methanation reaction needs to be removed in order to satisfy the specifications concerning, more particularly, the HHV. The most frequently used technique for this separation is membrane permeation, which can present a non-trivial level of complexity and cost, in terms of capital expenditure and operation, with considerable impact on the value chain.

[026] A composição do SNG bruto em emissão a partir do reator é estreitamente relacionada às condições de operação do reator, em termos de pressão, temperatura, modo operante adiabático ou isotérmico do reator, ainda assim, essas condições regem os saldos químicos das reações acima. Essas reações formam, de modo geral, água e, consequentemente, essas espécies precisam ser separadas. Em relação às outras espécies (CO, CO2 e H2), suas respectivas concentrações 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 temperatura baixa permitirão, portanto, que as concentrações desses compostos seja reduzida consideravelmente. Quando a operação é executada em um reator “adiabático”, uma série de etapas é também necessária para atingir uma qualidade de conversão equivalente ao reator isotérmico. De qualquer modo, a composição do gás produzido é de modo geral incompatível em relação às especificações de injeção e, consequentemente, etapas de melhoramento são necessárias para remover o CO2 e/ou o H2 residual. Portanto, o modo operante forma um bloco para simplificar a cadeia de métodos.[026] The composition of the raw SNG emitted from the reactor is closely related to the reactor operating conditions, in terms of pressure, temperature, adiabatic or isothermal operating mode of the reactor, even so, these conditions govern the chemical balances of the reactions above. These reactions generally form water and, consequently, these species need to be separated. In relation to the other species (CO, CO2 and H2), their respective concentrations can be modified by acting first in the operating mode of the reactor (adiabatic or isothermal) and secondly in temperature or pressure. A high pressure and a low temperature will therefore allow the concentrations of these compounds to be reduced considerably. When the operation is performed in an “adiabatic” reactor, a series of steps is also necessary to achieve a conversion quality equivalent to an isothermal reactor. In any case, the composition of the gas produced is generally incompatible with respect to the injection specifications and, consequently, improvement steps are necessary to remove residual CO2 and/or H2. Therefore, the operant mode forms a block to simplify the chain of methods.

[027] Sistemas são conhecidos, tais como aqueles descritos no Documento U.S. no 2013/0317126. Nesses sistemas, um reator de metanação adiabático é usado e uma porção dos produtos de metanação é recirculada na inserção no dito reator.[027] Systems are known, such as those described in the U.S. Document. no 2013/0317126. In these systems, an adiabatic methanation reactor is used and a portion of the methanation products is recirculated upon insertion into said reactor.

[028] Essa recirculação de produtos de metanação é destinada, de acordo com esse documento, a ajustar a temperatura dos reagentes inseridos ao reator de metanação adiabático de modo a moderar a exotermicidade da reação adiabática que ocorre no reator.[028] This recirculation of methanation products is intended, according to this document, to adjust the temperature of the reagents inserted into the adiabatic methanation reactor in order to moderate the exothermicity of the adiabatic reaction that occurs in the reactor.

[029] Nessas soluções, a temperatura atingida na inserção ao reator de metanação é da ordem de 310 a 330°C e a temperatura em emissão a partir desse reator é da ordem de 620°C, que resulta em uma conversão de certo modo ineficiente limitada pelas termodinâmicas da reação e, portanto, pela presença de compostos indesejáveis, por exemplo, H2, CO, CO2 excessivos no fluxo emitido a partir do reator. Essa presença de compostos indesejáveis, especialmente hidrogênio, torna uma etapa de separação de hidrogênio necessária a jusante do reator para satisfazer, por exemplo, as especificações para injeção na rede de distribuição ou transporte de gás natural.[029] In these solutions, the temperature reached in the insertion to the methanation reactor is of the order of 310 to 330°C and the temperature in emission from this reactor is of the order of 620°C, which results in a somewhat inefficient conversion limited by the thermodynamics of the reaction and therefore by the presence of undesirable compounds, eg excessive H2, CO, CO2 in the flow emitted from the reactor. This presence of undesirable compounds, especially hydrogen, makes a hydrogen separation step necessary downstream of the reactor to satisfy, for example, the specifications for injection into the distribution or transport network of natural gas.

[030] Considera-se que o fluxo satisfaz as especificações de injeção quando as seguintes características do fluxo: - valor de aquecimento elevado (“HHV”); - índice Wobbe; e - teor de hidrogênio; estão dentro das faixas de valor predefinidas que correspondem às características particulares da rede de distribuição ou transporte de gás natural.[030] It is considered that the flow meets the injection specifications when the following characteristics of the flow: - high heating value (“HHV”); - Wobbe index; and - hydrogen content; are within the predefined value ranges that correspond to the particular characteristics of the natural gas distribution or transport network.

[031] Sistemas tais como aqueles descritos no Documento U.S. no 3.967.936 são também conhecidos. Nesses sistemas, uma série de reatores de metanação adiabáticos é usada e uma porção dos produtos de metanação é recirculada na inserção a cada reator da série.[031] Systems such as those described in the U.S. Document at 3,967,936 are also known. In these systems, a series of adiabatic methanation reactors are used and a portion of the methanation products is recirculated at the insert to each reactor in the series.

[032] Essa recirculação de produtos de metanação é destinada, de acordo com esse documento, a ajustar a temperatura dos reagentes inseridos ao reator de metanação adiábatico de modo a moderar a exotermicidade da reação adiabática que ocorre no reator.[032] This recirculation of methanation products is intended, according to this document, to adjust the temperature of the reagents inserted into the adiabatic methanation reactor in order to moderate the exothermicity of the adiabatic reaction that occurs in the reactor.

[033] Do mesmo modo, essas soluções exigem a separação, a jusante do reator, de compostos indesejáveis, tais como hidrogênio para satisfazer, por exemplo, as especificações para injeção na rede de distribuição ou transporte de gás natural.[033] Likewise, these solutions require the separation, downstream of the reactor, of undesirable compounds, such as hydrogen, to satisfy, for example, the specifications for injection into the distribution or transport network of natural gas.

[034] Sistemas são conhecidos, tais como aqueles descritos no Documento U.S. no 2009/0247653. Nesses sistemas, uma série de três reatores de metanação adiabáticos é usada, em que o último reator na série é projetado para produzir metano sintético adicional. Nesses sistemas, uma porção dos produtos de metanação CO e H2 é recirculada após o segundo reator em direção ao fluxo de entrada do primeiro reator na série, de modo a ajustar a razão de CO e H2 e ajustar a temperatura do fluxo de entrada do primeiro reator a fim de moderar a exotermicidade da reação adiabática que ocorre no primeiro reator.[034] Systems are known, such as those described in the U.S. Document. no 2009/0247653. In these systems, a series of three adiabatic methanation reactors is used, where the last reactor in the series is designed to produce additional synthetic methane. In these systems, a portion of the methanation products CO and H2 is recirculated past the second reactor towards the inflow of the first reactor in the series, in order to adjust the ratio of CO and H2 and adjust the temperature of the inflow of the first reactor. reactor in order to moderate the exothermicity of the adiabatic reaction that occurs in the first reactor.

[035] Entretanto, essas soluções também exigem a separação, a jusante do reator, de compostos indesejáveis, tais como hidrogênio.[035] However, these solutions also require the separation, downstream of the reactor, of undesirable compounds, such as hydrogen.

[036] Os reatores adiabáticos, embora não adotem o resfriamento dentro do reator de metanação, têm diversas desvantagens: - uma pluralidade de reatores em série é necessária para obter um rendimento de metanação satisfatório; e - no caso de metanação de CO, uma composição específica do gás sintético, adicionando-se uma assim chamada etapa de catalisador de gás-para-água, é necessária para obter uma estequiometria satisfatória.[036] Adiabatic reactors, although they do not adopt cooling inside the methanation reactor, have several disadvantages: - a plurality of reactors in series is necessary to obtain a satisfactory methanation yield; and - in the case of CO methanation, a specific composition of the synthetic gas, adding a so-called gas-to-water catalyst step, is necessary to obtain satisfactory stoichiometry.

[037] Por outro lado, o projeto de reatores adiabáticos é mais simples, uma vez que os mesmos consistem basicamente em uma câmara que tem que resistir de modo geral a pressões elevadas (> 3.000 kPas (30 bars) para atingir uma conversão satisfatória.[037] On the other hand, the design of adiabatic reactors is simpler, since they basically consist of a chamber that has to generally resist high pressures (> 3,000 kPas (30 bars) to achieve a satisfactory conversion.

[038] No caso de metanação em um reator isotérmico, a pressão operante não precisa ser tão alta (< 2.000 kpas (20 bars)), porém, exige a disposição de superfícies imersas na camada de catalisador, que gera um projeto complexo e custo adicional ligados ao sistema de resfriamento.[038] In the case of methanation in an isothermal reactor, the operating pressure does not need to be so high (< 2,000 kpas (20 bars)), however, it requires the arrangement of surfaces immersed in the catalyst layer, which generates a complex and cost-effective design. additional connected to the cooling system.

[039] Portanto, os sistemas atuais não tornam o ajuste às especificações para injeção na rede de distribuição ou transporte de gás natural possível sem que ocorra uma etapa de separação de hidrogênio, a jusante da etapa de metanação.[039] Therefore, current systems do not make the adjustment to specifications for injection into the distribution or transport network of natural gas possible without a hydrogen separation step occurring, downstream of the methanation step.

OBJECT OF THE INVENTION

[040] A presente invenção objetiva remediar todas ou parte dessas desvantagens.[040] The present invention aims to remedy all or part of these disadvantages.

[041] Para esta finalidade, de acordo com um primeiro aspecto, a presente invenção prevê um dispositivo de produção de gás sintético, que compreende: - um reator de metanação isotérmico que compreende: - uma entrada, para gás de síntese produzido gaseificando-se material de hidrocarboneto, conectada a um canal de alimentação de gás de síntese; e - uma saída para gás natural sintético; - um meio de separação de água que compreende: - uma entrada para gás natural sintético; e - uma saída para gás natural sintético desidratado; e - um desvio para uma porção do gás natural sintético desidratado a partir da emissão do meio de separação de água para o canal de alimentação de gás de síntese a fim de fornecer uma mistura do gás de síntese e do gás natural sintético desviado para o reator.[041] For this purpose, according to a first aspect, the present invention provides a device for producing synthetic gas, comprising: - an isothermal methanation reactor comprising: - an inlet for synthesis gas produced by gasifying hydrocarbon material, connected to a syngas feed channel; and - an outlet for synthetic natural gas; - a water separation means comprising: - an inlet for synthetic natural gas; and - an outlet for dehydrated synthetic natural gas; and - a diversion for a portion of the dehydrated synthetic natural gas from the emission of the water separation medium into the syngas feed channel to supply a mixture of the syngas and the diverted synthetic natural gas to the reactor .

[042] Conforme o meio de separação de água resfria o gás natural sintético, o abastecimento desse gás em inserção ao reator permite ao gás de síntese ser resfriado e significa que o reator não exige um trocador de calor acima de uma determinada taxa de recirculação. Acima dessa taxa, a área de superfície exigida para um trocador imerso no reator é reduzida. O projeto de tal reator, especialmente em termos de dimensionamento, é feito ainda mais simples. Adicionalmente, o abastecimento de gás natural sintético desidratado no canal de abastecimento melhora o índice Wobbe e HHV dos produtos de reação de metanação através da modificação favorável dos saldos de reação. Portanto, o dispositivo que é o objeto dessa invenção permite um dimensionamento simplificado do reator e a simplificação do ajuste às especificações, que não mais exigem a separação do hidrogênio antes do processamento para injetar na rede de gás.[042] As the water separation medium cools the synthetic natural gas, the supply of this gas in insertion to the reactor allows the synthesis gas to be cooled and means that the reactor does not require a heat exchanger above a certain recirculation rate. Above this rate, the surface area required for an exchanger immersed in the reactor is reduced. The design of such a reactor, especially in terms of sizing, is made even simpler. Additionally, the supply of dehydrated synthetic natural gas in the supply channel improves the Wobbe and HHV index of the methanation reaction products through the favorable modification of the reaction balances. Therefore, the device that is the object of this invention allows a simplified sizing of the reactor and the simplification of the adjustment to specifications, which no longer require the separation of hydrogen before processing to inject into the gas network.

[043] Adicionalmente, o uso de um reator isotérmico torna possível ter uma única etapa de metanação para obter uma conversão de gás natural sintético eficiente e obter um gás de uma qualidade próxima às especificações para injeção na rede de distribuição ou transporte de gás natural.[043] Additionally, the use of an isothermal reactor makes it possible to have a single methanation step to obtain an efficient conversion of synthetic natural gas and obtain a gas of a quality close to the specifications for injection into the distribution or transport network of natural gas.

[044] Em algumas modalidades, o dispositivo que é o objeto da presente invenção compreende um meio para separar dióxido de carbono a partir do gás natural sintético desidratado, em que esse meio de separação é posicionado a jusante do desvio.[044] In some embodiments, the device that is the object of the present invention comprises a means for separating carbon dioxide from dehydrated synthetic natural gas, wherein such separation means is positioned downstream of the bypass.

[045] Essas modalidades melhoram o ajuste às especificações dos produtos de reação de metanação.[045] These modalities improve the fit to specifications of the methanation reaction products.

[046] Em algumas modalidades, o dispositivo que é o objeto da presente invenção compreende um meio para separar dióxido de carbono a partir do gás natural sintético desidratado, em que esse meio de separação é posicionado a montante do desvio.[046] In some embodiments, the device that is the object of the present invention comprises a means for separating carbon dioxide from dehydrated synthetic natural gas, wherein such separation means is positioned upstream of the bypass.

[047] Essas modalidades melhoram adicionalmente a simplificação do ajuste às especificações dos produtos de reação de metanação.[047] These modalities further improve the simplification of fit to specifications of the methanation reaction products.

[048] Em algumas modalidades, o dispositivo que é o objeto da presente invenção compreende: - um sensor de uma temperatura dentro de ou em emissão do reator; e - um recirculador de produtos inserido ao desvio, em que esse recirculador é controlado como uma função da temperatura medida.[048] In some embodiments, the device that is the object of the present invention comprises: - a sensor of a temperature inside or in emission from the reactor; and - a product recirculator inserted into the bypass, wherein said recirculator is controlled as a function of the measured temperature.

[049] Essas modalidades tornam possível regular a taxa de fluxo de produtos de reação recirculados como uma função da temperatura medida. Caso a temperatura medida esteja acima de uma temperatura predefinida, que corresponde às condições de reação de metanação otimizadas, a taxa de fluxo de produtos recirculados é aumentada para resfriar o meio de reação do reator. Ao contrário, caso a temperatura medida esteja abaixo da temperatura predefinida, a taxa de fluxo de produtos recirculados é reduzida.[049] These modalities make it possible to regulate the flow rate of recirculated reaction products as a function of the measured temperature. If the measured temperature is above a pre-set temperature, which corresponds to the optimized methanation reaction conditions, the flow rate of recirculated products is increased to cool the reactor reaction medium. On the contrary, if the measured temperature is below the preset temperature, the flow rate of recirculated products is reduced.

[050] Em algumas modalidades, o dispositivo que é o objeto da presente invenção compreende, a montante da entrada para o reator, um meio para preaquecer a mistura para uma temperatura mais alta que 150°C.[050] In some embodiments, the device that is the object of the present invention comprises, upstream of the inlet to the reactor, a means to preheat the mixture to a temperature higher than 150°C.

[051] Essas modalidades tornam possível limitar a formação de tetracarbonila de níquel no reator de metanação, em que a tetracarbonila de níquel é formada em uma temperatura abaixo de 230°C, com uma diminuição entre 150°C e 230°C.[051] These modalities make it possible to limit the formation of nickel tetracarbonyl in the methanation reactor, in which nickel tetracarbonyl is formed at a temperature below 230°C, with a decrease between 150°C and 230°C.

[052] Em algumas modalidades, o meio de preaquecimento aquece a mistura para uma temperatura mais alta que 230°C, para evitar a produção de compostos tóxicos, e menos que a temperatura operante do reator, para permitir que o reator seja resfriado.[052] In some embodiments, the preheating medium heats the mixture to a temperature higher than 230°C, to avoid the production of toxic compounds, and less than the operating temperature of the reactor, to allow the reactor to be cooled.

[053] Em algumas modalidades, o dispositivo que é o objeto da presente invenção compreende um canal para injetar vapor de água no canal de alimentação de gás de síntese a montante do local para formar a mistura de gás de síntese e dos produtos de metanação emitidos a partir do desvio. Essas modalidades tornam possível atingir uma reação de WGS para ajustar a razão de H2/CO no reator, de modo a impedir a desativação do catalisador pelo depósito de coque e melhorar o rendimento de produção de CH4.[053] In some embodiments, the device that is the object of the present invention comprises a channel for injecting water vapor into the syngas feed channel upstream of the site to form the mixture of syngas and emitted methanation products. from the deviation. These modalities make it possible to achieve a WGS reaction to adjust the H2/CO ratio in the reactor so as to prevent catalyst deactivation by coke deposit and improve the CH4 production yield.

[054] Em algumas modalidades, o dispositivo que é o objeto da presente invenção compreende um canal de desvio, para uma porção dos produtos de reação de metanação a quente, que compreende: - uma entrada posicionada entre a saída do reator e o meio de separação de água; e - uma saída posicionada a montante da entrada ao reator e a jusante do meio de preaquecimento.[054] In some embodiments, the device that is the object of the present invention comprises a diversion channel, for a portion of the hot methanation reaction products, comprising: - an inlet positioned between the reactor outlet and the water separation; and - an outlet positioned upstream of the reactor inlet and downstream of the preheating means.

[055] Essas modalidades tornam possível manter a taxa de fluxo geral no reator de metanação constante desviando-se uma porção dos produtos de metanação a quente, em emissão a partir do reator. Manter essa taxa de fluxo confere ao dispositivo flexibilidade aumentada em termos de gás de síntese alimentação.[055] These modalities make it possible to keep the overall flow rate in the methanation reactor constant by diverting a portion of the hot methanation products emitting from the reactor. Maintaining this flow rate gives the device increased flexibility in terms of syngas feed.

[056] Em algumas modalidades, o dispositivo que é o objeto da presente invenção compreende: - um meio para medir a taxa de fluxo de gás de síntese após injetar vapor de água emitido a partir do canal de injeção de vapor de água e após misturar com o gás emitido a partir do desvio; - um recirculador de produtos inserido ao canal de desvio, em que esse recirculador é controlado como uma função da taxa de fluxo medida.[056] In some embodiments, the device that is the object of the present invention comprises: - a means for measuring the flow rate of syngas after injecting water vapor emitted from the water vapor injection channel and after mixing with the gas emitted from the bypass; - a product recirculator inserted into the diversion channel, wherein this recirculator is controlled as a function of the measured flow rate.

[057] Essas modalidades tornam possível manter a taxa geral do fluxo inserido ao reator de metanação.[057] These modalities make it possible to maintain the overall flow rate fed into the methanation reactor.

[058] Em algumas modalidades, o meio de separação de água é configurado para resfriar os gases naturais sintéticos para uma temperatura entre -5°C e +60°C.[058] In some embodiments, the water separation means is configured to cool the synthetic natural gases to a temperature between -5°C and +60°C.

[059] Essas modalidades permitem maior separação de água nos gases naturais sintéticos.[059] These modalities allow greater separation of water in synthetic natural gases.

[060] Em algumas modalidades, o meio de separação de água é configurado para resfriar os gases naturais sintéticos para uma temperatura abaixo da temperatura de ponto de condensação da água na pressão operante do reator em questão.[060] In some embodiments, the water separation means is configured to cool the synthetic natural gases to a temperature below the dew point temperature of water at the operating pressure of the reactor in question.

[061] Em algumas modalidades, o reator é configurado para executar uma assim chamada reação de Dussan de “gás para água”.[061] In some embodiments, the reactor is configured to perform a so-called “gas to water” Dussan reaction.

[062] Essas modalidades permitem que um reator único seja usado para realizar a reação de WGS e a reação de metanação.[062] These modalities allow a single reactor to be used to carry out the WGS reaction and the methanation reaction.

[063] Em algumas modalidades, o reator isotérmico é um reator de leito fluidizado.[063] In some embodiments, the isothermal reactor is a fluidized bed reactor.

[064] Em algumas modalidades, o dispositivo que é o objeto da presente invenção compreende pelo menos uma superfície de troca de calor posicionada no leito fluidizado.[064] In some embodiments, the device that is the object of the present invention comprises at least one heat exchange surface positioned in the fluidized bed.

[065] Essas modalidades tornam possível regular a temperatura dentro do reator de metanação.[065] These modalities make it possible to regulate the temperature inside the methanation reactor.

[066] Essas modalidades permitem que a temperatura na camada de catalisador do reator isotérmico seja feita simplesmente uniforme.[066] These modalities allow the temperature in the catalyst layer of the isothermal reactor to be made simply uniform.

[067] De acordo com um segundo aspecto, a presente invenção prevê um método para produzir gás sintético que compreende: - uma etapa de reação de metanação que compreende: - uma etapa de inserção de gás de síntese, produzido gaseificando-se material de hidrocarboneto, em um reator de metanação isotérmico por meio de um canal de alimentação de gás de síntese; e - uma etapa de emissão de gás natural sintético; - uma etapa de separar 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 desviar uma porção do gás natural sintético desidratado emitido a partir da etapa de separação de água para o canal de alimentação de gás de síntese, a fim de fornecer uma mistura do gás de síntese e do gás natural sintético desviado para o reator.[067] According to a second aspect, the present invention provides a method for producing synthetic gas which comprises: - a methanation reaction step comprising: - a step of inserting synthesis gas, produced by gasifying hydrocarbon material , in an isothermal methanation reactor via a synthesis gas feed channel; and - a step of emission of synthetic natural gas; - a step of separating water comprising: - a step of inserting synthetic natural gas; and - a step of emission of dehydrated synthetic natural gas; and - a step of diverting a portion of the dehydrated synthetic natural gas emitted from the water separation step to the syngas feed channel, in order to supply a mixture of the syngas and diverted synthetic natural gas to the reactor.

[068] O método que é o objeto da presente invenção que corresponde ao dispositivo que é o objeto da presente invenção, os recursos particulares, vantagens e objetivos desse método são similares àqueles do dispositivo que é o objeto da presente invenção. Esses recursos, vantagens e objetivos são não repetidos aqui.[068] The method that is the object of the present invention that corresponds to the device that is the object of the present invention, the particular features, advantages and objectives of this method are similar to those of the device that is the object of the present invention. These features, advantages, and goals are not repeated here.

[069] Em algumas modalidades, o método que é o objeto da presente invenção compreende: - uma etapa de separar dióxido de carbono a partir do gás natural sintético desidratado emitido a partir da etapa de separação de água; e/ou - uma etapa de desviar uma porção dos produtos de reação de metanação a quente, para a montante da etapa de metanação.[069] In some embodiments, the method that is the object of the present invention comprises: - a step of separating carbon dioxide from the dehydrated synthetic natural gas emitted from the water separation step; and/or - a step of diverting a portion of the hot methanation reaction products upstream of the methanation step.

BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[070] Outras vantagens, objetivos e recursos particulares da invenção se tornarão evidentes a partir da descrição não-limitante a seguir de pelo menos uma modalidade particular do dispositivo e método para produzir gás sintético que são os objetos da presente invenção, com referência aos desenhos incluídos no apêndice, em que: - A Figura 1 representa, esquematicamente, uma primeira modalidade particular do dispositivo que é o objeto dessa invenção; - A Figura 2 representa, esquematicamente, uma segunda modalidade particular do dispositivo que é o objeto dessa invenção; - A Figura 3 representa, esquematicamente e na forma de um diagrama lógico, uma série particular de etapas do método que é o objeto da presente invenção; - A Figura 4 representa, na forma de uma curva, o índice Wobbe de gás sintético obtido pelo dispositivo e o método que são os objetos da presente invenção; - A Figura 5 representa, na forma de uma curva, o HHV de gás sintético obtido pelo dispositivo e o método que são os objetos da presente invenção; - A Figura 6 representa, na forma de uma curva, a redução relativa do fluxo molar de hidrogênio no gás sintético como uma função da taxa de recirculação de gás sintético; - A Figura 7 representa, na forma de uma curva, a exotermicidade da reação que obtém o gás sintético durante o uso do dispositivo e método que são os objetos da presente invenção; e - A Figura 8 representa, esquematicamente, um exemplo de sistema usado no estado da técnica.[070] Other particular advantages, objects and features of the invention will become apparent from the following non-limiting description of at least one particular embodiment of the device and method for producing synthetic gas which are the objects of the present invention, with reference to the drawings included in the appendix, in which: - Figure 1 schematically represents a first particular embodiment of the device that is the object of this invention; - Figure 2 schematically represents a second particular embodiment of the device that is the object of this invention; - Figure 3 represents, schematically and in the form of a logic diagram, a particular series of steps of the method that is the object of the present invention; - Figure 4 represents, in the form of a curve, the Wobbe index of synthetic gas obtained by the device and the method that are the objects of the present invention; - Figure 5 represents, in the form of a curve, the HHV of synthetic gas obtained by the device and the method that are the objects of the present invention; - Figure 6 represents, in the form of a curve, the relative reduction of the molar flow of hydrogen in the synthetic gas as a function of the synthetic gas recirculation rate; - Figure 7 represents, in the form of a curve, the exothermicity of the reaction that obtains the synthetic gas during the use of the device and method that are the objects of the present invention; and - Figure 8 schematically represents an example of a system used in the state of the art.

DESCRIPTION OF EXAMPLES OF CARRYING OUT THE INVENTION

[071] A presente descrição é feita como um exemplo não- limitante, em que cada característica de uma modalidade é com a capacidade de ser combinada com qualquer outra característica de qualquer outra modalidade em uma maneira vantajosa. Adicionalmente, cada parâmetro de um exemplo de realização pode ser usado independentemente dos outros parâmetros do dito exemplo de realização.[071] The present description is made as a non-limiting example, where each feature of one embodiment is capable of being combined with any other feature of any other embodiment in an advantageous manner. Additionally, each parameter of an example embodiment can be used independently of the other parameters of said example embodiment.

[072] É agora observado que as figuras não estão em escala.[072] It is now noted that the figures are not to scale.

[073] A Figura 8 mostra uma vista esquemática de um exemplo de sistema 80 usado no estado da técnica.[073] Figure 8 shows a schematic view of an example system 80 used in the prior art.

[074] Nesses sistemas 80, reagentes de metanação entram em um reator de metanação 805, que pode ser parte de uma série (não mostrada) de tal reatores.[074] In these 80 systems, methanation reagents enter an 805 methanation reactor, which may be part of a series (not shown) of such reactors.

[075] Em emissão a partir da etapa de metanação, a água é separada a partir dos produtos de metanação por um meio 825 para separar essa água, tal como um trocador de calor, por exemplo.[075] In emission from the methanation step, water is separated from the methanation products by a means 825 to separate that water, such as a heat exchanger, for example.

[076] O gás natural sintético desidratado é, então, processado por um meio 845 para separar dióxido de carbono.[076] The dehydrated synthetic natural gas is then processed through an 845 medium to separate carbon dioxide.

[077] Por fim, o gás natural sintético é processado por um meio 855 para separar hidrogênio de modo que esse gás natural sintético satisfaz as especificações para injeção na rede de distribuição de gás natural.[077] Finally, the synthetic natural gas is processed through an 855 medium to separate hydrogen so that this synthetic natural gas meets the specifications for injection into the natural gas distribution network.

[078] As etapas de separação de água, dióxido de carbono e hidrogênio podem ser executadas em qualquer ordem.[078] The water, carbon dioxide and hydrogen separation steps can be performed in any order.

[079] A Figura 1, que não está em escala, mostra uma vista esquemática de uma primeira modalidade do dispositivo 10 que é o objeto da presente invenção. Esse dispositivo de produção de gás sintético 10 compreende: - um reator de metanação isotérmico 105 que compreende: - uma entrada 110, para gás de síntese produzido gaseificando-se material de hidrocarboneto, conectada a um canal de alimentação de 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 a partir da emissão do meio de separação de água 125 para o canal de alimentação de gás de síntese 115, a fim de fornecer uma mistura do gás de síntese e do gás natural sintético desviado para o reator 105.[079] Figure 1, which is not to scale, shows a schematic view of a first embodiment of the device 10 that is the object of the present invention. This synthetic gas production device 10 comprises: - an isothermal methanation reactor 105 comprising: - an inlet 110, for synthesis gas produced by gasifying hydrocarbon material, connected to a synthesis gas supply channel 115; and - an outlet 120 for synthetic natural gas; - a water separation means 125 comprising: - an inlet 130 for synthetic natural gas; and - an outlet 135 for dehydrated synthetic natural gas; and - a diversion 140 for a portion of the dehydrated synthetic natural gas from the emission of the water separating means 125 to the synthesis gas feed channel 115, in order to supply a mixture of the synthesis gas and the synthetic natural gas diverted to reactor 105.

[080] O reator 105 é, preferencialmente, um reator de metanação de leito fluidizado isotérmico que opera em uma temperatura predefinida. A fluidificação do catalisador pela mistura de reagente habilita a homogeneização quase perfeita das temperaturas em todos os pontos da camada de catalisador e o reator pode ser assimilada a um reator isotérmico. Em algumas variantes, esse reator 105 pode ser um reator de água fervente, conhecido pelo perito na técnica sob a abreviação de “BWR”. Em outras variantes, esse reator 105 pode ser um reator de parede resfriada ou um reator trocador.[080] Reactor 105 is preferably an isothermal fluidized bed methanation reactor that operates at a predefined temperature. The fluidization of the catalyst by the reagent mixture enables the almost perfect homogenization of temperatures at all points of the catalyst layer and the reactor can be assimilated to an isothermal reactor. In some embodiments, such reactor 105 may be a boiling water reactor, known to the person skilled in the art under the abbreviation "BWR". In other variants, this reactor 105 may be a wall-cooled reactor or an exchange reactor.

[081] Em algumas modalidades, o reator 105 compreende pelo menos uma superfície de troca de calor 106 posicionada no leito fluidizado do reator isotérmico 105.[081] In some embodiments, the reactor 105 comprises at least one heat exchange surface 106 positioned in the fluidized bed of the isothermal reactor 105.

[082] Essa superfície 106 é, por exemplo, um tubo configurado para formar um ciclo para circular um fluido a partir do exterior o reator 105 para dentro desse reator 105, em que o fluido é resfriado fora do reator 105.[082] This surface 106 is, for example, a tube configured to form a loop to circulate a fluid from outside the reactor 105 into that reactor 105, where the fluid is cooled outside the reactor 105.

[083] Esse fluido é, por exemplo, vapor de água superaquecido ou saturado.[083] This fluid is, for example, superheated or saturated water vapor.

[084] Esse reator 105 é configurado para executar a metanação do monóxido de carbono e/ou do dióxido de carbono.[084] This reactor 105 is configured to perform the methanation of carbon monoxide and/or carbon dioxide.

[085] Esse reator 105 compreende a entrada 110 para gás de síntese que é, por exemplo, uma abertura do reator 105 equipada com um conector (não mostrado) compatível com o canal de alimentação de gás de síntese 115.[085] This reactor 105 comprises the inlet 110 for synthesis gas which is, for example, a reactor opening 105 equipped with a connector (not shown) compatible with the synthesis gas supply channel 115.

[086] Em algumas modalidades preferenciais, tais como aquelas mostradas na Figura 1, o reator 105 é configurado para executar uma assim chamada reação de Dussan “gás-para- água”. Nessas modalidades, vapor de água é injetado no gás de síntese alimentado ao reator 105.[086] In some preferred embodiments, such as those shown in Figure 1, the reactor 105 is configured to perform a so-called “gas-to-water” Dussan reaction. In these embodiments, water vapor is injected into the syngas fed to reactor 105.

[087] O canal de alimentação de gás de síntese 115 é conectado a uma unidade para gaseificar materiais de hidrocarboneto (não mostrados), tais como biomassa, carbono ou refugo. O gás de síntese compreende elementos de H2, CO, CO2, H2O, CH4, C2, C3+, etc. Esse canal de alimentação 115 é vedado.[087] Syngas feed channel 115 is connected to a unit for gasifying hydrocarbon materials (not shown), such as biomass, carbon or waste. The synthesis gas comprises elements of H2, CO, CO2, H2O, CH4, C2, C3+, etc. This supply channel 115 is sealed.

[088] Em algumas variantes, o canal de abastecimento 115 recebe H2 que vem, por exemplo, a partir de um dispositivo de eletrólise de água.[088] In some variants, the supply channel 115 receives H2 which comes, for example, from a water electrolysis device.

[089] Em outras variantes, o canal de abastecimento 115 recebe H2 emitido a partir de uma pluralidade de fontes separadas.[089] In other variants, the supply channel 115 receives H2 emitted from a plurality of separate sources.

[090] Os gases naturais sintéticos deixam o reator 105 através da saída 120 a partir do reator. Essa saída 120 é, por exemplo, uma abertura conectada a um conector (não mostrado) que torna possível conectar um canal vedado para transportar gás natural sintético.[090] The synthetic natural gases leave the reactor 105 through the outlet 120 from the reactor. This outlet 120 is, for example, an opening connected to a connector (not shown) which makes it possible to connect a sealed channel for transporting synthetic natural gas.

[091] O meio de separação de água 125 é, por exemplo, um trocador de calor para resfriar os gases naturais sintéticos para uma temperatura abaixo da temperatura de ponto de condensação da água. Essa temperatura é preferencialmente entre -5°C e +60°C. Preferencialmente, essa temperatura é entre -5°C e 40°C.[091] The water separation means 125 is, for example, a heat exchanger to cool synthetic natural gases to a temperature below the dew point temperature of water. That temperature is preferably between -5°C and +60°C. Preferably, that temperature is between -5°C and 40°C.

[092] A água separada desse modo é coletada por uma saída 127 para água e pode ser usada por um dispositivo externo ou aquecida para ser transformada em vapor de água que pode, conforme indicado abaixo, ser injetado no canal de alimentação de gás de síntese 115.[092] The water separated in this way is collected by an outlet 127 for water and can be used by an external device or heated to be transformed into water vapor which can, as indicated below, be injected into the syngas feed channel. 115.

[093] 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) a ser conectada a um canal vedado para transportar gás natural sintético emitido a partir do reator 105. Esse canal de transporte vedado é conectado à saída 120 para gás natural sintético a partir do reator de metanação 105.[093] The water separation means 125 comprises the inlet (130) for synthetic natural gas. This inlet 130 is, for example, an opening associated with a connector (not shown) to be connected to a sealed channel for transporting synthetic natural gas emitted from the reactor 105. This sealed transport channel is connected to the outlet 120 for natural gas synthetic from the 105 methanation reactor.

[094] O meio de separação de água 125 compreende a saída 135 para gás natural sintético desidratado. Essa saída 135 é, por exemplo, uma abertura associada a um conector (não mostrado) a ser conectada a um canal vedado (não mostrado) que transporta gás natural sintético desidratado.[094] The water separation means 125 comprises the outlet 135 for dehydrated synthetic natural gas. This outlet 135 is, for example, an opening associated with a connector (not shown) to be connected to a sealed channel (not shown) carrying dehydrated synthetic natural gas.

[095] 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 passa através desse canal de transporte.[095] Bypass 140 is, for example, a sealed channel connected to the transport channel for dehydrated synthetic natural gas in order to capture a portion of the flow that passes through that transport channel.

[096] Esse desvio 140 injeta o gás natural sintético desidratado no canal de alimentação de gás de síntese 115.[096] This bypass 140 injects the dehydrated synthetic natural gas into the syngas feed channel 115.

[097] Desse modo, o gás de síntese e os gases naturais sintéticos desidratados, resfriados pelo processo de separação de água, formam uma mistura que, no reator 105, reduz a exotermicidade do reator de metanação e também melhora as características da emissão de gás natural sintético a partir do reator 105 para satisfazer as especificações normais de uso.[097] In this way, the synthesis gas and the dehydrated synthetic natural gases, cooled by the water separation process, form a mixture that, in the reactor 105, reduces the exothermicity of the methanation reactor and also improves the characteristics of the gas emission. synthetic natural from reactor 105 to meet normal usage specifications.

[098] Em particular, a mistura produzida torna possível para evitar a separação a jusante de H2. Em algumas modalidades preferenciais, tais como aquelas mostradas na Figura 1, o dispositivo 10 compreende: - um sensor 150 de uma temperatura dentro de ou em emissão do reator 105 ou uma temperatura do fluxo de gás sintético em emissão a partir desse reator 105; e - um recirculador 155 de produtos inserido ao desvio, em que esse recirculador é controlado como uma função da temperatura medida.[098] In particular, the mixture produced makes it possible to avoid the downstream separation of H2. In some preferred embodiments, such as those shown in Figure 1, the device 10 comprises: - a sensor 150 of a temperature within or in emission from the reactor 105 or a temperature of the flow of synthetic gas emitted from that reactor 105; and - a product recirculator 155 inserted into the bypass, wherein said recirculator is controlled as a function of the measured temperature.

[099] O sensor 150 é posicionado dentro de ou na saída 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.[099] Sensor 150 is positioned inside or at the outlet of reactor 105. This sensor 150 captures the temperature of the catalyst that forms the fluidized bed, the atmosphere of the reactor 105 and/or the reactor wall 105.

[100] O recirculador 155 se destina a compensar as perdas de carga ou pressão, sucessivamente, em: - o meio de preaquecimento 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 preaquecimento 260, o reator 205, o meio de separação de água 225 e o meio de separação de dióxido de carbono 245 para o dispositivo 20 descritos com referência à Figura 2; e todos os canais de conexão desses vários itens de equipamento.[100] The recirculator 155 is intended to compensate for losses of load or pressure, successively, in: - the preheating means 160, the reactor 105, the water separation means 125, particularly for the device 10 described with reference to the Figure 1; and - the preheating means 260, the reactor 205, the water separating means 225 and the carbon dioxide separating means 245 for the device 20 described with reference to Figure 2; and all connecting channels of these various items of equipment.

[101] Tal perda de carga é estimada para ser entre 20 e 80 kPas (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 de água que complementa ou substitui parcialmente o vapor 165 da WGS que ocorre no reator 105.[101] Such pressure drop is estimated to be between 20 and 80 kPas (200 and 800 mbars), for example. The recirculator 155 is, for example, a fan, compressor or ejector. In the case of an ejector, the fluid used to carry out the ejection mechanism is, for example, water vapor that complements or partially replaces the WGS steam 165 that occurs in the reactor 105.

[102] Caso a temperatura medida esteja acima de uma temperatura predefinida, que corresponde às condições de reação de metanação otimizadas, a taxa de fluxo de produtos recirculados é aumentada para resfriar o meio de reação do reator 105. Ao contrário, caso a temperatura medida esteja abaixo da temperatura predefinida, a taxa de fluxo de produtos recirculados é reduzida.[102] If the measured temperature is above a preset temperature, which corresponds to the optimized methanation reaction conditions, the flow rate of recirculated products is increased to cool the reaction medium of the reactor 105. On the contrary, if the measured temperature is below the preset temperature, the flow rate of recirculated products is reduced.

[103] Em algumas modalidades preferenciais, tais como aquelas mostradas na Figura 1, o dispositivo 10 compreende, a montante da entrada do reator 105, um meio 160 para preaquecer a mistura para uma temperatura mais alta que 150°C. Preferencialmente, esse meio de preaquecimento 160 aquece a mistura para uma temperatura mais alta que ou igual a 200°C. Preferencialmente, esse meio de preaquecimento 160 aquece a mistura para uma temperatura mais alta que ou igual a 230°C. Preferencialmente, esse meio de preaquecimento 160 aquece a mistura para uma temperatura abaixo de 280°C e, preferencialmente, para uma temperatura menos que a temperatura operante do reator 105.[103] In some preferred embodiments, such as those shown in Figure 1, the device 10 comprises, upstream of the reactor inlet 105, a means 160 for preheating the mixture to a temperature higher than 150°C. Preferably, such preheating means 160 heats the mixture to a temperature greater than or equal to 200°C. Preferably, such preheating means 160 heats the mixture to a temperature greater than or equal to 230°C. Preferably, such preheating means 160 heats the mixture to a temperature below 280°C and, preferably, to a temperature less than the operating temperature of the reactor 105.

[104] O meio de preaquecimento 160 é, por exemplo, um trocador de calor fluido-gás ou elétrico configurado para transmitir uma temperatura mais alta que 150°C à mistura. Preferencialmente, a temperatura da mistura é levada para uma temperatura mais alta que ou igual a 230°C.[104] The preheating means 160 is, for example, a fluid-gas or electric heat exchanger configured to impart a temperature higher than 150°C to the mixture. Preferably, the temperature of the mixture is brought to a temperature higher than or equal to 230°C.

[105] Adicionalmente, o dispositivo 10 pode compreender, nessas modalidades, um sensor de temperatura 162 da mistura a jusante do meio de preaquecimento 160. A potência alimentada pelo meio de preaquecimento 160 varia como uma função da temperatura capturada em emissão a partir do meio de preaquecimento 160 e uma regulagem de temperatura predefinida. Caso a temperatura capturada seja maior que a regulagem de temperatura, a potência alimentada pelo meio de preaquecimento 160 é reduzida. Ao contrário, a potência do meio de preaquecimento 160 é aumentada quando a temperatura capturada é abaixo da regulagem de temperatura.[105] Additionally, the device 10 may comprise, in such embodiments, a temperature sensor 162 of the mixture downstream of the preheating means 160. The power supplied by the preheating means 160 varies as a function of the temperature captured in emission from the means. preheat setting 160 and a preset temperature setting. If the captured temperature is greater than the temperature setting, the power supplied by the preheating means 160 is reduced. On the contrary, the power of the preheating means 160 is increased when the captured temperature is below the temperature setting.

[106] Em algumas modalidades preferenciais, tais como aquelas mostradas na Figura 1, o dispositivo 10 compreende um canal 165 para injetar vapor de água no canal de alimentação de gás de síntese 115 a montante do local para formar a mistura de gás de síntese e dos produtos de metanação emitidos a partir do desvio 140.[106] In some preferred embodiments, such as those shown in Figure 1, the device 10 comprises a channel 165 for injecting water vapor into the syngas feed channel 115 upstream of the site to form the syngas mixture and of methanation products emitted from deviation 140.

[107] O canal de injeção 165 é, por exemplo, um canal vedado conectado a um dispositivo (não mostrado) para produzir vapor de água. Esse dispositivo de produção de vapor de água aquece, por exemplo, a água separada a partir do gás natural sintético para produzir vapor de água injetada no gás de síntese. A água injetada desse modo torna possível produzir uma reação de WGS e limitar a formação de coque no reator 105. Adicionalmente, o vapor estimula, através da reação de WGS, o ajuste da razão H2/CO a se aproximar das condições de reação de metanação otimizadas. A análise do estado anterior da técnica mostrou que a reação de WGS poderia ser executada em um reator dedicado situado a montante do reator 105 ou mesmo dentro desse reator em paralelo às reações de metanação. Para se beneficiar dos ganhos econômicos e simplificação do método, as reações de metanação e WGS são, preferencialmente, executadas em um único dispositivo.[107] Injection channel 165 is, for example, a sealed channel connected to a device (not shown) for producing water vapour. This water vapor production device heats, for example, water separated from synthetic natural gas to produce water vapor injected into the syngas. The water injected in this way makes it possible to produce a WGS reaction and limit the formation of coke in the reactor 105. Additionally, the steam stimulates, through the WGS reaction, the adjustment of the H2/CO ratio to approach the conditions of the methanation reaction. optimized. Analysis of the prior art showed that the WGS reaction could be carried out in a dedicated reactor located upstream of reactor 105 or even within this reactor in parallel with the methanation reactions. To benefit from the economic gains and simplification of the method, the methanation and WGS reactions are preferably performed in a single device.

[108] Em algumas modalidades preferenciais, tais como aquelas mostradas na Figura 1, o dispositivo 10 compreende um canal de desvio 170, para uma porção dos produtos de reação de metanação a quente, que compreende: - uma entrada 175 posicionada entre a saída do reator 105 e o meio de separação de água 125; e - uma saída 180 posicionada a montante da entrada 110 para o reator 105 e a jusante do meio de reaquecimento 160.[108] In some preferred embodiments, such as those shown in Figure 1, the device 10 comprises a bypass channel 170, for a portion of the hot methanation reaction products, comprising: - an inlet 175 positioned between the outlet of the reactor 105 and water separation means 125; and - an outlet 180 positioned upstream of the inlet 110 for the reactor 105 and downstream of the reheating means 160.

[109] O 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 de gás natural sintético, a montante do meio de separação de água 125. A saída 180 é, por exemplo, uma abertura para injetar gás natural sintético na mistura, a jusante do meio de preaquecimento 160.[109] Bypass channel 170 is, for example, a sealed channel. The inlet 175 is, for example, an opening that emerges within the synthetic natural gas transport channel, upstream of the water separating means 125. The outlet 180 is, for example, an opening for injecting synthetic natural gas into the mixture. , downstream of the preheating means 160.

[110] Os gases naturais sintéticos, que são quentes, tornam possível manter a taxa de fluxo constante no reator 105.[110] Synthetic natural gases, which are hot, make it possible to maintain a constant flow rate in reactor 105.

[111] A taxa de fluxo do gás de síntese de gaseificação é inteiramente uma função das quantidades de compostos de hidrocarboneto disponíveis. A fim de manter a estabilidade de conversão durante a operação de metanação, as condições hidrodinâmicas devem ser mantidas tão constantes quanto possível. Entretanto, caso o material de hidrocarboneto disponível seja insuficiente e, como um resultado, a taxa de fluxo de gás de síntese seja reduzida, é necessário manter uma taxa de fluxo geral constante inserido ao reator 105 ou optar por uma tecnologia bastante flexível. Mesmo no caso do leito fluidizado com a capacidade de operar em uma faixa de taxa de fluxo de um para seis, as taxas de fluxo que são demasiadamente baixas podem causar a degradação do resfriamento e, portanto, da conversão. Para superar essa dificuldade, no caso de uma queda significativa na taxa de fluxo de gás de síntese, a taxa de fluxo em emissão a partir do meio de preaquecimento 160 é complementada por uma recirculação a quente que vem diretamente a partir da saída 120 do reator 105 por meio do canal de desvio 170. O fato usar um fluido de recirculação quente não causa um desequilíbrio térmico do reator 105, porém, permite ao dispositivo 10 ser feito bastante flexível.[111] The flow rate of the gasification syngas is entirely a function of the amounts of available hydrocarbon compounds. In order to maintain conversion stability during the methanation operation, the hydrodynamic conditions must be kept as constant as possible. However, if the available hydrocarbon material is insufficient and, as a result, the syngas flow rate is reduced, it is necessary to maintain a constant overall flow rate entered into the reactor 105 or to opt for a very flexible technology. Even in the case of the fluidized bed with the ability to operate in a flow rate range of one to six, flow rates that are too low can cause degradation of cooling and therefore conversion. To overcome this difficulty, in the event of a significant drop in the flow rate of syngas, the flow rate in emission from the preheating means 160 is supplemented by a hot recirculation that comes directly from the reactor outlet 120. 105 via the bypass channel 170. Using a hot recirculating fluid does not cause a thermal imbalance of the reactor 105, however, it allows the device 10 to be made quite flexible.

[112] Em algumas modalidades preferenciais, tais como aquelas mostradas na Figura 1, o dispositivo 10 compreende: - um meio 185 para medir a taxa de fluxo de gás de síntese após injetar emite vapor de água a partir do canal de injeção de vapor de água 165, e após misturar com o gás emite a partir do desvio 140; - um recirculador 190 de produtos insere ao canal de desvio 165 esse recirculador 190 que é controlado como uma função da taxa de fluxo medida.[112] In some preferred embodiments, such as those shown in Figure 1, the device 10 comprises: - means 185 for measuring the flow rate of syngas after injecting emits water vapor from the steam injection channel water 165, and after mixing with the gas emits from bypass 140; - a product recirculator 190 inserts that recirculator 190 into the bypass channel 165 which is controlled as a function of the measured flow rate.

[113] O meio de medição de taxa de fluxo 185 pode ser qualquer tipo conhecido pelo indivíduo versado na técnica que é adequado para medir a taxa de fluxo de gases, tal como um anemômetro, fluxômetro de efeito Coriolis, fluxômetro de efeito vórtex ou fluxômetro eletromagnético, por exemplo.[113] The flow rate measuring means 185 may be any type known to the person skilled in the art that is suitable for measuring the flow rate of gases, such as an anemometer, Coriolis effect flowmeter, vortex flowmeter, or flowmeter. electromagnetic, for example.

[114] O 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 185 e um valor de regulagem taxa de fluxo predefinido 187. Caso a taxa de fluxo medida seja abaixo de uma regulagem de taxa de fluxo predefinida 187, o recirculador 190 é atuado de modo a compensar a diferença entre a taxa de fluxo medida e a regulagem de taxa de fluxo 187 por uma taxa de fluxo de gás natural sintético equivalente.[114] The recirculator 190 is similar to the recirculator 155 in structural terms. This recirculator 190 is controlled as a function of the flow rate measured by the measurement means 185 and a preset flow rate setpoint 187. If the measured flow rate is below a preset flow rate setting 187, the recirculator 190 is actuated to compensate for the difference between the measured flow rate and the flow rate setting 187 by an equivalent synthetic natural gas flow rate.

[115] Em algumas modalidades preferenciais, o dispositivo 10 compreende um meio 145 para separar dióxido de carbono a partir do gás natural sintético desidratado posicionado a jusante do desvio 140.[115] In some preferred embodiments, device 10 comprises means 145 for separating carbon dioxide from dehydrated synthetic natural gas positioned downstream of bypass 140.

[116] O uso do dispositivo 10 que é o objeto da presente invenção torna possível obter gás sintético próximo às especificações da rede de gás que exigem poucas operações adicionais.[116] The use of the device 10 that is the object of the present invention makes it possible to obtain synthetic gas close to gas network specifications that require few additional operations.

[117] Adicionalmente, o dispositivo 10 pode também ser usado para uma faixa de pressão de entre 100.000 kPas (um bar) e 10.000.000 kPas (cem bars), e uma faixa de temperaturas predefinidas de entre 230°C e 700°C.[117] Additionally, the device 10 can also be used for a pressure range of between 100,000 kPas (one bar) and 10,000,000 kPas (one hundred bars), and a preset temperature range of between 230°C and 700°C. .

[118] A Figura 2, que não está em escala, mostra uma vista esquemática de uma segunda modalidade do dispositivo 20 que é o objeto da presente invenção. Esse dispositivo de produção de gás sintético 20 é similar ao dispositivo 10 descrito com referência à Figura 1. Portanto, as referências 205, 210, 215, 220, 225, 227, 230, 235, 240, 250, 255, 260, 262, 265, 270, 275, 280, 285, 287 e 290 do dispositivo 20 correspondem, respectivamente, às referências 105, 110, 115, 120, 125, 127, 130, 135, 140, 150, 155, 160, 162, 165, 170, 175, 180, 185, 187 e 190 do dispositivo 10.[118] Figure 2, which is not to scale, shows a schematic view of a second embodiment of the device 20 that is the object of the present invention. This synthetic gas producing device 20 is similar to the device 10 described with reference to Figure 1. Therefore, references 205, 210, 215, 220, 225, 227, 230, 235, 240, 250, 255, 260, 262, 265, 270, 275, 280, 285, 287 and 290 of device 20 correspond, respectively, to references 105, 110, 115, 120, 125, 127, 130, 135, 140, 150, 155, 160, 162, 165, 170, 175, 180, 185, 187 and 190 of device 10.

[119] O dispositivo 20 também compreende um meio 245 para separar dióxido de carbono a partir do gás natural sintético desidratado 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.[119] Device 20 also comprises means 245 for separating carbon dioxide from dehydrated synthetic natural gas positioned upstream of bypass 240. Such separating means 245 may be positioned upstream or downstream of water separating means 225 .

[120] A Figura 3 mostra, na forma de um diagrama lógico de etapas, uma modalidade particular do método 30 que é o objeto da presente invenção. Esse método de produção de gás sintético 30 compreende: - uma etapa de reação de metanação 305 que compreende: - uma etapa 310 de inserção de gás de síntese, produzido gaseificando-se material de hidrocarboneto, em um reator de metanação isotérmico por meio de um canal de alimentação de 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; e - uma etapa 330 de emissão de gás natural sintético desidratado; - uma etapa 335 de desviar uma porção do gás natural sintético desidratado emitido a partir da etapa de separação de água para o canal de alimentação de gás de síntese a fim de fornecer uma mistura do gás de síntese e do gás natural sintético desviado para o reator; e - preferencialmente, uma etapa 340 de separação de dióxido de carbono a partir do gás natural sintético desidratado emitido a partir da etapa de separação 320; - preferencialmente, uma etapa (não mostrada) de desviar uma porção dos produtos de reação de metanação a quente, para a montante da etapa de metanação 305.[120] Figure 3 shows, in the form of a logic diagram of steps, a particular embodiment of the method 30 that is the object of the present invention. This synthetic gas production method 30 comprises: - a methanation reaction step 305 comprising: - a step 310 of inserting synthesis gas, produced by gasifying hydrocarbon material, into an isothermal methanation reactor by means of a synthesis gas feed channel; and - a step 315 of emitting synthetic natural gas; - a step 320 for separating water, comprising: - a step 325 for inserting synthetic natural gas; and - a step 330 of emitting dehydrated synthetic natural gas; - a step 335 of diverting a portion of the dehydrated synthetic natural gas emitted from the water separation step to the syngas feed channel in order to supply a mixture of the syngas and diverted synthetic natural gas to the reactor ; and - preferably, a step 340 of separating carbon dioxide from the dehydrated synthetic natural gas emitted from the separation step 320; - preferably, a step (not shown) of diverting a portion of the hot methanation reaction products upstream of the methanation step 305.

[121] Esse método 30 é usado, por exemplo, por um dispositivo 10 ou 20 que é o objeto da presente invenção e descrito com referência à Figura 1 ou 2.[121] This method 30 is used, for example, by a device 10 or 20 which is the object of the present invention and described with reference to Figure 1 or 2.

[122] Em algumas variantes, o método 30 que é o objeto da presente invenção compreende, a montante da etapa de reação 305, uma etapa de preaquecimento 340. Essa etapa de preaquecimento 340 é realizada, por exemplo, por um meio de preaquecimento, 160 ou 260, conforme descrito com referência à Figura 1 ou 2.[122] In some variants, the method 30 which is the object of the present invention comprises, upstream of the reaction step 305, a preheating step 340. This preheating step 340 is carried out, for example, by means of preheating, 160 or 260 as described with reference to Figure 1 or 2.

[123] É observado que as Figuras 4 a 7 são o resultado de simulações executadas para determinar o impacto do dispositivo e do método que são o objeto da presente invenção. Esses resultados são comparados a uma simulação de um caso de recirculação sem desidratação conforme é, por exemplo, o caso na primeira etapa do reator de água fervente, por exemplo. O objetivo do dispositivo e do método que são os objetos da presente invenção é também minimizar as etapas de ajuste às especificações enquanto opera uma metanação de estágio único em pressão moderada que é aceitável em termos de custos. Pelos mesmos motivos, o SNG é preferencialmente comprimido no final da cadeia de produção após as separações exigidas para injeção na rede. As simulações executadas e apresentadas abaixo foram executadas a 800 kPas (8 bars) e uma temperatura de metanação de 320°C.[123] It is observed that Figures 4 to 7 are the result of simulations performed to determine the impact of the device and method that are the object of the present invention. These results are compared to a simulation of a recirculation case without dehydration as is, for example, the case in the first stage of the boiling water reactor, for example. The object of the device and method which are the objects of the present invention is also to minimize the steps of adjustment to specification while operating a single stage methanation at moderate pressure which is acceptable in terms of cost. For the same reasons, SNG is preferably compressed at the end of the production chain after the separations required for injection into the network. The simulations performed and presented below were performed at 800 kPas (8 bars) and a methanation temperature of 320°C.

[124] As Figuras 4 e 5 mostram, respectivamente, o índice Wobbe e o HHV do SNG antes da separação de H2 para a configuração de referência com recirculação do SNG úmido, recirculação do SNG desidratado e recirculação do SNG descarbonatado, desidratado.[124] Figures 4 and 5 show, respectively, the Wobbe index and HHV of the SNG before H2 separation for the reference configuration with wet SNG recirculation, dehydrated SNG recirculation, and decarbonated, dehydrated SNG recirculation.

[125] Esses resultados são apresentados como uma função da taxa de recirculação, que corresponde à razão das taxas de fluxo de volume sob pressão normal e das condições de temperatura do fluxo recirculado para o fluxo de gás de síntese. Para a “configuração de referência”, o fluxo reciclado é substituído por uma taxa de fluxo de SNG úmido equivalente ao fluxo que passa através do canal de desvio. Essa taxa de fluxo de SNG úmido foi atingida desviando-se uma porção do fluxo emitido a partir do reator, a montante da separação de água.[125] These results are presented as a function of the recirculation rate, which corresponds to the ratio of volume flow rates under normal pressure and temperature conditions of the recirculated flow to the syngas flow. For the “reference configuration”, the recycled flow is replaced with a wet SNG flow rate equivalent to the flow passing through the bypass channel. This wet SNG flow rate was achieved by diverting a portion of the flow emitted from the reactor upstream of the water separation.

[126] A Figura 4 mostra, no eixo geométrico x, o índice 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 inserção ao reator de metanação, 105 ou 205.[126] Figure 4 shows, on the x axis, the Wobbe index of the synthetic natural gas produced by the device, 10 or 20, as a function of the recirculation rate, on the y axis, and the nature of the synthetic natural gas recirculated in the insertion to the methanation reactor, 105 or 205.

[127] É observado, em particular, que a recirculação de gás natural sintético úmido 405 não tem efeito no índice Wobbe do gás natural sintético produzido pelo dispositivo.[127] It is particularly noted that recirculation of wet synthetic natural gas 405 has no effect on the Wobbe index of the synthetic natural gas produced by the device.

[128] É também observado que a recirculação de gás natural sintético desidratado 410 melhora o índice Wobbe do gás natural sintético produzido pelo dispositivo.[128] It is also observed that recirculation of dehydrated synthetic natural gas 410 improves the Wobbe index of the synthetic natural gas produced by the device.

[129] É observado, por fim, que a recirculação de gás natural sintético descarbonatado, desidratado, 415 melhora adicionalmente o índice Wobbe do gás natural sintético produzido pelo dispositivo, mesmo com uma taxa de recirculação de menos que um.[129] Finally, it is observed that the recirculation of decarbonated, dehydrated synthetic natural gas 415 further improves the Wobbe index of the synthetic natural gas produced by the device, even with a recirculation rate of less than one.

[130] 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 eixo geométrico y, e da natureza do gás natural sintético recirculado na inserção ao reator de metanação, 105 ou 205.[130] Figure 5 shows, on the x axis, the HHV of the synthetic natural gas produced by the device, 10 or 20, as a function of the recirculation rate, on the y axis, and the nature of the synthetic natural gas recirculated at the insertion. to the methanation reactor, 105 or 205.

[131] É observado, em particular, que a recirculação de gás natural sintético úmido 505 não tem efeito no HHV do gás natural sintético produzido pelo dispositivo.[131] In particular, it is noted that recirculation of wet synthetic natural gas 505 has no effect on the HHV of the synthetic natural gas produced by the device.

[132] É também observado que a recirculação de gás natural sintético desidratado 510 melhora o HHV do gás natural sintético produzido pelo dispositivo.[132] It is also observed that the recirculation of dehydrated synthetic natural gas 510 improves the HHV of the synthetic natural gas produced by the device.

[133] É observado, por fim, que a recirculação de gás natural sintético descarbonatado, desidratado, 515 melhora adicionalmente o HHV do gás natural sintético produzido pelo dispositivo, mesmo com uma taxa de recirculação de menos que um.[133] Finally, it is observed that the recirculation of decarbonated, dehydrated synthetic natural gas 515 further improves the HHV of the synthetic natural gas produced by the device, even with a recirculation rate of less than one.

[134] De acordo com os resultados obtidos em termos do índice Wobbe e HHV, a taxa de recirculação do gás úmido, isto é, a configuração de referência, não tem impacto na qualidade do gás e mostra que a separação do H2 é essencial para atingir as especificações de injeção. A recirculação após a desidratação sozinha ou com descarbonização conduz a um aumento maior ou menor no índice Wobbe e no HHV. Esses melhoramentos podem ser interpretados como o resultado de uma diluição simples, porém, a Figura 6 destaca um melhoramento real nos saldos de reação, com uma redução dramática no fluxo molar de H2 em emissão a partir do dispositivo 10 ou 20.[134] According to the results obtained in terms of the Wobbe index and HHV, the wet gas recirculation rate, i.e. the reference setting, has no impact on the gas quality and shows that H2 separation is essential for meet injection specifications. Recirculation after dehydration alone or with decarbonization leads to a greater or lesser increase in the Wobbe index and the HHV. These improvements can be interpreted as the result of a simple dilution, however, Figure 6 highlights a real improvement in reaction balances, with a dramatic reduction in the molar flux of H2 emission from device 10 or 20.

[135] A Figura 6 mostra, no eixo geométrico x, a redução relativa no fluxo molar de H2 em emissão a partir de dispositivo, 10 ou 20, como uma função da taxa de recirculação, no eixo geométrico y, e da natureza do gás natural sintético recirculado na inserção ao reator de metanação, 105 ou 205.[135] Figure 6 shows, on the x axis, the relative reduction in the molar flow of H2 in emission from the device, 10 or 20, as a function of the recirculation rate, on the y axis, and the nature of the gas. synthetic natural recirculated at the insertion to the methanation reactor, 105 or 205.

[136] É observado, em particular, que a recirculação de gás natural sintético úmido 605 não tem efeito no fluxo molar de H2 em emissão a partir do dispositivo.[136] It is noted, in particular, that recirculation of wet synthetic natural gas 605 has no effect on the molar flux of emitted H2 from the device.

[137] É também observado que a recirculação de gás natural sintético desidratado 610 causa uma redução no fluxo molar de H2 em emissão a partir do dispositivo.[137] It is also observed that recirculation of dehydrated synthetic natural gas 610 causes a reduction in the molar flux of emitted H2 from the device.

[138] É observado, por fim, que a recirculação de gás natural sintético descarbonatado, desidratado, 615 também causa uma redução no fluxo molar de H2 em emissão a partir do dispositivo.[138] Finally, it is noted that recirculation of decarbonated, dehydrated synthetic natural gas 615 also causes a reduction in the molar flux of emitted H2 from the device.

[139] Apesar da diluição por recirculação, a razão CO/H2O é mantida na inserção ao reator em relação à razão de CO/H2O inicial quando o reator é inicializado. Portanto, o risco ligado à desativação do catalisador de metanação através de coqueamento permanece relativamente baixo. Entre os dois dispositivos, 10 e 20, descarbonização a montante da recirculação do gás natural sintético parece mais eficaz em termos de redução molar do H2. Dessa forma, para cumprir com os critérios de injetabilidade, a taxa de fluxo de recirculação precisa ser quatro a oito vezes maior para desidratação sozinha que na solução com descarbonização. Para as condições de operação usadas para a simulação, e quando apenas desidratação é aplicada antes de recirculação, a taxa de recirculação mínima exigida para evitar a separação de H2 é estimada para ser 1,6. Quando a desidratação é complementada por uma etapa de descarbonização, a taxa exigida é de 0,2. Essas taxas respectivas tornam possível satisfazer de modo eficaz as restrições relacionadas a injeção, ainda assim, exigem um sistema interno para resfriar o reator para manter isotermicalidade e, neste caso, não podem ser aplicadas às tecnologias de leito fixo não- resfriado. Em relação a reatores trocadores - reator de água fervente ou de leito fluidizado - esse novo recurso, sob essas condições de operação, permite que a área de superfície do trocador seja reduzida em 10% e 25%, respectivamente.[139] Despite dilution by recirculation, the CO/H2O ratio is maintained at the reactor insertion in relation to the initial CO/H2O ratio when the reactor is started. Therefore, the risk linked to the deactivation of the methanation catalyst through coking remains relatively low. Between the two devices, 10 and 20, decarbonization upstream of the recirculation of synthetic natural gas appears to be more effective in terms of molar reduction of H2. Thus, to meet the injectability criteria, the recirculation flow rate needs to be four to eight times higher for dehydration alone than for the solution with decarbonization. For the operating conditions used for the simulation, and when only dehydration is applied before recirculation, the minimum recirculation rate required to avoid H2 separation is estimated to be 1.6. When the dehydration is complemented by a decarbonization step, the required rate is 0.2. These respective rates make it possible to effectively satisfy injection-related constraints, yet they still require an internal system to cool the reactor to maintain isothermality and, in this case, cannot be applied to uncooled fixed bed technologies. In relation to exchanger reactors - boiling water reactor or fluidized bed reactor - this new feature, under these operating conditions, allows the exchanger surface area to be reduced by 10% and 25%, respectively.

[140] A Figura 7 torna possível ver a mudança na exotermicidade normalizada do reator, isto é, o calor a ser removido comparado 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.[140] Figure 7 makes it possible to see the change in the normalized exothermicity of the reactor, i.e. the heat to be removed compared to a case without recirculation, as a function of the recirculation rate for the reference configuration and the two devices, 10 and 20, described above.

[141] A Figura 7 mostra, no eixo geométrico x, a exotermicidade da reação 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 inserção ao reator de metanação, 105 ou 205.[141] Figure 7 shows, on the x axis, the exothermicity of the device's methanation reaction, 10 or 20, as a function of the recirculation rate, on the y axis, and the nature of the synthetic natural gas recirculated at the insertion to the methanation reactor, 105 or 205.

[142] É observado, em particular, que a recirculação de gás natural sintético úmido 705 reduz a exotermicidade da reação de metanação.[142] It is observed, in particular, that recirculation of wet synthetic natural gas 705 reduces the exothermicity of the methanation reaction.

[143] É também observado que a recirculação de gás natural sintético desidratado 710 também reduz a exotermicidade da reação de metanação.[143] It is also observed that recirculation of dehydrated synthetic natural gas 710 also reduces the exothermicity of the methanation reaction.

[144] É observado, por fim, que a recirculação de gás natural sintético descarbonatado, desidratado, 715 também reduz a exotermicidade da reação de metanação.[144] Finally, it is observed that the recirculation of decarbonated, dehydrated synthetic natural gas 715 also reduces the exothermicity of the methanation reaction.

[145] É aparente que aumentar a taxa de recirculação conduz a uma redução linear na exotermicidade do reator. Aqui, o SNG recirculado exerce o papel de acumulador de calor, que é mais evidenciado na presença de H2O devido à maior capacidade de calor. Obter um nível de recirculação que corresponde a uma temperatura operante ideal dos dispositivos, 10 e 20, torna possível ser liberado do trocador interno do reator e da separação de H2 para ajuste às especificações. Adicionalmente, o reator é alotérmico e, portanto, exige uma alimentação de calor para manter as reações.[145] It is apparent that increasing the recirculation rate leads to a linear reduction in reactor exothermicity. Here, the recirculated SNG plays the role of heat accumulator, which is more evident in the presence of H2O due to the greater heat capacity. Achieving a recirculation level that corresponds to an ideal operating temperature of the devices, 10 and 20, makes it possible to be released from the reactor's internal exchanger and H2 separation to adjust to specifications. Additionally, the reactor is allothermic and therefore requires a heat input to maintain the reactions.

[146] A mudança nas frações molares das espécies de H2, CO2, CO e CH4 como uma função da taxa de recirculação para as diferentes configurações simuladas é na direção de qualidade de SNG melhorada. Entretanto, a fração molar de CO aumenta dramaticamente com o dispositivo de recirculação de SNG desidratado 10.[146] The change in molar fractions of H2, CO2, CO and CH4 species as a function of the recirculation rate for the different simulated settings is in the direction of improved SNG quality. However, the molar fraction of CO increases dramatically with the dehydrated SNG recirculation device 10.

[147] Nesse caso, a desidratação sozinha conduz ao teor de CO2 que é hiperconcentrado na inserção ao reator e muda o saldo da reação de WGS em direção à produção de CO e consumo de H2. Para o dispositivo 20, a extração de CO2 incorporada ao ciclo de recirculação permite à reação de WGS ser estimulada a produzir H2 que é, então, convertido em CH4.[147] In this case, dehydration alone leads to the CO2 content that is hyperconcentrated at the reactor insertion and shifts the balance of the WGS reaction towards CO production and H2 consumption. For device 20, the CO2 extraction incorporated into the recirculation loop allows the WGS reaction to be stimulated to produce H2 which is then converted to CH4.

Claims

1. Device for the production of synthetic natural gas (10, 20), characterized in that it comprises: - an isothermal methanation reactor (105, 205) comprising: - an inlet (110, 210), for produced synthesis gas gasifying hydrocarbon material, connected to a syngas feed channel (115, 215), and - an outlet (120, 220) for synthetic natural gas; - a water separation means (125, 225) comprising: - an inlet (130, 230) for synthetic natural gas; and - an outlet (135, 235) for dehydrated synthetic natural gas; and - a bypass (140, 240) for a portion of the dehydrated synthetic natural gas from the outlet of the water separation means to the syngas feed channel to supply a mixture of the bypassed syngas and the syngas. synthetic natural to the reactor.

2. Device (10), according to claim 1, characterized in that it comprises a means (145) for separating carbon dioxide from dehydrated synthetic natural gas, said separation means being positioned downstream of the diversion (140) ).

3. Device (20), according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises a means (245) for separating carbon dioxide from dehydrated synthetic natural gas, said separation means being positioned upstream of the diversion (240).

4. Device (10, 20), according to any one of claims 1, 2 or 3, characterized in that it comprises: - a sensor (150, 250) of a temperature inside or on the output from the reactor ( 105, 205); and - a recirculator (155, 255) of products fed into the diversion, said recirculator being controlled as a function of the measured temperature.

5. Device (10, 20), according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises, upstream of the reactor inlet (105, 205), a means (160, 260) for preheating the mix.

6. Device (10, 20), according to claim 5, characterized in that it comprises a diversion channel (170, 270), for a portion of the hot methanation reaction products, which comprises: - an inlet (175, 275) positioned between the outlet from the reactor (105, 205) and the water separation means (125, 225); and - an outlet (180, 280) positioned upstream of the inlet (110, 210) to the reactor (105, 2015) and downstream of the preheating means (160, 260).

7. Device (10, 20), according to claim 6, characterized in that it comprises: - a means (185, 285) for measuring the flow rate of the synthesis gas after injecting water vapor emitted at from the water vapor injection channel (165, 265) and after mixing with the gas emitted from the bypass (140, 240); and - a recirculator (190, 290) of products inserted into the diversion channel, said recirculator being controlled as a function of the measured flow rate.

8. Device (10, 20) according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises a channel (165, 265) for injecting water vapor into the syngas supply channel (115, 265). 215) upstream of the site to form the mixture of syngas and emitted methanation products from the bypass (140, 240).

9. Device (10, 20), according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the water separation means (125, 225) is configured to cool synthetic natural gases to a temperature between -5 °C and +60 °C.

10. Device (10, 20), according to claim 9, characterized in that the water separation means (125, 225) is configured to cool synthetic natural gases to a temperature below the dew point temperature of water at the operating pressure of the reactor (105, 205) in question.

11. Device (10, 20) according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the reactor (105, 205) is configured to perform what is known as the “gas to water” Dussan reaction.

12. Device (10, 20), according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the isothermal reactor (105) is a fluidized bed reactor.

13. Device (10, 20) according to claim 12, characterized in that it comprises at least one heat exchange surface (106) positioned in the fluidized bed.

14. Method (30) to produce synthetic gas, characterized in that it comprises: - a methanation reaction step (305) comprising: - a step (310) of insertion of synthesis gas, produced by gasifying material of hydrocarbon in an isothermal methanation reactor via a syngas feed channel; and - a step (315) of emission of synthetic natural gas; - a step (320) of separating water comprising: - a step (325) of inserting synthetic natural gas; and - a step (330) of emitting dehydrated synthetic natural gas; and - a step (335) of diverting a portion of the dehydrated synthetic natural gas emitted from the water separation step to the synthesis gas feed channel in order to supply a mixture of the synthesis gas and the synthetic natural gas diverted to the reactor.

15. Method, according to claim 14, characterized in that it comprises, upstream of the step of insertion of the isothermal reactor, a step of preheating the mixture to a temperature higher than 150 °C, and/or to a temperature higher higher than 230 °C to avoid the production of toxic compounds and lower than the operating temperature of the reactor to allow the reactor to cool down.