BRPI0711587A2 - reator de produção de hidrocarbonetos em processo de fischer-tropsch a partir de syngas rico em co2 e respectivos processos de produção incluindo de eletricidade - Google Patents

Abstract

REATOR DE PRODUçãO DE HIDROCARBONETOS EM PROCESSO DE FISCHER-TROPSCH A PARTIR DE SYNGAS RICO EM CO~2~ E RESPECTIVOS PROCESSOS DE PRODUçãO INCLUINDO DE ELETRICIDADE. Esta invenção relaciona-se com um método de produzir hidrocarbonetos líquidos, de preferência combustíveis de motor de combustão interna, usando cargas de carvão ou metano. Dependendo da natureza da carga, ela é sujeita a um processo de gaseificação e/ou reforming e/ou processo de conversão de gás de água que produz um syngas que é rico em gás carbónico e hidrogênio em lugar de monóxido de carbono e hidrogênio como no processo convencional. O gás carbónico e hidrogênio são combinados num processo de Fischer-Tropsch para produzir os hidrocarbonetos pretendidos e água. Os requisitos de energia do processo de gaseificação/ reforming para produzir um syngas que seja rico em gás carbónico e hidrogênio são consideravelmente menores do que os requisitos de energia para o processo gasificação/ reforming para produzir o syngas convencional rico em monóxido de carbono. Esta redução no consumo de energia reduz consideravelmente as quantidades de gás carbónico liberadas na atmosfera em comparação com os processos convencionais que são baseados no syngas rico em monóxido de carbono. O syngas não reagido rico em C0~2~ pode ser recirculado ou pode também ser usado em células de combustível de carbonato fundido ou gerar energia ou vapor nos processos de turbina tais como IGCC.

Description

"Reator de Produção de Hidrocarbonetos em Processo de Fischer-Tropsch a Partir de Syngas Rico em CO2 e Respectivos Processos de Produção Incluindo de Eletricidade"

Relatório Descritivo

Campo da Invenção

Esta invenção relaciona-se com aperfeiçoamentos de eficiên- cias de carbono e redução de emissões de gás carbônico em hidrocarbo- netos produzidos por um processo de Fischer-Tropsch.

Antecedentes da Invenção

O processo de Fischer-Tropsch é usado principalmente para converter monóxido de carbono e hidrogênio, também conhecido como "syngas", em hidrocarbonetos líquidos para uso como combustível.

Um diagrama de fluxo do processo típico em que é usado um processo de Fisher-Tropsch para sintetizar hidrocarbonetos é como se segue:

Figura

No processo acima, as cargas do gaseiflcador são normal- mente carvão ou gás metano. Neste diagrama, Qi representa a entrada de energia na seção de gaseificação (no caso de uma carga de carvão) ou de reforming (no caso de um gás metano) e Q2 representa a produção de energia a partir do processo de síntese de Fischer-Tropsch.

No caso em que é usado carvão como carga, ele é, inicialmen- te, convertido em monóxido de carbono (CO) e gás de hidrogênio (H2) pelo seguinte processo de gaseificação: <formula>formula see original document page 3</formula>

O monóxido de carbono é então parcialmente convertido era gás carbônico (CO2) e hidrogênio (H2) pelo seguinte processo de conversão de gás de água:

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O processo de conversão do gás de água é controlado de modo a proporcionar a relação molar CO: H 2 exigida para o processo de Fischer-Tropsch. Tipicamente a relação molar do gás de CO:H2 é de 1:2.

O CO2 produzido deste modo é emitido pelo processo e leva às ineficiên- cias de carbono.

No caso em que o metano (CH4) é usado como carga, é usado o processo de reforming:

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Como no caso do processo alimentado por carvão, o processo de conversão do gás de água converte parcialmente o monóxido de carbono em gás carbônico para proporcionar a relação molar CO : H2 de 1:2 exigida para o processo de Fischer-Tropsch. O gás carbônico criado deste modo é emitido pelo processo.

Como indicado acima, o CO e a combinação de gás de H2 é chamado de "syngas" e pode ser usado no processo de Fischer-Tropsch para produzir uma ampla variedade de substâncias químicas baseadas no carbono a mais importante das quais é talvez o combustível para motores de combustão interna.

Os processos de produção de syngas são endotérmicos e, conseqüentemente, exigem quantidades consideráveis de energia. Isto também resulta na emissão de quantidades significativas de gás carbôni- co que, como é um assim chamado "gás de estufa", milita contra as plantas de combustível sintético acima descritas. Por outro lado, as reservas em redução e crescentemente dispendiosas de óleo bruto, em conjunto com recursos significativamente grandes de gás natural e carvão de baixo grau, militam a favor da edificação e operação dessas plantas.

Deve ser notado que os termos seguintes, quando usados neste Relatório Descritivo, têm os significados seguintes:

1 - por "eficiência de carbono", significa-se a quantidade de carbono em todas as cargas para o processo (incluindo todos os fluxos de alimentação que proporcionam energia) que ocorre como carbono no produto preten- dido; e

2 - um "syngas rico CO2" é uma mistura de gás em que existe CO2, H2 e CO. A composição de CO2 nesta mistura é em excesso do CO2 que normalmente ocorreria no syngas convencional. O CO2 é utilizado como um reagente e é convertido no produto pretendido.

Objetivo da Invenção

É um objetivo desta invenção proporcionar um aperfeiçoa- mento das eficiências de carbono na produção de hidrocarboneto com uma redução conseqüente da emissão de gás carbônico.

Sumário da Invenção

De acordo com esta invenção, é proporcionado um processo de produção de hidrocarbonetos a partir de um syngas rico em CO2 produzido a partir de uma carga apropriada que compreende fazer reagir o syngas rico em CO2 num processo de Fischer-Tropsch para produzir hidrocarbonetos de acordo com o balanço de massa do processo global:

CO2 + 3H2 => -CH2-+ 2H2O.

É também provido um processo de conversão de gás de água para ser usado, onde necessário, para modificar o syngas rico em CO2 e alcançar uma concentração de CO2 pretendida.

É também proporcionado para CO no syngas rico em CO2 a ser usado para produzir hidrocarbonetos de acordo com o processo:

CO+2H2=>-CH2-+ H2O.

É ainda provido um syngas a ser produzido por gaseificador de combinação e processos de reforming onde é usada mais de uma carga, de preferência carvão e gás ou metano naturais, alternativamente processos de gaseificador onde é usada apenas uma carga sólida, de preferência carvão, ainda alternativamente processos de reforming onde apenas é usado um gás natural, de preferência metano, num gaseifica- dor/ reformer.

É ainda proporcionado que o metano seja alimentado a partir de um reservatório de gás natural ou alternativamente que o metano seja produzido por degradação microbiana de produtos de rejeitos.

É também provida a entrada de energia para o estágio de gaseificador/ reformer seja ajustado para deslocar as reações químicas em favor da produção de CO2 e que o CO2 seja usado em combinação com hidrogênio para formar compostos de hidrocarboneto no processo de Fischer-Tropsch.

É ainda proporcionado que o gás carbônico, monóxido de carbono e hidrogênio não reagidos sejam recirculados, usados para produzir eletricidade e/ou gerar vapor.

A invenção estende-se ao uso de CO2 não consumido, alternativamente de rejeitos, e o H2 a ser usado em células de combustí- vel, células de combustível de carbonato de preferência fundido, para fornecer energia elétrica.

Breve Descrição dos Desenhos

A invenção será descrita abaixo apenas por via de exemplo e com referência aos desenhos em que:

a Figura 1 é um diagrama esquemático de um reator de Fisher-Tropsch de acordo com uma modalidade da invenção; e

a Figura 2 é um diagrama esquemático de uma modalidade de uma célula de combustível de carbonato fundido capaz de usar CO2 e H2 em excesso ou de rejeitos para produzir energia elétrica.

Descrição Detalhada dos Desenhos

Com referência à Figura 1, um processo de Fischer-Tropsch (1) para a produção de hidrocarbonetos compreende uma entrada de carga (2) em que uma carga é alimentada para um processo de gasifica- dor / reforming (3) em que a carga é convertida em syngas rico em CO2 (4) para uma seção de síntese de Fischer-Tropsch (5) onde é convertido em produtos do processo de Fischer-Tropsch que são, de preferência, um hidrocarboneto e água líquida. O gás ou produtos gasosos indesejáveis não reagidos podem ser reciclados de volta para o processo do gasifica- dor/ reforming ou para alimentação para a seção de síntese de Fischer- Tropsch (7).

Nos casos em que é usado carvão como carga, ele é proces- sado para produzir monóxido de carbono e hidrogênio. Este processo de gaseificação é como se segue: C + H2O -> GO -H H2

Nos casos em que é usado metano a partir de uma fonte de gás natural, ela é convertida em monóxido de carbono e hidrogênio por um processo de reforming que é como se segue:

CH4 + H2O CO + 3H2.

O monóxido de carbono a partir de qualquer dos processos é então parcialmente convertido em gás carbônico e hidrogênio pelo seguinte processo de conversão do gás de água:

CO + H2O CO2 + H2.

Todas as as reações acima ocorrem no processo do gasiílca- dor/reforming (3) e a concentração do gás carbônico pode ser alterada para se adaptar a requisitos particulares alterando as condições opera- cionais do processo de gaseificação/ reforming.

O syngas produzido no processo do gasificador/ reforming (3) é enviado para uma seção de síntese de Fischer-Tropsch (5) onde é pelo menos parcialmente convertido num hidrocarboneto que, dependendo da cinética da reação, pode ser apropriado para uso como combustível para motores de combustão interna, como óleo lubrificante ou como polimento de chão, para nomear apenas alguns produtos. O processo de Fischer- Tropsch usando principalmente gás carbônico e hidrogênio é como se segue:

CO2 + 3H2 -CH2- + 2H20.

O monóxido de carbono no syngas rico em CO2 pode ser feito reagir com hidrogênio para produzir hidrocarbonetos como se segue:

CO+ 2H2 -> CH2 - + H2O.

O gás carbônico, monóxido de carbono e hidrogênio não reagidos podem ser recirculados a partir da seção de síntese de Fischer- Tropsch (5) para o estágio (3) do processo do gasiflcador/reforming via um conduto (7) ou de volta para a seção de síntese de Fischer-Tropsch.

Os requisitos de energia para o processo de gaseifica- ção/ reforming (8) são consideravelmente reduzidos produzindo um syngas rico em CO2 em lugar de um syngas rico em CO como no proces- so convencional.

Além do acima explanado, gás carbônico, monóxido de carbono e hidrogênio não reagidos podem ser usados para gerar eletrici- dade e/ou vapor por exemplo e pelo processo IGCC.

Além disso e com referência á Figura 2, gás carbônico e hidrogênio em excesso ou de rejeitos podem ser usados numa célula de combustível de carbonato fundido (10). Esta célula de combustível (10) usa compostos de alta temperatura de sal tais como sódio ou magnésio como eletrólito (11). O oxigênio (12) e o gás carbônico (13) são alimenta- dos para a célula (10) na extremidade do cátodo (14) onde são converti- dos em trióxido de carbono que migra para a extremidade do ânodo (15) da célula (10) para o qual é suprido hidrogênio (16) como doador de elétrons. A reação resultante produz água (17) na extremidade do ânodo (15) da célula.

À medida que os íons de carbonato a partir do eletrólito são consumidos nas reações, é necessário injetar gás carbônico na célula para compensar este consumo.

É tido em consideração que a alternativa acima para o processo convencional de Fischer-Tropsch para a produção de produtos de carbono sintéticos a partir de syngas rico em CO2 e processos conven- cionais para a produção de syngas produzem significativamente menos gás carbônico que é emitido para a atmosfera e são, deste modo, mais ambientalmente amigáveis.

Dados

A Tabela seguinte proporciona dados sobre a carga exigida assim como também os produtos produzidos tanto num processo con- vencional de Fischer-Tropsch baseado em syngas rico em CO assim como também o processo considerado nesta Patente baseado em syngas rico em C02. A alimentação considerada foi de carvão. Também são provi- das as emissões de gás carbônico e eficiéncias de carbono dos dois processos. Produção de 1 Tonelada de Hidrocarbonetos a Partir de uma Carga de Carvão

<table>table see original document page 10</column></row><table> Processo Alternativo: Syngas Rico em CO2

<table>table see original document page 11</column></row><table> Estes cálculos são baseados em objetivos idealizados para o processo e é tido em consideração que uma pessoa qualificada na técnica poderá adaptar os processos para se adequarem a condições particulares e produções pretendidas. Além disso, deve ser observado que podem ser usadas alimentações alternativas em vez de ou em conjunção com o carvão. Os exemplos dessas cargas alternativas incluem gás natural rico em metano derivado a partir de depósitos de gás natural ou gerado por fermentação de despejos de rejeitos naturais.

Claims (19)

"Reator de Produção de Hidrocarbonetos em Processo de Fischer-Tropsch a Partir de Syngas Rico em CO2 e Respectivos Processos de Produção Incluindo Eletricidade" Reivindicações

1. Processo de Produção de Hidrocarbonetos a partir de Syngas Rico em CO2, produzido a partir de uma carga apropriada, caracterizado por que compreende fazer reagir o syngas rico em CO2 num processo de Fischer-Tropsch para produzir hidrocarbonetos de acordo com o balanço de massa do processo global: CO2+ 3H2 => -CHz- + 2H20.

2. Processo de Produção de Hidrocarbonetos a partir de Syngas Rico em CO2, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o processo inclui usar um processo de conversão do gás de água, onde necessário, para modificar o syngas rico em CO2 e alcançar uma concen- tração de CO2 pretendida.

3. Processo de Produção de Hidrocarbonetos a partir de Syngas Rico em CO2, de acordo com a Reivindicação 1 ou a Reivindicação 2, caracte- rizado por que também é usado CO no syngas rico em CO2 para produzir hidrocarbonetos de acordo com o processo: CO+2H2=>-CH2-+ H2O.

4. Processo de Produção de Hidrocarbonetos a partir de Syngas Rico em CO2, de acordo com qualquer uma das Reivindicações de 1 a 3, caracterizado por que o syngas é produzido por gaseificador de combi- nação e processos de reforming onde é usada mais de uma carga.

5. Processo de Produção de Hidrocarbonetos a partir de Syngas Rico em CO2, de acordo com a Reivindicação 4, caracterizado por que a carga é carvão e gás ou metano natural.

6. Processo de Produção de Hidrocarbonetos a partir de Syngas Rico em CO2, de acordo com qualquer uma das Reivindicações de 1 a 3, caracterizado por que é produzido syngas pelos processos de gaseifica- dor onde é usada apenas uma carga sólida.

7. Processo de Produção de Hidrocarbonetos a partir de Syngas Rico em CO2, de acordo com a Reivindicação 6, caracterizado por que a carga sólida é carvão.

8. Processo de Produção de Hidrocarbonetos a partir de Syngas Rico em CO2, de acordo com qualquer uma das Reivindicações de 1 a 3, caracterizado por que o syngas é produzido apenas por processos de reforming em que é usado um gás natural.

9. Processo de Produção de Hidrocarbonetos a partir de Syngas Rico em CO2, de acordo com a Reivindicação 8, caracterizado por que o gás é metano.

10. Processo de Produção de Hidrocarbonetos a partir de Syngas Rico em CO2, de acordo com a Reivindicação 9, caracterizado por que o metano é alimentado a partir de um reservatório de gás natural.

11. Processo de Produção de Hidrocarbonetos a partir de Syngas Rico em CO2, de acordo com a Reivindicação 9, caracterizado por que o metano é produzido por degradação microbiana de produtos de rejeito.

12. Processo de Produção de Hidrocarbonetos a partir de Syngas Rico em CO2, de acordo com qualquer uma das Reivindicações preceden- tes, caracterizado por que a entrada de energia para o estágio de gaseificador/ reformer é ajustada para deslocar as reações químicas em favor da produção de CO2 e para que o CO2 assim produzido seja usado era combinação com o hidrogênio para formar compostos de hidrocarbo- neto no processo de Fischer-Tropsch.

13. Processo de Produção de Hidrocarbonetos a partir de Syngas Rico em CO2, de acordo com a Reivindicação 12, caracterizado por que o gás carbônico, o monóxido de carbono e o hidrogênio não reagidos são recirculados para o gaseificador/reformer.

14. Processo de Produção de Hidrocarbonetos a partir de Syngas Rico em CO2, de acordo com a Reivindicação 12, caracterizado por que o gás carbônico e o hidrogênio não reagido são usados para produzir eletricidade.

15. Processo de Produção de Hidrocarbonetos a partir de Syngas Rico em CO2, de acordo com a Reivindicação 12, caracterizado por que o gás carbônico, o monóxido de carbono e o hidrogênio não reagidos são usados para gerar vapor.

16. Processo de Produção de Hidrocarbonetos a partir de Syngas Rico em CO2, de acordo com a Reivindicação 14, caracterizado por que o gás carbônico e o hidrogênio não reagidos são usados em células de combustível para produzir eletricidade.

17. Processo de Produção de Hidrocarbonetos a partir de Syngas Rico em CO2, de acordo com a Reivindicação 16, caracterizado por que as células de combustível são células de combustível de carbonato fundido.

18. Reator de Produção de Hidrocarbonetos em Processo de Fischer- Tropsch a Partir de Syngas Rico em CO2, caracterizado por que é de acordo com o balanço de massa do processo global: CO2 + 3H2 -CH2- + 2H20 segundo o processo conforme reivindicado em qualquer uma das Reivin- dicações de 1 a 17.

19. Processo de Produção de Eletricidade a Partir de Gás Carbônico e Hidrogênio, caracterizado por que são produzidos por um processo conforme reivindicado em qualquer uma das Reivindicações de 1 a 17.