CN107161948A - 一种二氧化碳催化合成新能源碳氢物质的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提及一种二氧化碳催化合成新能源碳氢物质的装置及方法，CO+2H₂混合气种子罐的输出口依次连接减压阀一和聚合反应器，聚合反应器通过CH₄+2H₂混合气输出管道依次连接输出阀和减压阀二；二氧化碳原料通过减压阀三输入加氢氢化反应器，且聚合反应器与加氢氢化反应器连接；加氢氢化反应器依次连接水冷器和气液分离器，气液分离器将气体输送至气体缓冲罐，气体缓冲罐连接减压阀四；气体缓冲罐的气体出口连接气体循环泵，气体循环泵连接至CO+2H₂混合气种子罐的输入口。它以二氧化碳(CO₂)为原料，通过催化、合成转化为所需要碳氢比的碳氢化合物─CO+2H₂混合气，然后通过变换合成甲烷、甲醇、制氢以及合成汽油、柴油及其它化工产品。

Description

一种二氧化碳催化合成新能源碳氢物质的装置及方法

技术领域

本发明涉及化工基础原料技术领域，具体涉及一种二氧化碳催化合成新能源碳氢物质的装置及方法。

背景技术

化工基础原料碳氢物质是指CO、H₂的混合气，它按一定的C/H比可以合成甲醇、二甲醚、工业可燃气、甲烷、液体燃料、汽油、柴油及其它化工产品，是化学工业的基础原料。CO+H₂合成气是以氢气、一氧化碳为主要组分供化学合成用的一种原料气。由含碳矿物质如煤、石油、天然气以及焦炉煤气、炼厂气、污泥和生物质等转化而得。生物质和污泥在热解或者气化时也会产生大量的合成气，从形成的气体成分区分的，按合成气的不同来源、组成和用途，它们也可称为煤气、合成氨原料气、甲醇合成气(见甲醇)等。合成气的原料范围极广，生产方法甚多，用途不一，组成(体积％)有很大差别。

CO+H₂合成气的来源多种多样：1、蒸汽转化：此法以天然气或轻质油为原料，与水蒸气反应制取合成气。2、天然气蒸汽转化：主要工艺参数是温度、压力和水蒸气配比。由于此反应是较强的吸热反应，故提高温度可使平衡常数增大，反应趋于完全。压力升高会降低平衡转化率。但由于天然气本身带压，合成气在后处理及合成反应中也需要一定压力，在转化以前将天然气加压又比转化后加压经济上有利，因此普遍采用加压操作，同时增加水蒸气用量以提高甲烷转化率。高水蒸气用量也可防止催化剂上积炭。

由此可见，目前科学技术采用由煤制合成气，化石原料制合成气，天然气制合成气和生物质制合成气，它们都需要依赖地球下的化石资源。

发明内容

本发明的目的是提供一种以二氧化碳(CO₂)为原料，通过催化、合成转化为所需要碳氢比的碳氢化合物─CO+2H₂混合气，然后通过变换合成甲烷、甲醇、制氢以及合成汽油、柴油及其它化工产品的二氧化碳催化合成新能源碳氢物质的装置及方法。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：本发明提供一种二氧化碳催化合成新能源碳氢物质的装置，它包含CO+2H₂混合气种子罐、减压阀一、聚合反应器、输出阀、减压阀二、减压阀三、加氢氢化反应器、水冷器、气液分离器、气体缓冲罐、减压阀四及气体循环泵，CO+2H₂混合气种子罐的输出口依次连接减压阀一和聚合反应器，聚合反应器通过CH₄+2H₂混合气输出管道依次连接输出阀和减压阀二，减压阀二输出CH₄+2H₂原料；二氧化碳原料通过减压阀三输入加氢氢化反应器，且聚合反应器与加氢氢化反应器连接；加氢氢化反应器依次连接水冷器和气液分离器，气液分离器将气体输送至气体缓冲罐，气体缓冲罐连接减压阀四，减压阀四输出CO+2H₂原料；气体缓冲罐的气体出口连接气体循环泵，气体循环泵连接至CO+2H₂混合气种子罐的输入口。

本发明还提供一种二氧化碳催化合成新能源碳氢物质的方法，它包含如下反应过程：

CO+2H₂混合气种子罐内储存有CO+2H₂混合气，混合气的成分为：

CO 33.3％；H₂ 66.6％；

混合气在室温下，气体压力为≥0.5MPa，经减压阀一减压至0.3MPa进入聚合反应器，在200℃的温度下，CO+2H₂在聚合反应器F-1催化剂上发生聚合反应，化学方程式表示：

接着CH₄+2H₂+H₂O混合气与外部输入的二氧化碳原料经减压阀三进入加氢氢化反应器，在250℃的温度下，CO₂+CH₄+2H₂+H₂O在加氢氢化反应器内的催化剂上发生反应：

化学反应式：

热混合气经水冷器冷却，进入气液分离器分离出反应生成的水，2CO+4H₂气体进入气体缓冲罐，一部分经减压阀四输出作为化工碳氢化合物基础材料，一部分经气体出口与气体循环泵入口相接，气体被压缩至CO+2H₂混合气种子罐，经减压阀一、聚合反应器转化为CH₄+2H₂+H₂O，经CH₄+2H₂混合气输出管道、输出阀、减压阀二提供CH₄+2H₂合成甲烷的原料至合成甲烷工厂使用；

从聚合反应器出口的CH₄+2H₂+H₂O混合气同时进入加氢氢化反应器、水冷器、气液分离器、气体缓冲罐、气体出口、气体循环泵，进入CO+2H₂混合气种子罐，气体循环泵的不断循环，消耗了外部的二氧化碳原料，而产出的是CH₄+2H₂原料或CO+2H₂原料，得到低成本的CH₄+2H₂原料或CO+2H₂原料的化工基础原料。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：

本发明以二氧化碳(CO₂)为原料，通过催化、合成转化为所需要碳氢比的碳氢化合物─CO+2H₂混合气，然后通过变换合成甲烷、甲醇、制氢以及合成汽油、柴油及其它化工产品。二氧化碳转化为碳氢化合物时，需要消耗的是CO₂和水蒸气，得到低成本的新能源碳氢化工基础原料。可以生产不同碳氢比的CO和H₂的碳氢物质，用来合成甲醇、甲烷、制氢、合成油(GTL)以及合成化工原料。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的装置结构示意图；

附图标记：

1—CO+2H₂混合气种子罐；2—减压阀一；3—聚合反应器；4—CH₄+2H₂混合气输出管道；5—输出阀；6—减压阀二；7—二氧化碳原料；8—减压阀三；9—加氢氢化反应器；10—水冷器；11—气液分离器；12—气体缓冲罐；13—减压阀四；14—气体出口；15—气体循环泵；16—CH₄+2H₂原料；17—CO+2H₂原料。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本具体实施方式采用以下技术方案：首先提供一种二氧化碳催化合成新能源碳氢物质的装置，它包含CO+2H₂混合气种子罐1、减压阀一2、聚合反应器3、CH₄+2H₂混合气输出管道4、输出阀5、减压阀二6、二氧化碳原料7、减压阀三8、加氢氢化反应器9、水冷器10、气液分离器11、气体缓冲罐12、减压阀四13、气体出口14和气体循环泵15，CO+2H₂混合气种子罐1的输出口依次连接减压阀一2和聚合反应器3，聚合反应器3通过CH₄+2H₂混合气输出管道4依次连接输出阀5和减压阀二6，减压阀二6输出CH₄+2H₂原料16；二氧化碳原料7通过减压阀三8输入加氢氢化反应器9，且聚合反应器3与加氢氢化反应器9连接；加氢氢化反应器9依次连接水冷器10和气液分离器11，气液分离器11将气体输送至气体缓冲罐12，气体缓冲罐12连接减压阀四13，减压阀四13输出CO+2H₂原料17；气体缓冲罐12的气体出口14连接气体循环泵15，气体循环泵15连接至CO+2H₂混合气种子罐1的输入口。

其次还提供一种二氧化碳催化合成新能源碳氢物质的方法，它包含如下反应过程：

CO+2H₂混合气种子罐1内储存有CO+2H₂混合气，混合气的成分为：

CO 33.3％；H₂ 66.6％；

混合气在室温下，气体压力为≥0.5MPa，经减压阀一2减压至0.3MPa进入聚合反应器3，在200℃的温度下，CO+2H₂在聚合反应器3内F-1催化剂上发生聚合反应，化学方程式表示：

接着CH₄+2H₂+H₂O混合气与外部输入的二氧化碳原料7经减压阀三8进入加氢氢化反应器9，在250℃的温度下，CO₂+CH₄+2H₂+H₂O在加氢氢化反应器9内的催化剂上发生反应：

化学反应式：

热混合气经水冷器10冷却，进入气液分离器11分离出反应生成的水，2CO+4H₂气体进入气体缓冲罐12，一部分经减压阀四13输出作为化工碳氢化合物基础材料，一部分经气体出口14与气体循环泵15入口相接，气体被压缩至CO+2H₂混合气种子罐1，经减压阀一2、聚合反应器3转化为CH₄+2H₂+H₂O，经CH₄+2H₂混合气输出管道4、输出阀5、减压阀二6提供CH₄+2H₂合成甲烷的原料至合成甲烷工厂使用；

从聚合反应器3出口的CH₄+2H₂+H₂O混合气同时进入加氢氢化反应器9、水冷器10、气液分离器11、气体缓冲罐12、气体出口14、气体循环泵15，进入CO+2H₂混合气种子罐1，气体循环泵15的不断循环，消耗了外部的二氧化碳原料，而产出的是CH₄+2H₂原料16或CO+2H₂原料17，得到低成本的CH₄+2H₂原料16或CO+2H₂原料17的化工基础原料。

本发明的反应原理：

CO+2H₂混合气种子罐1内的CO+2H₂混合气在聚合反应器3反应被转化为CH₄+2H₂+H₂O，生成物的氢在数量上被增加，反应式：

CH₄+2H₂外加CO₂在加氢氢化反应器9内被转化为2CO+4H₂，生成物的碳氢在数量上被增加：

生成物2CO+4H₂通过压缩机循环至反应(1)、(2)，生成更多的CO和H₂碳氢化合物。循环反应使碳氢物质被成倍增加，反应式为：

如此循环，生成更多的CO和H₂碳氢化合物，在循环过程中仅需要外部的CO₂及时补给；按照反应式(1)、(2)，CO+2H₂被增加为2CO+4H₂，消耗的是外部输入的CO₂.以来源丰富、价格低廉的CO₂为原料转化为CO+H₂碳氢化工基础原料被产生，这是由“一生二”的效果。这个原料的资源是CO₂，而不是地球地下CH资源，是自然界CO₂的循环与利用的一个方法。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种二氧化碳催化合成新能源碳氢物质的装置，其特征在于，它包含CO+2H₂混合气种子罐、减压阀一、聚合反应器、输出阀、减压阀二、减压阀三、加氢氢化反应器、水冷器、气液分离器、气体缓冲罐、减压阀四及气体循环泵，CO+2H₂混合气种子罐的输出口依次连接减压阀一和聚合反应器，聚合反应器通过CH₄+2H₂混合气输出管道依次连接输出阀和减压阀二，减压阀二输出CH₄+2H₂原料；二氧化碳原料通过减压阀三输入加氢氢化反应器，且聚合反应器与加氢氢化反应器连接；加氢氢化反应器依次连接水冷器和气液分离器，气液分离器将气体输送至气体缓冲罐，气体缓冲罐连接减压阀四，减压阀四输出CO+2H₂原料；气体缓冲罐的气体出口连接气体循环泵，气体循环泵连接至CO+2H₂混合气种子罐的输入口。

2.一种二氧化碳催化合成新能源碳氢物质的方法，其特征在于，它包含如下反应过程：

CO+2H₂混合气种子罐内储存有CO+2H₂混合气，混合气的成分为：

CO 33.3％；H₂ 66.6％；

混合气在室温下，气体压力为≥0.5MPa，经减压阀一减压至0.3MPa进入聚合反应器，在200℃的温度下，CO+2H₂在聚合反应器F-1催化剂上发生聚合反应，化学方程式表示：

接着CH₄+2H₂+H₂O混合气与外部输入的二氧化碳原料经减压阀三进入加氢氢化反应器，在250℃的温度下，CO₂+CH₄+2H₂+H₂O在加氢氢化反应器内的催化剂上发生反应：

化学反应式：

热混合气经水冷器冷却，进入气液分离器分离出反应生成的水，2CO+4H₂气体进入气体缓冲罐，一部分经减压阀四输出作为化工碳氢化合物基础材料，一部分经气体出口与气体循环泵入口相接，气体被压缩至CO+2H₂混合气种子罐，经减压阀一、聚合反应器转化为CH₄+2H₂+H₂O，经CH₄+2H₂混合气输出管道、输出阀、减压阀二提供CH₄+2H₂合成甲烷的原料至合成甲烷工厂使用；

从聚合反应器出口的CH₄+2H₂+H₂O混合气同时进入加氢氢化反应器、水冷器、气液分离器、气体缓冲罐、气体出口、气体循环泵，进入CO+2H₂混合气种子罐，气体循环泵的不断循环，消耗了外部的二氧化碳原料，而产出的是CH₄+2H₂原料或CO+2H₂原料，得到低成本的CH₄+2H₂原料或CO+2H₂原料的化工基础原料。

3.根据权利要求2所述的一种二氧化碳催化合成新能源碳氢物质的方法，其特征在于，它的反应原理：

CO+2H₂混合气种子罐内的CO+2H₂混合气在聚合反应器反应被转化为CH₄+2H₂+H₂O，生成物的氢在数量上被增加，反应式：

CH₄+2H₂外加CO₂在加氢氢化反应器内被转化为2CO+4H₂，生成物的碳氢在数量上被增加：

生成物2CO+4H₂通过压缩机循环至反应(1)、(2)，生成更多的CO和H₂碳氢化合物；循环反应使碳氢物质被成倍增加，反应式为：

如此循环，生成更多的CO和H₂碳氢化合物，在循环过程中仅需要外部的CO₂及时补给；按照反应式(1)、(2)，CO+2H₂被增加为2CO+4H₂，消耗的是外部输入的CO₂.以来源丰富、价格低廉的CO₂为原料转化为CO+H₂碳氢化工基础原料被产生。