CN112758932A - 一种以氢气与二氧化碳为原料制备一氧化碳的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以氢气与二氧化碳为原料制备一氧化碳的装置,包括反应器组件、分离组件和铁基载氧体,其中反应器组件包括依次串联的空气反应器、氢气反应器、二氧化碳反应器,分离组件包括第一气固分离器、第二气固分离器和第三气固分离器,一氧化碳由第三气固分离器产出;铁基载氧体在反应器组件和分离组件中往复循环,参与一氧化碳的合成。与现有技术相比,本发明可以高转化率地将CO2转化为CO,同时解决生产过程中热量来源以及循环载体再生问题;利用本发明中三联床式的反应器,可以生产出化工过程中最需要的CO。
Description
技术领域
本发明涉及能源化工技术领域,尤其是涉及一种以氢气与二氧化碳为原料制备一氧化碳的装置及方法。
背景技术
如今,一氧化碳已成为合成多种化工产品的重要原料,尤其是以一氧化碳为基本原料的有机合成化学的研究已引起人们的极大关注,另外随着全球“温室气体排放”以及“环境保护”问题的日益严峻,加强对二氧化碳的利用和捕集,减小对环境的影响,在未来可持续能源系统中,终究会逐渐摒弃传统的煤制一氧化碳。通过捕集或分离收集的二氧化碳为原料制备一氧化碳是一个重要的研究方向。
然而,在现有的绿色生产一氧化碳的工艺过程中,以硫酸为脱水剂的甲酸分解法,会对设备造成严重腐蚀,而且废酸处理麻烦,因此,在一氧化碳的生产过程中,如何设计一套适用于二氧化碳转化为一氧化碳的装置以及生产工艺,并且进一步提高系统效率,是减少排放和保护环境所需要的。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种以氢气与二氧化碳为原料制备一氧化碳的装置及方法,解决在CO2制备CO的生产过程中热量来源,循环载体再生问题,能够实现将CO2转化为CO的目的。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
本发明中以氢气与二氧化碳为原料制备一氧化碳的装置,包括反应器组件、分离组件和铁基载氧体,其中具体地:
反应器组件包括依次串联的空气反应器、氢气反应器、二氧化碳反应器,所述的二氧化碳反应器的出口与空气反应器的入口连接,构成循环结构,空气自空气反应器通入,氢气自氢气反应器通入,二氧化碳由二氧化碳反应器通入;
分离组件包括第一气固分离器、第二气固分离器和第三气固分离器,所述的第一气固分离器设于空气反应器与氢气反应器之间,所述的第二气固分离器设于氢气反应器与二氧化碳反应器之间,所述的第三气固分离器设于二氧化碳反应器与空气反应器之间,一氧化碳由第三气固分离器产出;
铁基载氧体在反应器组件和分离组件中往复循环,参与一氧化碳的合成。
进一步地,所述的制备一氧化碳的装置还包括流动控制组件,所述的流动控制组件设于所述的反应器组件与分离组件之间。
进一步地,所述的空气反应器、氢气反应器、二氧化碳反应器共同构成连续化三联床运行模式。
进一步地,所述的空气反应器、氢气反应器、二氧化碳反应器均为流化床反应器。
进一步地,所述的氢气反应器为鼓泡流化床反应器;
所述的空气反应器、二氧化碳反应器为快速流化床反应器或提升管流化床反应器。
进一步地,所述的铁基载氧体包括铁单质及其氧化物。
进一步地,所述的第一气固分离器、第二气固分离器和第三气固分离器为惯性分离器或旋风分离器。气固分离装置主要分离反应器中产生的气体和固体颗粒。
进一步地,所述的流动控制组件为V阀、U阀、L阀、H阀或J阀中的一种,控制铁基载氧体的传输并防止反应器之间气体反窜。
进一步地,流动控制组件包括:
第一流动控制阀,设于第一气固分离器与氢气反应器之间;
第二流动控制阀,设于第二气固分离器与二氧化碳反应器之间;
第三流动控制阀,设于第三气固分离器与空气反应器之间。
进一步地,所述的空气反应器、氢气反应器、二氧化碳反应器的运行温度为700-900℃。
进一步地,所述的空气反应器、氢气反应器、二氧化碳反应器的中的反应压力为常压及以上。
本发明中通过上述装置制备一氧化碳的方法,包括以下步骤:
将Fe2O3装入氢气反应器中,并通入氢气,在反应过程中富氧形态的Fe2O3被还原成贫氧状态的FeO或Fe,同时生成水蒸气,这是一个大量吸热过程。
将步骤生成的FeO或Fe通过第二气固分离器和第二流动控制阀进入到二氧化碳反应器中,并向二氧化碳反应器中通入CO2,在反应过程中FeO或Fe被CO2氧化为Fe3O4同时生成CO,如果CO2能够被完全转化,那么生成的气体中只含有CO,在反应器出口处得到CO气体,冷凝后便可得到高纯度的CO,这是一个放热过程;
将步骤生成的Fe3O4通过第三气固分离器和第三流动控制阀进入到空气反应器中,并向空气反应器通入空气,在反应过程中,Fe3O4被空气中的氧气重新氧化为Fe2O3,并被空气提升至反应器顶部,通过第一气固分离器和第一流动控制阀进入氢气反应器中,铁基载氧体得到再生,再次进入到循环过程中。这个反应会放出大量的热来维持整个系统的热量平衡。
本发明的有益效果为:
可以高转化率地将CO2转化为CO,转化率可达60%,同时解决生产过程中热量来源以及循环载体再生问题;
利用本发明中三联床式的反应器,通过铁基载氧体的循环将CO2进行转化,可以生产出化工过程中最需要的CO。
附图说明
图1为本发明中以氢气与二氧化碳为原料制备一氧化碳的装置的系统结构图。
图中:1、空气反应器,2、氢气反应器,3、二氧化碳反应器,4、第一气固分离器,5、第二气固分离器,6、第三气固分离器,7、第一流动控制阀,8、第二流动控制阀,9、第三流动控制阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本实施例中以氢气与二氧化碳为原料制备一氧化碳的装置,包括反应器组件、分离组件、铁基载氧体、流动控制组件,其中:
反应器组件:包括依次串联的空气反应器1、氢气反应器2、二氧化碳反应器3,所述的二氧化碳反应器3的出口与空气反应器1的入口连接,构成循环结构,空气自空气反应器1通入,氢气自氢气反应器2通入,二氧化碳由二氧化碳反应器3通入。空气反应器1、氢气反应器2、二氧化碳反应器3共同构成连续化三联床运行模式。具体选型时,空气反应器1、氢气反应器2、二氧化碳反应器3均为流化床反应器,氢气反应器2为鼓泡流化床反应器。空气反应器1、二氧化碳反应器3为快速流化床反应器或提升管流化床反应器。
分离组件:包括第一气固分离器4、第二气固分离器5和第三气固分离器6,所述的第一气固分离器4设于空气反应器1与氢气反应器2之间,所述的第二气固分离器5设于氢气反应器2、二氧化碳反应器3之间,所述的第三气固分离器6设于二氧化碳反应器3与空气反应器1之间,一氧化碳由第三气固分离器6产出。第一气固分离器4、第二气固分离器5和第三气固分离器6为惯性分离器或旋风分离器。气固分离装置主要分离反应器中产生的气体和固体颗粒。
铁基载氧体:在反应器组件和分离组件中往复循环,参与一氧化碳的合成。铁基载氧体包括铁单质及其氧化物。
流动控制组件:流动控制组件设于所述的反应器组件与分离组件之间。流动控制组件为V阀、U阀、L阀、H阀或J阀中的一种,控制铁基载氧体的传输并防止反应器之间气体反窜。具体包括第一流动控制阀7、第二流动控制阀8、第三流动控制阀9,其中第一流动控制阀7设于第一气固分离器4与氢气反应器2之间;第二流动控制阀8设于第二气固分离器5与二氧化碳反应器3之间;第三流动控制阀9设于第三气固分离器6与空气反应器1之间。
具体的反应条件参数上,空气反应器1、氢气反应器2、二氧化碳反应器3的运行温度为700-900℃。
空气反应器1、氢气反应器2、二氧化碳反应器3的中的反应压力为常压及以上。
本实施例中通过上述装置制备一氧化碳的步骤:
1将Fe2O3装入氢气反应器2中,并通入氢气,在反应过程中富氧形态的Fe2O3被还原成贫氧状态的FeO或Fe,同时生成水蒸气,这是一个大量吸热过程。
2将步骤1生成的FeO或Fe通过第二气固分离器5和第二流动控制阀8进入到二氧化碳反应器3中,并向二氧化碳反应器3中通入CO2,在反应过程中FeO或Fe被CO2氧化为Fe3O4同时生成CO,如果CO2能够被完全转化,那么生成的气体中只含有CO,在反应器出口处得到CO气体,冷凝后便可得到高纯度的CO,这是一个放热过程。
3将步骤2生成的Fe3O4通过第三气固分离器6和第三流动控制阀9进入到空气反应器1中,并向空气反应器1通入空气,在反应过程中,Fe3O4被空气中的氧气重新氧化为Fe2O3,并被空气提升至反应器顶部,通过第一气固分离器4和第一流动控制阀7进入氢气反应器2中,铁基载氧体得到再生,再次进入到循环过程中。这个反应会放出大量的热来维持整个系统的热量平衡。
上述各步骤的具体反应过程为:
本实施例步骤1进行的化学反应为:
H2+Fe2O3→Fe/FeO+H2O+强吸热
本实施例步骤2进行的化学反应为:
CO2+Fe/FeO→Fe3O4+CO+放热
本实施例步骤3进行的化学反应为:
Fe3O4+O2+N2→Fe2O3+N2+放热
本实施例总反应为:
H2+CO2+O2→H2O+CO+微放热
采用上述三联床形式的反应装置,按照CO2转化率50%进行计算。当通入氢气流量67Nm3/hr、空气流量56Nm3/hr、二氧化碳流量90Nm3/hr、Fe2O3装入量190kg时,得到的合成气中的成分为CO和CO2的混合气体,氢气和一氧化碳的摩尔比率为3:2,合成气中CO的选择性为50%。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种以氢气与二氧化碳为原料制备一氧化碳的装置,其特征在于,包括:
反应器组件,包括依次串联的空气反应器(1)、氢气反应器(2)、二氧化碳反应器(3),所述的二氧化碳反应器(3)的出口与空气反应器(1)的入口连接,构成循环结构,空气自空气反应器(1)通入,氢气自氢气反应器(2)通入,二氧化碳由二氧化碳反应器(3)通入;
分离组件,包括第一气固分离器(4)、第二气固分离器(5)和第三气固分离器(6),所述的第一气固分离器(4)设于空气反应器(1)与氢气反应器(2)之间,所述的第二气固分离器(5)设于氢气反应器(2)与二氧化碳反应器(3)之间,所述的第三气固分离器(6)设于二氧化碳反应器(3)与空气反应器(1)之间,一氧化碳由第三气固分离器(6)产出;
铁基载氧体,在反应器组件和分离组件中往复循环,参与一氧化碳的合成。
2.根据权利要求1所述的一种以氢气与二氧化碳为原料制备一氧化碳的装置,其特征在于,所述的制备一氧化碳的装置还包括流动控制组件,所述的流动控制组件设于所述的反应器组件与分离组件之间。
3.根据权利要求1所述的一种以氢气与二氧化碳为原料制备一氧化碳的装置,其特征在于,所述的空气反应器(1)、氢气反应器(2)、二氧化碳反应器(3)共同构成连续化三联床运行模式。
4.根据权利要求1所述的一种以氢气与二氧化碳为原料制备一氧化碳的装置,其特征在于,所述的空气反应器(1)、氢气反应器(2)、二氧化碳反应器(3)均为流化床反应器。
5.根据权利要求4所述的一种以氢气与二氧化碳为原料制备一氧化碳的装置,其特征在于,所述的氢气反应器(2)为鼓泡流化床反应器;
所述的空气反应器(1)、二氧化碳反应器(3)为快速流化床反应器或提升管流化床反应器。
6.根据权利要求1所述的一种以氢气与二氧化碳为原料制备一氧化碳的装置,其特征在于,所述的铁基载氧体包括铁单质及其氧化物。
7.根据权利要求1所述的一种以氢气与二氧化碳为原料制备一氧化碳的装置,其特征在于,所述的第一气固分离器(4)、第二气固分离器(5)和第三气固分离器(6)为惯性分离器或旋风分离器。
8.根据权利要求2所述的一种以氢气与二氧化碳为原料制备一氧化碳的装置,其特征在于,所述的流动控制组件为V阀、U阀、L阀、H阀或J阀中的一种,流动控制组件包括:
第一流动控制阀(7),设于第一气固分离器(4)与氢气反应器(2)之间;
第二流动控制阀(8),设于第二气固分离器(5)与二氧化碳反应器(3)之间;
第三流动控制阀(9),设于第三气固分离器(6)与空气反应器(1)之间。
9.根据权利要求1所述的一种以氢气与二氧化碳为原料制备一氧化碳的装置,其特征在于,所述的空气反应器(1)、氢气反应器(2)、二氧化碳反应器(3)的运行温度为700-900℃。
10.一种通过权利要求1中装置制备一氧化碳的方法,包括以下步骤:
(1)将Fe2O3装入氢气反应器(2)中,并通入氢气,在反应过程中Fe2O3被还原成贫氧状态的FeO或Fe,同时生成水蒸气;
(2)将步骤(1)生成的FeO或Fe通过第二气固分离器(5)和第二流动控制阀(8)进入到二氧化碳反应器(3)中,并向二氧化碳反应器(3)中通入CO2,在反应过程中FeO或Fe被CO2氧化为Fe3O4同时生成CO;
(3)将步骤(2)生成的Fe3O4通过第三气固分离器(6)和第三流动控制阀(9)进入到空气反应器(1)中,并向空气反应器(1)通入空气,在反应过程中,Fe3O4被空气中的氧气重新氧化为Fe2O3,并被空气提升至反应器顶部,通过第一气固分离器(4)和第一流动控制阀(7)进入氢气反应器(2)中,铁基载氧体得到再生,再次进入到循环过程中。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210507 |
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