CN114805001A - 可再生环戊烷的制备装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可再生环戊烷的制备装置(10)，具备：利用生物质生成碳氢化合物的碳氢化合物生成装置(3)、对由碳氢化合物生成装置生成的碳氢化合物进行分馏，以获得碳数为9以下的碳氢化合物的分馏装置(4)、对用分馏装置进行分馏得到的碳数为9以下的碳氢化合物进行裂化，以获得碳数为5的碳氢化合物的裂化装置(5)、对用裂化装置进行裂化得到的碳数为5的碳氢化合物进行精密分馏，以获得环戊烷、环戊烯、环戊二烯的精密分馏装置(6)、对用精密分馏装置进行精密分馏得到的环戊二烯二聚生成双环戊二烯的二聚装置(7)、对用精密分馏装置进行精密分馏得到的环戊烯和由二聚装置生成的双环戊二烯进行加氢生成环戊烷的加氢装置(8)。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备作为可再生燃料的环戊烷的制备装置及制备方法。
背景技术
以往已知有以石油烃为原料的环戊烷的制备方法(参见例如专利文献1)。在专利文献1记载的制备方法中，对石脑油、轻油、液化天然气、原油、重油等石油烃进行热分解处理，由热分解处理所得的裂解汽油制备环戊烷。
在专利文献1记载的环戊烷的制备方法中，使用化石燃料作为原料，但从减少碳排放量的观点来看，希望能抑制化石燃料的消费量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-323485号公报(JP2004-323485A)。
发明内容
本发明的一技术方案的可再生环戊烷的制备装置，具备：碳氢化合物生成装置，其利用生物质生成碳氢化合物；分馏装置，其对通过碳氢化合物生成装置生成的碳氢化合物进行分馏，以获得碳数为9以下的碳氢化合物；裂化装置，其对用分馏装置进行分馏得到的碳数为9以下的碳氢化合物进行裂化，以获得碳数为5的碳氢化合物；精密分馏装置，其对用裂化装置进行裂化得到的碳数为5的碳氢化合物进行精密分馏，以获得环戊烷、环戊烯、环戊二烯；二聚装置，其将用精密分馏装置进行精密分馏得到的环戊二烯二聚生成双环戊二烯；以及加氢装置，其对用精密分馏装置进行精密分馏得到的环戊烯和通过二聚装置生成的双环戊二烯进行加氢生成环戊烷。
本发明的另一技术方案的可再生环戊烷的制备方法包括：利用生物质生成碳氢化合物的碳氢化合物生成步骤；对在碳氢化合物生成步骤中生成的碳氢化合物进行分馏，以获得碳数为9以下的碳氢化合物的分馏步骤；对在分馏步骤中得到的碳数为9以下的碳氢化合物进行裂化，以获得碳数为5的碳氢化合物的裂化步骤；对在裂化步骤中得到的碳数为5的碳氢化合物进行精密分馏，以获得环戊烷、环戊烯、环戊二烯的精密分馏步骤；对在精密分馏步骤中得到的环戊二烯进行二聚生成双环戊二烯的二聚步骤；对在精密分馏步骤中得到的环戊烯和在二聚步骤中生成的双环戊二烯进行加氢生成环戊烷的加氢步骤。
附图说明
本发明的目的、特征以及优点，通过与附图相关的以下实施方式的说明进一步阐明。
图1是用于说明来自不同原料的石脑油的碳强度的图。
图2A是用于说明通过对生物质中所含的脂肪酸酯加氢得到的替代燃料的图。
图2B是用于说明通过对生物质气化和FT合成(费托合成)得到的替代燃料的图。
图3是示意性地示出本发明的实施方式的可再生环戊烷的制备装置的构成的一例的框图。
图4是示出图3的变形例的框图。
具体实施方式
以下参照图1～图4对本发明的实施方式进行说明。本发明的实施方式的可再生环戊烷的制备装置以废弃食用油、木质生物质等生物质为原料制备环戊烷。
地球的平均气温因大气中的温室气体而保持在适合生物的温暖状态。具体而言，温室气体吸收从被太阳光加热了的地表面向宇宙空间辐射的热的一部分，并将其再次向地表面辐射，由此使大气保持在温暖的状态。当像这样的大气中的温室气体浓度增加时，地球的平均气温会上升(全球变暖)。
温室气体中，对全球变暖影响较大的二氧化碳在大气中的浓度是由以生物质、化石燃料的形态固定在地上、地下的碳与以二氧化碳的形态存在于大气中的碳之间的平衡来决定的。例如当植物(生物质)在生长过程中通过光合作用吸收大气中的二氧化碳时，大气中的二氧化碳浓度下降，而当化石燃料消费(燃烧)向大气中排放二氧化碳时，大气中的二氧化碳浓度升高。为了抑制全球变暖，需要用来自生物质的可再生燃料替代化石燃料，来减少碳排放量。
图1是用于说明来自不同原料的石脑油(粗汽油)的碳强度的图，示出单位热量的石脑油从制备到消费所排放的二氧化碳量的一例。如图1所示，来自作为化石燃料的石油的石脑油的碳强度直接反映出碳含量，并且反映出在基于原油的制备过程中投入的能量。另一方面，来自作为生物质的森林残留物、废弃食用油的石脑油的碳强度没反映出在生长过程中吸收大气中的二氧化碳的生物质的碳含量本身，仅反映出在基于原料的制备过程(FT合成、加氢等)中投入的能量。
图2A是用于说明通过对生物质中所含的脂肪酸酯进行加氢得到的替代燃料的图。如图2A所示，在氢气的存在下对包含脂肪酸酯的、植物油、植物油被用于烹饪后的废弃食用油进行催化加氢反应，可得到碳数为3～20的饱和碳氢化合物(来自生物质的石脑油)。
图2B是用于说明通过生物质的气化和FT(Fischer–Tropsch)合成得到的替代燃料的图。如图2B所示，当在水蒸气存在下对城市垃圾、木质生物质进行加热时，得到一氧化碳气体和氢气，当在氢气存在下通过催化反应对所得到的气体进行FT合成时，可得到碳数为4～20的饱和碳氢化合物(来自生物质的石脑油)。
如图2A和图2B所示，当根据沸点的大致范围对来自生物质的石脑油进行分馏时，得到碳数为14～20的馏分、碳数为9～14的馏分、碳数为4～9的馏分以及气体组分(丙烷气体)。其中，碳数为14～20的馏分作为柴油发动机的替代燃料(可再生轻油)，碳数为9～14的馏分作为喷气发动机的替代燃料(可再生煤油)能够直接使用。
另一方面，碳数为4～9的馏分是以链状饱和碳氢化合物为主，所以辛烷值低，当直接作为汽油发动机的替代燃料(可再生汽油)来使用时，有可能破坏发动机的燃烧性能。因此，在本实施方式中，为了从低辛烷值的可再生汽油中分离和生成碳数为5的环状饱和碳氢化合物即环戊烷，能够作为高辛烷值的可再生汽油使用，如下构成可再生环戊烷的制备装置。
图3是示意性地示出本发明的实施方式的可再生环戊烷的制备装置(以下称为装置)10的构成的一例的框图。如图3所示，装置10具有发电装置1、水电解装置2、碳氢化合物生成装置3、分馏装置4、裂化装置5、精密分馏装置6、二聚装置7以及加氢装置8。
发电装置1构成为例如通过半导体元件将太阳能转换成电能的太阳能发电装置、通过风车将风能转换成电能的风力发电装置，生成可再生电力。水电解装置2利用由发电装置1生成的可再生电力将水电解生成氢(可再生氢)。
碳氢化合物生成装置3利用生物质原料生成碳数为20以下的碳氢化合物(来自生物质的石脑油)。碳氢化合物生成装置3在以植物油、废弃食用油作为生物质原料的情况下构成为加氢塔，进行对脂肪酸酯的加氢(图2A)。碳氢化合物生成装置3在以城市垃圾、木质生物质为生物质原料的情况下进行气化和FT合成(图2B)。在对脂肪酸酯的加氢中，使用由水电解装置2生成的可再生氢。由水电解装置2生成的可再生氢也能用于FT合成。
分馏装置4构成为蒸馏塔，对由碳氢化合物生成装置3生成的碳数为20以下的碳氢化合物进行分馏。在分馏装置4的分馏过程中，分离得到碳数为14～20的碳氢化合物(轻油)、碳数为9～14的碳氢化合物(煤油)、碳数为9以下的碳氢化合物(低辛烷值汽油)(图2A、图2B)。
裂化装置5包括热解炉5a、第1蒸馏塔5b、第2蒸馏塔5c而构成，对通过分馏装置4的分馏得到的碳数为9以下的碳氢化合物进行裂化。在裂化装置5的裂化中，得到碳数为5的碳氢化合物。更具体而言，在热解炉5a中，碳氢化合物被高温加热，分解成碳数更小的碳氢化合物(热分解组分)。在第1蒸馏塔5b中，对用热解炉5a进行热分解得到的热分解组分进行蒸馏，从而分离出气体组分。在第2蒸馏塔5c中，对通过在第1蒸馏塔5b的蒸馏而气体组分被分离出来后的热分解组分进行再蒸馏，从而分离得到碳数为6以上的碳氢化合物和碳数为5的碳氢化合物。
精密分馏装置6构成为多级蒸馏塔，根据沸点的细微差异对通过裂化装置5进行裂化得到的碳数为5的碳氢化合物进行精密分馏。通过精密分馏装置6的精密分馏，分离得到环戊二烯、环戊烯、环戊烷。
二聚装置7包含加热器而构成，将通过精密分馏装置6的精密分馏得到的1，3-环戊二烯(C5H6)加热进行二聚，生成双环戊二烯(C10H12)。
2C5H6→C10H12
加氢装置8构成为加氢塔，对通过精密分馏装置6的精密分馏得到的环戊烯(C5H8)和由二聚装置7生成的双环戊二烯进行加氢，生成环戊烷(C5H10)。对于环戊烯和双环戊二烯的加氢，使用由水电解装置2生成的可再生氢。
C5H8+H2→C5H10
C10H12+4H2→2C5H10
在碳氢化合物生成装置3的加氢或气化以及FT合成、在分馏装置4、裂化装置5以及精密分馏装置6的蒸馏、在裂化装置5和二聚装置7的加热的各步骤中，也使用由发电装置1生成的可再生电力。
这样，在不消费化石燃料而使用生物质原料制备出的可再生环戊烷，能够作为高辛烷值的可再生汽油使用。还有，通过在加氢步骤中使用可再生氢，在加氢、蒸馏等各步骤中使用可再生电力，能够进一步降低所制备出的可再生环戊烷的碳强度。
图4是示出装置10的变形例的装置10A的构成的一例的框图。如图4所示，装置10A除图3的装置10的构成外，具有对低辛烷值汽油进行重整的重整装置9。发明人发现，加入环戊烷可提高低辛烷值汽油的抗爆性能。在重整装置9中，向低辛烷值汽油中加入由加氢装置8生成的环戊烷进行重整，生成高辛烷值的重整汽油。通过加入可再生环戊烷进行重整，能够降低重整汽油的碳强度。
采用本实施方式能够起到如下作用效果。
(1)装置10具备：碳氢化合物生成装置3，其利用生物质生成碳氢化合物；分馏装置4，其对通过碳氢化合物生成装置3生成的碳氢化合物进行分馏，以获得碳数9以下的碳氢化合物；裂化装置5，其对用分馏装置4进行分馏得到的碳数为9以下的碳氢化合物进行裂化，以获得碳数为5的碳氢化合物；精密分馏装置6，其对用裂化装置5进行裂化得到的碳数为5的碳氢化合物进行精密分馏，以获得环戊烷、环戊烯、环戊二烯；二聚装置7，其将用精密分馏装置6进行精密分馏得到的环戊二烯二聚，生成双环戊二烯；以及加氢装置8，其对用精密分馏装置6进行精密分馏得到的环戊烯和通过二聚装置7生成的双环戊二烯进行加氢生成环戊烷(图3)。由此，无需消费化石燃料，使用生物质原料就能制备可再生环戊烷。
(2)碳氢化合物生成装置3对生物质进行加氢生成碳氢化合物。在这样的情况，能够以包括脂肪酸酯的植物油、废弃食用油作为生物质原料制备可再生环戊烷。
(3)装置10还具备水电解装置2，该水电解装置2利用可再生电力将水电解而生成氢(图3)。碳氢化合物生成装置3利用通过水电解装置2生成的可再生氢对生物质进行加氢。加氢装置8利用通过水电解装置2生成的可再生氢对环戊烯和双环戊二烯进行加氢。通过利用太阳光发电等可再生能源制备出的氢，能够进一步降低可再生环戊烷的碳强度。
(4)碳氢化合物生成装置3将生物质气化生成一氧化碳和氢，通过FT合成由所生成的一氧化碳和氢来生成碳氢化合物。在这样的情况，能够以城市垃圾、木质生物质作为生物质原料制备可再生环戊烷。
(5)装置10还具备重整装置9，在该重整装置9中，向低辛烷值汽油加入通过加氢装置8生成的环戊烷进行重整(图4)。加入可再生环戊烷对低辛烷值汽油进行重整，能够降低重整汽油的碳强度。
在上述实施方式中，在图3、图4等中示例了装置10、装置10A的具体构成并进行了说明，但可再生环戊烷的制备装置并不局限于此。例如还可以使用水利发电、地热发电等作为可再生电力。还可以使用污泥、废弃材料等作为生物质原料。还可以将在加氢步骤中使用的一部分氢作为可再生氢，也可以在各步骤中使用的一部分电力作为可再生电力。在各步骤中还可以代替可再生电力使用热能等可再生能源本身。
既能够将上述实施方式与变形例的一个或多个任意组合，也能够将变形例彼此进行组合。
采用本发明，无需消费化石燃料就能制备环戊烷。
以上，就本发明的优选实施方式进行了说明，本领域技术人员清楚地知道能够不脱离后述的权利要求书的公开范围地进行各种修改和变更。
Claims (7)
1.一种可再生环戊烷的制备装置(10)，其特征在于，具备：
碳氢化合物生成装置(3)，其利用生物质生成碳氢化合物；
分馏装置(4)，其对通过所述碳氢化合物生成装置(3)生成的碳氢化合物进行分馏，以获得碳数为9以下的碳氢化合物；
裂化装置(5)，其对用所述分馏装置(4)进行分馏得到的碳数为9以下的碳氢化合物进行裂化，以获得碳数为5的碳氢化合物；
精密分馏装置(6)，其对用所述裂化装置(5)进行裂化得到的碳数为5的碳氢化合物进行精密分馏，以获得环戊烷、环戊烯、环戊二烯；
二聚装置(7)，其将用所述精密分馏装置(6)进行精密分馏得到的环戊二烯二聚，生成双环戊二烯；以及
加氢装置(8)，其对用所述精密分馏装置(6)进行精密分馏得到的环戊烯和用所述二聚装置(7)生成的双环戊二烯进行加氢生成环戊烷。
2.根据权利要求1所述的可再生环戊烷的制备装置(10)，其特征在于，
所述碳氢化合物生成装置(3)对生物质进行加氢生成碳氢化合物。
3.根据权利要求2所述的可再生环戊烷的制备装置(10)，其特征在于，还具备水电解装置(2)，所述水电解装置(2)利用可再生电力将水电解而生成氢，
所述碳氢化合物生成装置(3)利用通过所述水电解装置(2)生成的氢对生物质进行加氢，
所述加氢装置(8)利用通过所述水电解装置(2)生成的氢对环戊烯和双环戊二烯进行加氢。
4.根据权利要求1所述的可再生环戊烷的制备装置(10)，其特征在于，
所述碳氢化合物生成装置(3)对生物质进行气化生成一氧化碳和氢，通过费托合成由所生成的一氧化碳和氢生成碳氢化合物。
5.根据权利要求4所述的可再生环戊烷的制备装置(10)，其特征在于，还具备水电解装置(2)，所述水电解装置(2)利用可再生电力将水电解而生成氢，
所述加氢装置(8)利用通过所述水电解装置(2)生成的氢对环戊烯和双环戊二烯进行加氢。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的可再生环戊烷的制备装置(10)，其特征在于，还具备重整装置(9)，在所述重整装置(9)中，向低辛烷值汽油中加入通过所述加氢装置(8)生成的环戊烷进行重整。
7.一种可再生环戊烷的制备方法，其特征在于，包括：
碳氢化合物生成步骤，在该步骤中，利用生物质生成碳氢化合物；
分馏步骤，在该步骤中，对在所述碳氢化合物生成步骤中生成的碳氢化合物进行分馏，以获得碳数为9以下的碳氢化合物；
裂化步骤，在该步骤中，对在所述分馏步骤中得到的碳数为9以下的碳氢化合物进行裂化，以获得碳数为5的碳氢化合物；
精密分馏步骤，在该步骤中，对在所述裂化步骤中得到的碳数为5的碳氢化合物进行精密分馏，以获得环戊烷、环戊烯、环戊二烯；
二聚步骤，在该步骤中，将在所述精密分馏步骤中得到的环戊二烯二聚生成双环戊二烯；
加氢步骤，在该步骤中，对在所述精密分馏步骤中得到的环戊烯和在所述二聚步骤中生成的双环戊二烯进行加氢生成环戊烷。
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