DE102018106076A1

DE102018106076A1 - Verfahren und Anordnung zur Methanolsynthese

Info

Publication number: DE102018106076A1
Application number: DE102018106076.9A
Authority: DE
Inventors: Dieter Erwin Schulze
Original assignee: KARL BAU GmbH
Current assignee: KARL BAU GmbH
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2018-03-15
Publication date: 2019-09-19
Also published as: WO2019174679A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Methanolsynthese mit den Schritten, Bereitstellen eines flüssigen Gemisches aus Methanol und Wasser; katalytische Reformierung des Gemisches aus Methanol und Wasser unter Wärmezufuhr zu 3H₂ und CO₂; Trennung von H₂ und CO₂ in zwei artenreine Gasströme; Zuführen des so gewonnenen Wasserstoffs zusammen mit Sauerstoff zu einer Brennstoffzelle (9); Umsetzen des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in der Brennstoffzelle (9) zu Reaktionswasser bei Abgabe elektrischer Energie, während parallel zur Wasserstoffverarbeitung das so gewonnene CO₂ mit neu zugeführtem H₂O vermischt und katalytisch zu einem Gemisch aus Methanol und Wasser unter Wärmeabgabe synthetisiert und wieder dem ersten Verfahrensschritt zugeführt wird.
Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Methanolsynthese, bei der ein Gemisch aus Methanol und Wasser in einem Tank (70) bevorratet ist, wobei ein Dampfreformierreaktor (8) mit einem ersten Katalysator (81) vorgesehen ist, in den das Gemisch aus Methanol und Wasser unter Wärmezufuhr zu 3H₂ und CO₂ reformiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gastrennungsmittel (84) vorgesehen ist, das das reformierte 3H₂ und CO₂-Gasgemisch in je eine Gasleitung (85,91) separiert, und stromabwärtig der H₂-Gasleitung (91) eine Brennstoffzelle (9) und stromabwärtig der CO₂-Gasleitung (85) ein Methanolsynthesereaktor (7) mit einem zweiten Katalysator (72) angeordnet sind, wobei eine Wasserzuleitung (76) zum Methanolsynthesereaktor (7) sowie eine Syntheseleitung (73) vom Methanolsynthesereaktor (7) zum Tank (70) vorgesehen sind, sodass im Methanolsynthesereaktor (7) CO₂ und H₂O unter Einfluß des zweiten Katalysators (72) zum CH₃OH und H₂O Gemisch unter Abgabe von Wärme synthetisiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Methanolsynthese sowie eine Anordnung dafür, bei der ein Gemisch aus Methanol und Wasser mit einem Mischungsverhältnis von 70% bis 60% CH₃OH zu 30% bis 40% H₂O, insbesondere 68% CH₃OH zu 32% H₂O, in einem Tank bevorratet ist, wobei ein Dampfreformierreaktor mit einem ersten Katalysator vorgesehen ist, in den das Gemisch aus Methanol und Wasser unter Wärmezufuhr bei 180°C bis 320°C zu 3H₂ und CO₂ reformiert wird.
Grundlagen für die Methanolsynthese wurden beispielsweise in der US 3,790,505 beschrieben, in der Katalysatoren aus Kupfer, Zink und Aluminiumoxiden eingesetzt werden. Diese Katalysatoren dienen der Methanolherstellung aus einem Synthesegas bzw. dem Dampfreformieren von Methanol zu Wasserstoff als deren umgekehrte Reaktion. Die Reaktion beim Dampfreformieren von Methanol ist gegeben durch CH₃OH + H₂O -> 3H₂ + CO₂, (1) wie dies beispielsweise in der DE 698 08 983 T2 ausgeführt ist. In dieser Schrift werden auch besondere Ausgestaltungen für den Methanolsynthese- und Reformierungskatalysator, der die Reaktionsfähigkeit der Stoffgemische bewirkt, beschrieben. Darin wird auch die Umwandlung von Kohlendioxid in Methanol als Maßnahme zur Linderung des Problems der globalen Erwärmung durch den Anstieg des Kohlendioxidgehaltes in der Atmosphäre beschrieben.
Ausgehend von diesen Überlegungen ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Anordnung zur Methanolsynthese anzugeben, mit der eine vorhandene Wärmequelle genutzt werden kann, um einerseits CO₂ in einen energetisch und/oder stofftechnisch nutzbaren, höherwertigen Stoff, nämlich Methanol, zu überführen und dabei weitere Vorteile zu nutzen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer gegenüber der DE 698 08 983 T2 veränderten Methanolsynthese, bei der Kohlendioxid und Wasser exotherm zu einem Gemisch von Methanol und Wasser reagieren. Das Verfahren zeichnet sich durch folgende Schritte aus: - Bereitstellen eines flüssigen Gemisches aus Methanol und Wasser, insbesondere mit einem Mischungsverhältnis von 70% bis 60% CH₃OH zu 30% bis 40% H₂O; - katalytische Reformierung des Gemisches aus Methanol und Wasser unter Wärmezufuhr, insbesondere bei 180°C bis 320°C, zu 3H₂ und CO₂;- Trennung von H₂ und CO₂ in zwei artenreine Gasströme; - Zuführen des so gewonnenen Wasserstoffs zusammen mit Sauerstoff zu einer Brennstoffzelle; - Umsetzen des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in der Brennstoffzelle zu Reaktionswasser bei Abgabe elektrischer Energie; während parallel zur Wasserstoffverarbeitung das so gewonnene CO₂ mit neu zugeführtem H₂O vermischt und katalytisch zu einem Gemisch aus Methanol und Wasser unter Wärmeabgabe synthetisiert und wieder dem ersten Verfahrensschritt zugeführt wird. Demgemäß zeichnet sich vorrichtungsgemäß die Anordnung zur Methanolsynthese dadurch aus, dass ein Gastrennungsmittel vorgesehen ist, das das reformierte 3H₂ und CO₂-Gasgemisch in je eine Gasleitung separiert, und stromabwärtig der H₂-Gasleitung eine Brennstoffzelle und stromabwärtig der CO₂-Gasleitung ein Methanolsynthesereaktor mit einem zweiten Katalysator angeordnet sind, wobei eine Wasserzuleitung zum Methanolsynthesereaktor sowie eine Syntheseleitung vom Methanolsynthesereaktor zum Tank vorgesehen sind, so dass im Methanolsynthesereaktor CO₂ und H₂O unter Einfluß des zweiten Katalysators zum CH₃OH und H₂O Gemisch unter Abgabe von Wärme und überschüssigem Sauerstoff synthetisiert wird.
Bei der katalytischen Reformierung im Dampfreformierreaktor wird das Methanol-Wasser-Gemisch unter Wärmezufuhr zu Wasserstoff und Kohlendioxid reformiert. Die Wärmezufuhr wird energetisch sinnvoll von überflüssiger Wärme aus einem anderen Prozess gespeist. Der daraus gewonnene Wasserstoff wird mit Sauerstoff, beispielsweise separiert aus einem gesonderten Prozess, der Brennstoffzelle zugeführt und in Reaktionswasser bei Abgabe elektrischer Energie gewandelt. Parallel wird das Kohlendioxid aus der katalytischen Reformierung des Gemisches aus Methanol und Wasser mit neu zugeführtem Wasser vermischt und katalytisch wieder zu einem Methanol-Wasser-Gemisch unter Wärmeabgabe und einer geringen Abgabe von Sauerstoff synthetisiert und dem Bevorratungstank wieder zugeführt.
Um die Methanolsynthese bedarfsgerecht steuern zu können, wird das so gewonnene H₂ und CO₂ sowie der Sauerstoff komprimiert und zwischengespeichert. Damit kann das jeweils verdichtete Gas in kleinen Druckbehältern zwischengespeichert und somit die Zuführung zum Methanolsyntheseprozess genauer gesteuert werden.
Dadurch, dass beim Vermischen des so gewonnenen CO₂ mit dem neu zugeführten H₂O zusätzlich Kohlendioxid, vorzugsweise 1% bis 10% der aus der Dampfreformierung gewonnenen CO₂-Menge, besonders bevorzugt 2% bis 3% CO₂, von einer neuen Quelle, also ergänzend zugeführt wird, wobei die Rekombination bei Temperaturen von 250°C bis 350°C erfolgt, wird ein Überschuss an Methanol-Wasser-Gemisch erzeugt, so dass aus dem Tank Methanol-Wasser-Gemisch für eine weitere Verwendung/Verwertung abgezogen werden kann. Beispielsweise können nach Separierung des Methanols aus dem Gemisch synthetische Kraftstoffe oder Propylen aus dem Methanol synthetisiert werden. Eine „neue Quelle“ für das ergänzend zugeführte CO₂ kann eine CO₂-Gasflasche mit zugeliefertem CO₂ oder ein parallel laufender Prozess zur CO₂-Abtrennung sein.
Wenn das neu zugeführte CO₂ durch Absorption aus der Umgebungsluft herausgefiltert und der Methanolsynthese zugeführt wird, wird das zusätzlich benötigte Kohlendioxid aus der Umgebungsluft extrahiert, was dem Treibhauseffekt entgegenwirkt und für die Methanolsynthese ein wichtiger Grundstoff ist.
Eine verfahrenstechnisch besonders günstige Verknüpfung des Methanolsyntheseverfahrens ergibt sich dadurch, dass es zusammen mit einem Verfahren zur Herstellung von Deuterium reduziertem Wasser durchgeführt wird, bei dem aus einer Elektrolyse gewonnenes HHO-Gas in einem Reaktor eingedüst und gezündet und in Gegenwart von Metalloxiden als Katalysator bei Temperaturen von 2800°C bis 3500°C in einem Plasma zu entstehendem Reaktionswasser umgesetzt wird, wobei Luft dem Verbrennungsofen zugeführt wird, die Luft das Plasma umgibt und somit das Plasma gekühlt wird und anschließend das Plasma nach der Verbrennung als Abluft abgekühlt und das darin befindliche Reaktionswasser kondensiert und aufgefangen wird, wobei die Wärme aus der HHO-Gas-Verbrennung für die katalytische Aufspaltung des Gemisches aus Methanol und Wasser verwendet wird.
In weiterer Ausgestaltung der Verfahrenskombination wird das Reaktionswasser aus der Brennstoffzelle, das einen reduzierten Deuteriumgehalt von < 140 ppm, bevorzugt < 80 ppm hat, dem Deuterium reduzierten Wasser aus der HHO-Gas-Verbrennung zugeführt. Somit kann der Ertrag von Deuterium reduziertem Wasser mit der Verfahrenskombination erhöht werden.
Dadurch, dass die Abluft aus der HHO-Gas-Verbrennung, die im Wesentlichen aus Sauerstoff besteht, der Brennstoffzelle zugeführt wird, kann die erforderliche Sauerstoffversorgung für die Brennstoffzelle unmittelbar aus dem parallel geführten HHO-Gas-Verbrennungsverfahren verwendet werden. Eine energetisch aufwendige Sauerstoffseparierung kann somit entfallen.
Weitere Synergieeffekte bei der Ausführung des Methanolsyntheseverfahrens parallel zur HHO-Gas-Verbrennung werden dadurch erreicht, dass die in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie zur Elektrolyse von Wasser in HHO-Gas verwendet wird. Insofern kann die Stromversorgung für die Elektrolyse zumindest teilweise durch die in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie erreicht werden.
Vorrichtungsgemäß hat das Gastrennungsmittel eine Nanoporenmembran, durch die CO₂-Moleküle von den H₂-Molekülen trennbar sind, womit eine artenreine Auftrennung der beiden Gase möglich ist. Beispielsweise handelt es sich um eine von der Stanford University entwickelte Membran auf Basis von Zeolithen. Alternativ kann auch ein sogenanntes Polyabsorb-Material verwendet werden, in dem das CO₂ gespeichert wird und lediglich das H₂ zur weiteren Verwendung der Brennstoffzelle zugeführt werden kann (sogenannte „carbon capture technology“).
Wenn die Brennstoffzelle eine alkalische Brennstoffzelle mit KOH-Elektrolyt ist, wird eine effiziente und relativ störungsunempfindliche Brennstoffzellenart bevorzugt. Beispielsweise kann die „EloFlux-Brennstoffzelle“ der Gaskatel GmbH, Deutschland verwendet werden.
Dadurch, dass der Methanolsynthesereaktor eine Mischstrecke mit einer Mischdüse hat, über die das Kohlendioxid und das Wasser vermischt wird, wobei das Wasser als Dampf, bevorzugt mit ca. 4 bar Druck, vorliegt und am Methanolsynthesereaktor ein Wärmeträgerkreislauf zur Wärmeabfuhr vorgesehen ist, wird eine für die Methanolsynthese vorteilhafte intensive Vermischung zwischen den zuführten Komponenten Kohlendioxid und Wasser erreicht. Die Reaktionsfähigkeit wird in Verbindung mit dem zugeführten Wasserdampf und dem bevorzugt unter Druck stehenden Kohlendioxid beim Eindüsen über die Mischdüse deutlich erhöht.
Bevorzugt wird als ergänzende Quelle für das Kohlendioxid eine CO₂-Abscheideanlage vorgesehen. Damit kann bei vertretbarem Energieaufwand reines CO₂ aus der Umgebungsluft abgeschieden werden. Die dafür erforderliche Wärme kann ebenfalls aus parallel laufenden Verfahren, beispielsweise der HHO-Gas-Verbrennung oder der exothermen Methanolsynthese verwendet werden. Beispielsweise kann eine Luft- zu CO₂-Anlage unter der Bezeichnung „Direct Aire Capture (DAC)“ bei der Firma Climeworks AG, Schweiz, bezogen werden.
Wenn der erste und zweite Katalysator Metalloxide, wie beispielsweise CuO, ZnO, ZrO₂, Al₂O₃, NiO, Ga₂O₃ und/oder dergleichen, enthält oder ausschließlich daraus oder aus Mischungen daraus besteht, wird sowohl die Dampfreformierreaktion wie auch die Methanolsynthesereaktion verstärkt bzw. aufrechterhalten. Insbesondere bestehen der erste und/oder der zweite Katalysator aus CuO, ZnO und Al₂O₃ mit einem Gewichtsverhältnis von 50 bis 80 Gew. % CuO, 12 bis 40 Gew. % ZnO und 5 bis 15 Gew. % Al₂O₃, womit ein besonders wirkungsvoller Katalysator sowohl für die Dampfreformierung wie auch für die Methanolsynthese bereitgestellt wird, der in Anlehnung an den Katalysator aus DE 698 08 983 T2 zusammengestellt ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der beiliegenden Zeichnung detailliert beschrieben.
Darin zeigt:

1 einen schematischen Anordnungsplan.

Die 1 zeigt einen schematischen Anordnungsplan nach einem Ausführungsbeispiel bei dem die Methanolsynthese mit einem Verfahren zur Herstellung von Deuterium reduziertem Wasser kombiniert wird, wie dies Anspruch 6 definiert. Das Verfahren und die Anordnung zur Herstellung von Deuterium reduziertem Wasser ist Gegenstand einer gesonderten PCT-Patentanmeldung mit gleichem Anmeldetag der gleichen Anmelderin, so dass hier dieser Teil des Verfahrens und der Anordnung (bezogen auf die Bezugszeichen 1 bis 6 und deren Unterpunkte) nur im Rahmen der Verknüpfungspunkte zur hier beanspruchten Methanolsynthese detailliert beschrieben wird. Aus der Kombination der Methanolsynthese mit dem Verfahren zur Herstellung von Deuterium reduziertem Wasser mittels HHO-Gas-Verbrennung ergeben sich jedoch ausgesprochen positive Synergieeffekte, die die Effektivität beider Verfahren sowie die Ausbeute der jeweiligen Verfahrensprodukte steigern.
Selbstverständlich ist die Methanolsynthese nach der hier vorliegenden Erfindung auch einzeln ohne Verknüpfung mit dem Verfahren zur Herstellung von Deuterium reduziertem Wasser mittels HHO-Gas-Verbrennung einsetzbar. Die dafür erforderliche Anordnung bezieht sich auf die Bezugszeichen 7, 8 und 9 sowie deren Unterpunkte.
Die Anordnung zur Methanolsynthese weist einen Vorratstank 70 auf, in dem ein Methanol-Wasser-Gemisch mit einem Mischungsverhältnis von vorzugsweise 68% CH₃OH zu 32% H₂O enthalten ist. Von dem Tank 70 führt eine Methanol-Wasser-Gemisch-Zuleitung 82 zu einem Dampfreformierreaktor 8, in dem ein erster Katalysator 81 bestehend aus einer Mischung von Kupfer-, Zink- und Aluminiumoxid in kristalliner oder Pulverform vorhanden ist. Da der in dem Dampfreformierreaktor 8 ablaufende Prozess endotherm ist, ist eine Wärmezufuhr über eine Zirkulationsleitung 52 vorgesehen. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Wärme von der HHO-Gas-Verbrennung in einem Reaktor 4 mit Verbrennungsraum 41 mittels in der Zirkulationsleitung 52 zirkulierendem Wärmeträgermedium von einem Wärmetauscher 5 bereitgestellt.
Für das Reaktionsprodukt aus dem Dampfreformierreaktor 8 ist eine Gasleitung 83 vorgesehen, in der Wasserstoff und Kohlendioxid geführt ist. Die Gasleitung 83 führt zu einem Gastrennungsmittel 84 in Form einer Nanoporenmembran, durch die die CO₂-Moleküle von den H₂-Molekülen trennbar sind. Entsprechend führt eine CO₂-Leitung 85 und eine H₂-Zufuhrleitung 91 von dem Gastrennungsmittel 84 zu weiteren Komponenten der Gesamtanordnung. Die H₂-Zufuhrleitung 91 ist an einer Brennstoffzelle 9, bevorzugt einer alkalischen Brennstoffzelle 9 (AFC-Brennstoffzelle), angeschlossen. Ferner ist an der Brennstoffzelle 9 eine O₂-Zufuhrleitung 92 angeschlossen, die im hier dargestellten Ausführungsbeispiel Sauerstoff von einer Abluftführung 53 der parallel ausgeführten HHO-Gas-Verbrennung zuführt. Für die Reaktionsprodukte der Brennstoffzelle 9 ist eine Wasserableitung 93 und eine Stromleitung 94 an der Brennstoffzelle 9 angeschlossen.
Das von der Brennstoffzelle 9 über die Wasserableitung 93 geführte Wasser weist einen reduzierten Deuteriumgehalt von < 140 ppm auf. Je nach Brennstoffzelle 9 und gewählten Verfahrensparametern kann bevorzugt auch ein Deuterium reduziertes Wasser mit einem Deuteriumgehalt von < 80 ppm entstehen. Die Wasserableitung 93 ist im hier dargestellten Ausführungsbeispiel an einer Aufbereitung für Deuterium reduziertes Wasser 6, nämlich einer Filter- und Dosierstation 62 angeschlossen und erhöht somit den Ertrag des Deuterium reduzierten Wassers aus der parallel ausgeführten HHO-Gas-Verbrennung.
Die Stromleitung 94 ist über eine geeignete Steuerung zur Stromeinspeisung an das öffentliche Stromnetz oder andere geeignete Verbraucher angeschlossen. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Stromleitung 94 an die Stromversorgung 11 einer Elektrolysevorrichtung 1 zur Produktion von HHO-Gas angeschlossen.
Die CO₂-Leitung 85 führt in einen Methanolsynthesereaktor 7, wobei an der CO₂-Leitung 85 eine CO₂-Abscheideanlage 86 angeschlossen ist, die aus der Umgebungsluft CO₂ abscheidet und zusätzlich in die CO₂-Versorgung des Methanolsynthesereaktors 7 leitet. Ferner führt eine Wasserzufuhrleitung 76 über einen Verdampfer 75 in den Methanolsynthesereaktor 7. Die Zuführung beider Produkte in den Methanolsynthesereaktor 7 erfolgt über eine Mischdüse 71. Im Methanolsynthesereaktor 7 ist ein zweiter Katalysator 72 vorgehalten, der ebenfalls aus Kupfer-, Zink- und Aluminiumoxid besteht. Bevorzugt wird ein Katalysator gemäß DE 698 08 983 T2 verwendet. Die im Methanolsynthesereaktor 7 ablaufende Methanolsynthese ist exotherm, so dass ein Wärmeträgerkreislauf 74 über den Methanolsynthesereaktor 7 geführt ist, um die entstehende Prozesswärme abzuleiten. Der Wärmeträgerkreislauf 74 führt im hier dargestellten Ausführungsbeispiel zum Verdampfer 75, um das in der Wasserzufuhrleitung 76 zugeführte Wasser für den Methanolsyntheseprozess zu verdampfen. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel kommt das Wasser von einer Wasserversorgung 21 mit für beide Verfahren gemeinsamer Wasservorbehandlung 2, bevorzugt einem Ionenaustauscher.
Für das im Methanolsynthesereaktor 7 entstehende Methanol-Wasser-Gemisch ist eine Syntheseleitung 73 vorgesehen, die zum Tank 70 führt und somit den Prozesslauf schließt. Ferner ist am Methanolsynthesereaktor 7 ein Entgasungsventil 77 für überschüssigen Sauerstoff, der bei der Methanolsynthese aus Wasser und CO₂ entsteht, vorgesehen. Am Tank 70 ist ferner ein Überlauf für das Methanol-Wasser-Gemisch vorgesehen, der zu einer Methanol-Verwertung 78 führt.
Für das Verständnis der Gesamtanordnung mit zwei kombinierten Verfahren wird auch die Anordnung zur Herstellung von Deuterium reduziertem Wasser mittels HHO-Gas-Verbrennung hinsichtlich seiner Komponenten und dem Verfahrensablauf sowie den Verknüpfungspunkten mit dem Methanolsyntheseverfahren bezugnehmend auf 1 nachfolgend beschrieben.
In der Elektrolysevorrichtung 1 wird mittels Gleichstromelektrolyse, gespeist von einer Netzstromversorgung 11 HHO-Gas erzeugt und einem HHO-Gasverteiler 12 zugeführt. Hier wird das HHO-Gas auf drei HHO-Gasleitungen 13 zur Versorgung von HHO-Gasdüsen 14 aufgeteilt und nötigenfalls im Volumenstrom geregelt.
Das in die HHO-Gasdüsen 14 strömende HHO-Gas wird über nicht dargestellte elektrische Zündanlagen gezündet und im Verbrennungsraum 41 des Reaktors 4 verbrannt. Dabei wird die Flamme auf einen Katalysator 40 gerichtet. Der Katalysator 40 besteht aus Metalloxiden, insbesondere Al₂O₃ in pulverförmigem, kristallinem Zustand. Der Katalysator 40 lässt ein Plasma mit einer Temperatur von ca. 2800°C bis 3500°C entstehen.
Eine Katalysatorträgerplatte 42 im Verbrennungsraum 41 wird mit dem darauf aufliegenden Katalysator 40 durch eine Dreh- und Hubeinrichtung 43 mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 3 U/min gedreht, um die gesamte freie Oberfläche des Katalysators 40 von der HHO-Gasflamme zu überstreichen, so dass eine intensive und gleichmäßige Plasmabildung entsteht. Ferner wird der Verbrennungsvorgang des HHO-Gases in dem Verbrennungsraum 41 dabei durch die Höhenverstellbarkeit der Katalysatorträgerplatte 42 über die Dreh- und Hubeinrichtung 43, die Frischluftzufuhr und ggf. durch zusätzliches Eindüsen von Wasser geregelt.
Gleichzeitig strömt Frischluft 31, die über einen Lüfter 3, einen Ringraum 32 und Luftzufuhröffnungen 33 unmittelbar im Bereich der HHO-Gasdüsen 14 zugeführt wird, in den Verbrennungsraum 41 und bildet um das Plasma eine Frischluftumhüllung, die die Wandungen des Verbrennungsraumes 41 vor Überhitzung schützt und bei weiterer Verwirbelung des Plasmas mit der Frischluft 31 zu einer insgesamt abgekühlten Abluft mit einer Temperatur von < 600°C führt. Diese Abluft wird in einem Abluftkanal 45 dann dem Wärmetauscher 5 zugeführt. Im Wärmetauscher 5 wird die Abluft mittels einer Zirkulationsleitung 52 mit einem Wärmeträgermedium abgeführt. Die Zirkulationsleitung 52 führt im hier dargestellten Ausführungsbeispiel zum Dampfreformierreaktor 8 und liefert dort die erforderliche Prozesswärme von mindestens 180°C bis 320°C, um die endotherme, katalytische Reaktion mit Hilfe des ersten Katalysators 81 zu bewirken. Dabei wird das über die Methanol-Wasser-Gemisch-Zuleitung 82 zugeführte Gemisch in dem Dampfreformierreaktor 8 vergast und entsprechend der auf Seite 1 aufgeführten Formel (1) in Wasserstoff und Kohlendioxid reformiert.
Dieses Gasgemisch wird über die Gasleitung 83 dem Gastrennungsmittel 84 zugeführt, wobei die beiden Gase in zwei artenrein getrennte Ströme separiert werden. Das reine Wasserstoff-Gas wird über die H₂-Zufuhrleitung 91 der Brennstoffzelle 9 zugeführt. Um den für den Betrieb der Brennstoffzelle 7 erforderlichen Sauerstoff zuführen zu können, wird nun ein „Abfallprodukt“ des parallel laufenden HHO-Gas-Verbrennungsverfahrens verwendet, nämlich die Abluft bzw. ein Teilstrom der Abluft aus der Abluftführung 53, die nach der Verbrennung über den Abluftkanal 45 und den Wärmetauscher 5 geführt wird. In diesem Wärmetauscher wird durch Kühlung der Abluft aus der Plasma-HHO-Gas-Verbrennung Deuterium reduziertes Reaktionswasser kondensiert, das ein wesentliches Herstellungsprodukt dieses Vorganges ist. Dieses entstehende Reaktionswasser hat einen deutlich reduzierten Deuteriumgehalt < 80 ppm. Dieses Kondensat wird über die Kondensatleitung 61 der Filter- und Dosierstation 62 zugeführt. Zusätzlich kann in der Filter- und Dosierstation 62 eine Zudosierung von Mineralien und Spurenelemente zum Reaktionswasser erfolgen, um das Deuterium reduzierte Wasser für die Ernährung, Therapie- oder Heilungsunterstützung optimal verwenden zu können. Die verbleibende Abluft besteht im Wesentlichen aus Sauerstoff und einer Restfeuchte.
Optional kann zusätzlich im Verbrennungsraum 41 vollständig entsalzenes Wasser verwendet werden, das über die Wasservorbehandlung 2, insbesondere mittels Ionenaustauscher, und einem Wasserverteiler 22 mit Taktsteuerung über Wasserdüsen 24 direkt im Bereich des Plasmas eingespritzt wird. Durch die zusätzliche Wassereinspritzung wird ein größerer Ertrag des Deuterium reduzierten Wassers erreicht. Neben einer zusätzlichen Wasserstoffgewinnung und einer damit einhergehenden Plasmastabilisierung kann die Wassereinspritzung zum zusätzlichen Kühlen des Reaktors 4 verwendet werden, falls in der Verbrennungsüberwachung im Verbrennungsraum 41 übermäßig hohe Temperaturen entstehen sollten. Die Temperaturüberwachung wird dabei bevorzugt über ein Pyrometer durchgeführt, um eine reaktionsschnelle und berührungslose Temperaturmessung sicherzustellen. Durch die beschriebenen Regelmöglichkeiten bei der HHO-Verbrennung kann das ionisierte Plasma atmen, so dass die Abluft im Bereich des Abluftkanals 45 vor Eintritt in den Wärmetauscher 5 bereits unter 600°C abgekühlt ist.
Interessanterweise wird bei der Verbrennung des HHO-Gases im Plasma neben der elektrolytisch vorher aufgespalteten Wassermenge zusätzlich Wasser gebildet, das offensichtlich von der in der Frischluft 31 zugeführten Luftfeuchtigkeit herrührt. Ferner wird davon ausgegangen, dass in der Frischluft 31 enthaltene Stoffe, wie Stickstoff, Edelgase und Kohlendioxid in dem Plasma aufgeschlossen werden, wobei nicht klar ist, was mit diesen Stoffen genau passiert, ob diese aufgespalten, umgewandelt oder angelagert werden. Dies bedarf noch einer wissenschaftlichen Untersuchung. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass sich der Kohlenstoff im Katalysator 40 anreichert und der Sauerstoff zusammen mit dem Reaktionswasserdampf die Abluft bildet. Der gemessene Sauerstoffgehalt in der Abluft beträgt 18 % bis 20,5 %. Der Rest besteht aus dem Reaktionswasserdampf und ist im Rahmen der Messgenauigkeit emissionsfrei, wobei der Reaktionswasserdampf weitgehend durch Kondensation abgeschieden und das Herstellungsprodukt Deuterium reduziertes Wasser bildet. Der in dem Katalysator 40 aufgenommene Kohlenstoff führt zur Edelsteinbildung unter den extremen Bedingungen im Plasma. Daher sollte der Katalysator 40 von Zeit zu Zeit, beispielsweise ein bis zweimal jährlich ausgetauscht werden. Grundsätzlich verbraucht sich der Katalysator 40 aus Metalloxiden, insbesondere Al₂O₃, nicht in dem Verbrennungsprozess. Der Verfahrensablauf kann somit neben der Produktion von Deuterium reduziertem Wasser auch zur Produktion von Edelsteinen und damit zur CO₂ Reduzierung herangezogen werden.
Bezugszeichenliste

1: Elektrolysevorrichtung
11: Stromversorgung
12: HHO-Gasverteiler
13: HHO-Gasleitung
14: HHO-Gasdüse
2: Wasservorbehandlung, Ionenaustauscher
21: Wasserversorgung
22: Wasserverteiler, Taktsteuerung
23: Wasserleitung
24: Wassereinspritzdüse
3: Lüfter
31: Frischluft
32: Ringraum
33: Luftzufuhröffnung
4: Reaktor
40: Katalysator
41: Verbrennungsraum
42: Katalysatorträgerplatte
43: Dreh- und Hubeinrichtung
44: Antriebsmittel
45: Abluftkanal
5: Wärmetauscher
52: Zirkulationsleitung
53: Abluftführung
6: Aufbereitung für Deuterium reduziertes Wasser
61: Kondensatleitung
62: Filter- und Dosierstation
63: Abfüllleitung
7: Methanolsynthesereaktor
70: Methanol-Wasser-Tank
71: Mischdüse
72: zweiter Katalysator
73: Syntheseleitung
74: Wärmeträgerkreislauf
75: Verdampfer
76: Wasserzufuhrleitung
77: Entgasungsventil
78: Methanol-Verwertung
8: Dampfreformierreaktor
81: erster Katalysator
82: Methanol-Wasser-Gemisch-Zuleitung
83: Gasleitung
84: Gastrennungsmittel
85: CO₂-Leitung
86: CO₂-Abscheideanlage
9: Brennstoffzelle
91: H₂-Zufuhrleitung
92: O₂-Zufuhrleitung
93: Wasserableitung
94: Stromleitung
Z: Zylinderachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3790505 [0002]
DE 69808983 T2 [0002, 0004, 0017, 0026]

Claims

Verfahren zur Methanolsynthese mit den Schritten: - Bereitstellen eines flüssigen Gemisches aus Methanol und Wasser; - katalytische Reformierung des Gemisches aus Methanol und Wasser unter Wärmezufuhr zu 3H₂ und CO₂; - Trennung von H₂ und CO₂ in zwei artenreine Gasströme; - Zuführen des so gewonnenen Wasserstoffs zusammen mit Sauerstoff zu einer Brennstoffzelle (9); - Umsetzen des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in der Brennstoffzelle (9) zu Reaktionswasser bei Abgabe elektrischer Energie; - während parallel zur Wasserstoffverarbeitung das so gewonnene CO₂ mit neu zugeführtem H₂O vermischt und katalytisch zu einem Gemisch aus Methanol und Wasser unter Wärmeabgabe synthetisiert und wieder dem ersten Verfahrensschritt zugeführt wird.
Verfahren zur Methanolsynthese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das so gewonnene H₂, das CO₂ und/oder der Sauerstoff komprimiert und zwischengespeichert werden.
Verfahren zur Methanolsynthese nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vermischen des so gewonnenen CO₂ mit dem neu zugeführtem H₂O zusätzlich 1% bis 10%, insbesondere 2% bis 3% CO₂ von einer neuen Quelle zugeführt wird, wobei die Rekombination bei Temperaturen von 250°C bis 350°C erfolgt und überschüssiges Methanol-Wasser-Gemisch für eine andere Verwertung abgezogen wird.
Verfahren zur Methanolsynthese nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das neu zugeführte CO₂ durch Absorption aus der Umgebungsluft herausgefiltert und der Methanolsynthese zugeführt wird.
Verfahren zur Methanolsynthese nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem überschüssigen Methanol-Wasser-Gemisch das Methanol abgetrennt und zu Propylen und/oder synthetischen Kraftstoffen umgewandelt wird.
Verfahren zur Methanolsynthese nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zusammen mit einem Verfahren zur Herstellung von Deuterium reduziertem Wasser durchgeführt wird, bei dem aus einer Elektrolyse gewonnenes HHO-Gas in einem Reaktor (4) eingedüst und gezündet und in Gegenwart von Metalloxiden als Katalysator (40) bei Temperaturen von 2800°C bis 3500°C in einem Plasma zu entstehendem Reaktionswasser umgesetzt wird, wobei Luft dem Verbrennungsofen zugeführt wird, die Luft das Plasma umgibt und somit das Plasma gekühlt wird und anschließend das Plasma nach der Verbrennung als Abluft abgekühlt und das darin befindliche Reaktionswasser kondensiert und aufgefangen wird, wobei die Wärme aus der HHO-Gas-Verbrennung für die katalytische Aufspaltung des Gemisches aus Methanol und Wasser verwendet wird.
Verfahren zur Methanolsynthese nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionswasser aus der Brennstoffzelle (9), das einen reduzierten Deuteriumgehalt von < 140 ppm, bevorzugt < 80 ppm, hat, dem Deuterium reduzierten Wasser aus der HHO-Gas-Verbrennung zugeführt wird.
Verfahren zur Methanolsynthese nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abluft aus der HHO-Gas-Verbrennung, die im Wesentlichen aus Sauerstoff besteht, der Brennstoffzelle (9) zugeführt wird.
Verfahren zur Methanolsynthese nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Brennstoffzelle (9) erzeugte elektrische Energie zur Elektrolyse von Wasser in HHO-Gas verwendet wird.
Anordnung zur Methanolsynthese, bei der ein Gemisch aus Methanol und Wasser in einem Tank (70) bevorratet ist, wobei ein Dampfreformierreaktor (8) mit einem ersten Katalysator (81) vorgesehen ist, in dem das Gemisch aus Methanol und Wasser unter Wärmezufuhr zu 3H₂ und CO₂ reformiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gastrennungsmittel (84) vorgesehen ist, das das reformierte 3H₂ und CO₂-Gasgemisch in je eine Leitung (85, 91) separiert, und stromabwärtig der H₂-Zufuhrleitung (91) eine Brennstoffzelle (9) und stromabwärtig der CO₂-Leitung (85) ein Methanolsynthesereaktor (7) mit einem zweiten Katalysator (72) angeordnet sind, wobei eine Wasserzufuhrleitung (76) zum Methanolsynthesereaktor (7) sowie eine Syntheseleitung (73) vom Methanolsynthesereaktor (7) zum Tank (70) vorgesehen sind, sodass im Methanolsynthesereaktor (7) CO₂ und H₂O unter Einfluß des zweiten Katalysators (72) zum CH₃OH und H₂O Gemisch unter Abgabe von Wärme synthetisiert wird.
Anordnung zur Methanolsynthese nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gastrennungsmittel (84) eine Nanoporenmembran hat, durch die CO₂-Moleküle von den H₂-Molekülen trennbar ist.
Anordnung zur Methanolsynthese nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (9) eine alkalische Brennstoffzelle (9) mit KOH-Elektrolyt ist.
Anordnung zur Methanolsynthese nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Methanolsynthesereaktor (7) eine Mischstrecke mit einer Mischdüse (71) hat, über die das Kohlendioxid und das Wasser vermischt wird, wobei das Wasser als Dampf vorliegt und am Methanolsynthesereaktor (7) ein Wärmeträgerkreislauf (74) zur Wärmeabfuhr vorgesehen ist.
Anordnung zur Methanolsynthese nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft eine CO₂-Abscheideanlage (86) vorgesehen ist.
Anordnung zur Methanolsynthese nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Katalysator (81, 72) Metalloxide enthält.
Anordnung zur Methanolsynthese nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Katalysator (81, 72) aus CuO, ZnO und Al₂O₃ bestehen mit einem Gewichtsverhältnis von 50 bis 80 Gew. % CuO, 12 bis 40 Gew. % ZnO und 5 bis 15 Gew. % Al₂O₃.
Anordnung zur Methanolsynthese nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus Methanol und Wasser ein Mischungsverhältnis von 70% bis 60% CH₃OH zu 30% bis 40% H₂O, insbesondere 68% CH₃OH zu 32% H₂O hat.