ES2849551T3 - Reactor de metanización para hacer reaccionar el hidrógeno con al menos un compuesto a base de carbono y producir metano y agua - Google Patents

Reactor de metanización para hacer reaccionar el hidrógeno con al menos un compuesto a base de carbono y producir metano y agua Download PDF

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Abstract

Procedimiento (20) de metanización para hacer reaccionar dihidrógeno en forma gaseosa con al menos un compuesto a base de carbono en forma gaseosa y producir metano, que incluye: - una etapa (210) de entrada de cada compuesto a base de carbono y dihidrógeno en un cuerpo (105) hueco configurado para recibir un lecho fluidizado de partículas catalíticas (106), - una etapa (215) de reacción de metanización entre el hidrógeno y cada compuesto a base de carbono y - una etapa (220) de salida de metano y agua; caracterizado porque incluye, además: - una etapa (205) de inyección de agua de enfriamiento en fase líquida en el lecho fluidizado durante la etapa de reacción de metanización, - una etapa de captura de temperatura en el reactor y - una etapa de regulación del flujo de agua introducido en el cuerpo hueco con base en la temperatura medida a lo largo de la etapa de captura de temperatura.

Description

DESCRIPCIÓN
Reactor de metanización para hacer reaccionar el hidrógeno con al menos un compuesto a base de carbono y producir metano y agua
Campo técnico de la invención
La presente invención está dirigida a un reactor de metanización para hacer reaccionar el hidrógeno con un compuesto a base de carbono y producir metano. Se aplica especialmente a la metanización industrial y a la cogeneración de energía térmica y de metano.
Estado de la técnica
La metanización es un procedimiento industrial de conversión catalítica del hidrógeno y del monóxido o del dióxido de carbono en metano.
Según la naturaleza del compuesto a base de carbono, la fórmula de la reacción de metanización cambia. Esta fórmula es, según el caso:
CO 3 H2 ^ CH4 + H2O
CO2 + 4 H2 ^ CH4 + 2 H2O
Con el fin de optimizar los rendimientos de esta reacción, se coloca un lecho de catalizador en un reactor en el cual tiene lugar la reacción. Este lecho puede ser fijo o fluidizado. Como la reacción de metanización es altamente exotérmica, genera importantes necesidades de evacuación de calor y, por lo tanto, de enfriamiento del reactor. Un lecho de catalizador fluidizado permite homogeneizar la temperatura de la zona reactiva. Finalmente, la cinética de esta reacción a las temperaturas habitualmente aplicadas es elevada, requiriendo, de hecho, una masa baja de catalizador.
En los sistemas actuales con lechos fijos, denominados «Throughwall Cooled Reactor» (traducido en francés como «Reactor enfriado a través de las paredes»), se realiza un intercambio térmico a través de las paredes del reactor enfriadas por un fluido de enfriamiento. Sin embargo, las superficies requeridas para realizar el intercambio térmico son importantes y los costes de fabricación del reactor son elevados.
En los sistemas actuales con lechos fluidizados, uno o más intercambiadores de calor están sumergidos en el lecho fluidizado en el interior del reactor. Entonces, se pone en circulación en estos intercambiadores, por ejemplo, agua, vapor de agua o aceite térmico. Los coeficientes de intercambio térmico entre la pared del intercambiador y el lecho fluidizado son muy importantes, del orden de los coeficientes de intercambio térmico entre un líquido y una pared. Sin embargo, la utilización de aceites térmicos solo es posible hasta temperaturas de reacción del orden de 380°C a 400°C. Además, en estos sistemas, el tamaño del reactor depende del tamaño ocupado por cada intercambiador que se va a sumergir en el lecho fluidizado. Estos sistemas generan un coste de fabricación y una utilización de espacio no optimizado del reactor. Además, la eficacia de los intercambios de calor entre el lecho y el fluido de enfriamiento depende en gran medida de las condiciones de fluidización.
En los sistemas actuales con lechos fijos o con lechos fluidizados, la inyección de vapor en mezcla con el hidrógeno y el compuesto a base de carbono permite limitar la forma de un depósito de carbono en forma de coque sobre el catalizador, una de cuyas consecuencias es una desactivación prematura del catalizador. Finalmente, los catalizadores de metanización están constituidos preferencialmente, al menos en parte, de níquel, corriendo la reacción de metanización el riesgo de provocar la formación de carbonilo, un compuesto altamente tóxico, al contacto con paredes llevadas a una temperatura inferior a 260°C, lo que complica el sistema de enfriamiento.
Se conocen los documentos WO2012/035881, US4312741 y DE2506199. Las enseñanzas de estos documentos no permiten realizar un enfriamiento de un reactor de metanización limitando la formación de coque o carbonilo en el reactor.
En particular, el documento WO2012/035881 describe un reactor con entradas y salidas susceptibles de implementar una reacción de metanización. Sin embargo, este reactor no incluye entrada para inyección de agua en el reactor con el fin de enfriar la reacción química.
El documento US4312741 describe un reactor de metanización. Sin embargo, este reactor no incluye entrada para agua en fase líquida en el reactor.
El documento DE2506199 describe un reactor de metanización con una entrada de agua por encima de un lecho catalítico contenido en el reactor. Este sistema presenta el inconveniente de no limitar la formación de coque o carbonilo en el reactor durante la inyección de agua.
Objeto de la invención
La presente invención pretende remediar todos o parte de estos inconvenientes.
A este efecto, la presente invención está dirigida, según un primer aspecto, a un reactor de metanización para hacer reaccionar dihidrógeno con al menos un compuesto a base de carbono y producir metano según la reivindicación 10.
Aunque la introducción, en el lecho fluidizado del reactor, de un producto de la reacción, además de los reactivos, es, en principio, lo contrario de lo que los expertos en la técnica realizan para obtener un buen rendimiento de la reacción, los inventores han determinado que esta introducción es favorable en términos de control de la temperatura en el reactor, dimensiones del reactor, complejidad del reactor, coste de fabricación y mantenimiento del reactor en la medida donde este reactivo se introduzca en fase líquida. Esta introducción también permite reducir, o incluso eliminar la producción de carbonilo. Finalmente, esta introducción permite limitar la formación de coque en la superficie de catalizador; el agua inyectada es vaporizada al contacto con el lecho caliente.
Gracias a las características del reactor objeto de la presente invención, el tamaño del reactor se puede definir con base en la cantidad de lecho catalítico que va a contener para asegurar la conversión del hidrógeno y del compuesto a base de carbono. Además, el agua introducida es utilizada por la reacción de metanización a través de la reacción denominada como «Water Gas Shift» (traducido al francés como «Reacción del gas al agua») en la cual el monóxido de carbono y el agua dan dióxido de carbono y dihidrógeno. Finalmente, estas disposiciones permiten obtener, a la salida del reactor, una composición molar en agua de la mezcla de vapor de agua y metano superior a 50%.
En los modos de realización, la entrada de cada compuesto a base de carbono y dihidrógeno es realizada en el lecho.
Estos modos de realización permiten aumentar los rendimientos de la reacción entre cada compuesto a base de carbono y dihidrógeno en el catalizador. La entrada de agua en el lecho permite enfriarlo sin riesgo de que se formen carbonilos al contacto con las paredes.
En los modos de realización, la entrada de agua está más cerca de la base del cuerpo hueco que la entrada de cada compuesto a base de carbono y dihidrógeno.
Estos modos de realización permiten evitar el depósito de coque sobre el catalizador.
En los modos de realización, cada compuesto a base de carbono es un gas, el reactor comprende al menos una boquilla de inyección de agua y al menos una boquilla de inyección de un gas que comprende el gas a base de carbono y dihidrógeno, estando al menos una boquilla de inyección de agua posicionada debajo de al menos una boquilla de inyección de gas.
Estos modos de realización, permiten una inyección optimizada de gas y agua en el cuerpo hueco del reactor.
El reactor objeto de la presente invención incluye un medio de condensación de vapor de agua presente después de la salida de metano y agua.
Estos modos de realización permiten separar, por condensación, el agua del metano después de la salida de metano. Además, estos modos de realización permiten la recuperación de agua condensada.
El reactor objeto de la presente invención incluye un circuito de transporte del agua condensada hasta la entrada de inyección de agua de enfriamiento.
Estos modos de realización permiten realizar un reciclado del agua creada por la reacción de metanización para enfriar esta reacción.
En los modos de realización, el reactor objeto de la presente invención incluye, después de la salida de metano y agua, un medio de separación gas-sólido.
Estos modos de realización permiten asegurar que el metano y el agua que salen del dispositivo estén en fase gaseosa y evitar la presencia de sólidos a la salida del dispositivo, como por ejemplo partículas del lecho catalítico.
El reactor objeto de la presente invención incluye un sensor de temperatura en el reactor y un medio de regulación del flujo de agua introducido en el cuerpo hueco con base en la temperatura medida por el sensor de temperatura.
Estos modos de realización permiten optimizar la temperatura de reacción de manera que se obtenga un rendimiento óptimo de metano con base en el compuesto a base de carbono introducido en el reactor.
En los modos de realización, el reactor objeto de la presente invención incluye después de la salida de metano y agua, un intercambiador de calor configurado para enfriar el metano y el agua y para cogenerar la energía térmica a lo largo del intercambio de calor realizado.
Estos modos de realización permiten cogenerar la energía térmica y el metano, a partir de la mezcla de vapor de agua y de metano a la salida del cuerpo hueco.
En los modos de realización, la cantidad de agua introducida en el cuerpo hueco a través de la entrada de inyección de agua es superior al 75% de la cantidad de agua que sale del cuerpo hueco. Por tanto, el enfriamiento debido al agua introducida es particularmente importante.
Según un segundo aspecto, la presente invención se dirige a un procedimiento de metanización para hacer reaccionar dihidrógeno con al menos un compuesto a base de carbono y producir metano según la reivindicación 1.
Siendo las ventajas, objetivos y características particulares de este procedimiento similares a las del reactor de metanización objeto de la presente invención, no se recuerdan aquí.
Breve descripción de las figuras
Otras ventajas, objetivos y características particulares de la invención volverán a salir de la descripción no limitativa que sigue de al menos un modo de realización particular del reactor de metanización y del procedimiento de metanización objeto de la presente invención, con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:
- La Figura 1 representa, esquemáticamente, un modo de realización particular del reactor de metanización objeto de la presente invención y
- La Figura 2 representa, en forma de un diagrama de flujo, las etapas de un modo de realización particular del procedimiento de metanización objeto de la presente invención.
Descripción de ejemplos de realización de la invención
La presente descripción se da a título no limitativo.
Se observa, a partir de este momento, que la Figura 1 no está a escala.
Se observa en la Figura 1, un modo de realización particular del reactor 10 objeto de la presente invención. Este reactor 10 incluye:
- un cuerpo 105 hueco configurado para recibir un lecho fluidizado de partículas catalíticas 106 y que incluye al menos una boquilla 110 de inyección de un compuesto a base de carbono y dihidrógeno, y al menos una boquilla 120 de inyección de agua de enfriamiento,
- una salida 115 de metano y agua,
- un medio 135 de separación gas-sólido del metano resultante de la reacción de metanización,
- un intercambiador 145 de calor configurado para enfriar el metano y el agua y para cogenerar la energía térmica a lo largo del intercambio de calor realizado,
- un medio 125 de condensación de vapor de agua presente después de la salida 115 de metano,
- un circuito 130 de transporte de agua condensada hasta una boquilla 120 de inyección de agua de enfriamiento y
- un medio 140 de regulación del flujo de agua introducido en el cuerpo 105 hueco con base en la temperatura medida en el reactor 10 por un sensor 107 de temperatura.
El cuerpo 105 hueco es, por ejemplo, un cilindro de revolución metálico cerrado en sus extremos. Este cuerpo 105 hueco está parcialmente lleno de un lecho de catalizador fluidizado. Por efecto de la pesadez, este catalizador se sitúa cerca de la base del cuerpo 105 hueco. Este cuerpo 105 hueco incluye al menos una boquilla 110 de inyección del compuesto a base de carbono y dihidrógeno permitiendo la introducción en el lecho fluidizado del compuesto a base de carbono y dihidrógeno. Preferencialmente, el compuesto a base de carbono es monóxido o dióxido de carbono en forma gaseosa.
Además, este cuerpo 105 hueco incluye al menos una boquilla 120 de inyección de agua de enfriamiento. La salida de cada boquilla 120 de inyección de agua de enfriamiento está preferencialmente más cerca de la base del cuerpo 105 hueco que la salida de cada boquilla 110 de inyección del compuesto a base de carbono. De esta manera, el agua inyectada es llevada muy rápidamente al estado de vapor durante el contacto con el lecho fluidizado absorbiendo un calor latente de cambio de estado. Siendo realizada la mayor parte del intercambio de calor entre el agua inyectada y el lecho fluidizado cerca de la boquilla 120 de inyección de agua de enfriamiento, la temperatura del lecho fluidizado al nivel de la boquilla 110 de inyección del compuesto a base de carbono es superior a 260°C, lo que reduce, por medio de eliminación, la formación de carbonilo.
Preferencialmente, la cantidad de agua introducida por las boquillas 120 de inyección de agua es superior al 75% de la cantidad de agua que sale del cuerpo hueco, más preferencialmente superior al 80% e, incluso más preferencialmente, superior al 85%. La inyección de agua, a través de las boquillas 120 de inyección, es preferencialmente realizada directamente en el lecho fluidizado contenido en el cuerpo 105 hueco.
Este cuerpo 105 hueco incluye, finalmente, una salida 115 de metano y vapor de agua que desemboca en una canalización 116. Esta canalización conduce el metano y el vapor de agua a un medio 135 de separación gas-sólido del metano que sale. Este medio 135 de separación gas-sólido es, por ejemplo, un filtro configurado para retener partículas finas de catalizador que pueden ser transportadas por el metano y/o vapor de agua.
Este reactor 10 incluye, además, después del medio 135 de separación gas-sólido, un intercambiador 145 de calor configurado para enfriar el metano y el agua y para cogenerar la energía térmica a lo largo del intercambio de calor realizado. Este intercambiador 145 es, por ejemplo, un intercambiador de tubos en U. En las variantes, este intercambiador 145 es un intercambiador entre:
- intercambiador de haz tubular horizontal,
- intercambiador de haz tubular vertical,
- intercambiador de espirales,
- intercambiador de placas,
- intercambiador de bloques e
- intercambiador de aletas.
Este reactor 10 incluye, además, después del intercambiador 145 de calor, un medio 125 de condensación de vapor de agua. Este medio 125 de condensación es, por ejemplo, un condensador con fluidos separados. En las variantes, este medio 125 de condensación es un condensador con contacto directo entre un fluido que enfría y el vapor a condensar. En otras variantes, este medio 125 de condensación es un intercambiador de calor de calandria o de haces tubulares. En estas variantes, el intercambiador 145 y el medio 125 de condensación se combinan en un solo dispositivo. El metano, no condensado, sale mediante una canalización 117.
En las variantes, después del medio 125 de condensación, el reactor 10 incluye el circuito 130 de transporte del agua condensada, en la cual una parte es evacuada a través de una canalización 118 de salida y una parte es transportada hasta las boquillas 120 de inyección de agua de enfriamiento mediante la implementación de una bomba 132. Por tanto, la proporción de agua reciclada es del mismo orden de magnitud que el flujo de condensación, es decir del orden de 85% a 95% según la temperatura del medio de condensación.
El reactor 10 incluye, además, un medio 140 de regulación del flujo de agua introducido en el cuerpo 105 hueco con base en la temperatura medida en el lecho presente en el reactor 10, por el sensor 107 de temperatura. El medio 140 de regulación es, por ejemplo, una compuerta controlada de manera neumática o electrónica por un circuito electrónico (no representado). Este circuito electrónico recibe una información representativa de la temperatura en el interior del cuerpo 105 hueco y acciona la válvula con base en la información recibida para que el flujo de agua introducido en el cuerpo hueco sea una función creciente de la temperatura medida. Por tanto, se realiza un bucle de sometimiento de la temperatura en el interior del lecho fluidizado de catalizador del cuerpo 105 hueco.
Se observa, en la Figura 2, un diagrama de flujo de etapas de un modo de realización particular del procedimiento 20 de metanización objeto de la presente invención. Este procedimiento 20 incluye:
- una etapa 205 de inyección de agua, en fase líquida, de enfriamiento en un lecho fluidizado contenido en un cuerpo hueco durante una etapa 215 de reacción de metanización,
- una etapa 210 de entrada del compuesto a base de carbono e hidrógeno en el cuerpo hueco configurado para recibir un lecho fluidizado de partículas catalíticas,
- una etapa 215 de reacción de metanización entre el hidrógeno y el compuesto a base de carbono para producir metano y agua,
- una etapa 225 de medición de temperatura en el interior del cuerpo hueco y
- una etapa 220 de salida de metano y agua.
La etapa 205 de inyección de agua de enfriamiento en el cuerpo hueco se realiza, por ejemplo, mediante la implementación de boquillas de inyección de agua de enfriamiento, que inyectan el agua al nivel de un lecho de catalizador fluidizado contenido en el cuerpo hueco.
La etapa 210 de entrada del compuesto a base de carbono e hidrógeno en el cuerpo hueco se realiza, por ejemplo, mediante la implementación de boquillas de inyección de monóxido o dióxido de carbono y dihidrógeno. Estas boquillas de inyección inyectan el gas por encima de al menos una, y preferencialmente todas las boquillas de inyección de agua de enfriamiento.
La etapa 220 de salida de metano y agua se realiza, por ejemplo, mediante la implementación de una canalización cuya entrada se sitúa en una parte superior del cuerpo hueco.
La medición de temperatura en el interior del cuerpo hueco realizada a lo largo de la etapa 225 se utiliza para el sometimiento del flujo de agua introducido en el cuerpo hueco a lo largo de la etapa 205, siendo este flujo una función creciente de la temperatura en el interior del cuerpo hueco.
Las diferentes etapas representadas en la Figura 2 son realizadas de forma permanente y simultáneamente durante el funcionamiento nominal del reactor. Preferencialmente, el agua introducida en el cuerpo hueco a lo largo de la etapa 205 es del agua resultante de la reacción enfriada por un condensador y, opcionalmente, un intercambiador de calor o un dispositivo que combina la funcionalidad de un condensador y de un intercambiador de calor.
Como se entenderá con la lectura de la descripción anterior, la presente invención permite reducir el tamaño de un reactor de metanización. En efecto, la inyección de agua directamente en el medio de reacción permite no tener que recurrir a un intercambiador de calor cuyas superficies de intercambio por utilizar sean importantes. Además, el agua inyectada es utilizada dentro del reactor a través de la fórmula de reacción del gas al agua con el fin de asegurar la presencia de dihidrógeno en la reacción de metanización. Además, la presencia de un medio de condensación del agua después de la salida de metano y agua permite reciclar el agua producida naturalmente por la reacción de metanización para enfriar la reacción en un momento posterior. Finalmente, la temperatura en el interior del reactor se somete por introducción de agua según una función creciente de la temperatura medida en el reactor, y la producción de carbonilo puede ser minimizada.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento (20) de metanización para hacer reaccionar dihidrógeno en forma gaseosa con al menos un compuesto a base de carbono en forma gaseosa y producir metano, que incluye:
- una etapa (210) de entrada de cada compuesto a base de carbono y dihidrógeno en un cuerpo (105) hueco configurado para recibir un lecho fluidizado de partículas catalíticas (106),
- una etapa (215) de reacción de metanización entre el hidrógeno y cada compuesto a base de carbono y
- una etapa (220) de salida de metano y agua;
caracterizado porque incluye, además:
- una etapa (205) de inyección de agua de enfriamiento en fase líquida en el lecho fluidizado durante la etapa de reacción de metanización,
- una etapa de captura de temperatura en el reactor y
- una etapa de regulación del flujo de agua introducido en el cuerpo hueco con base en la temperatura medida a lo largo de la etapa de captura de temperatura.
2. Procedimiento (20) de metanización según la reivindicación 1, en el cual a lo largo de la etapa (210) de entrada de cada compuesto a base de carbono y dihidrógeno, esta entrada es realizada en el lecho fluidizado de partículas catalíticas (106).
3. Procedimiento (20) de metanización según la reivindicación 2, en el cual a lo largo de la etapa (205) de inyección de agua, el agua es inyectada más cerca de la base del cuerpo (105) hueco que la entrada (110) de cada compuesto a base de carbono y dihidrógeno.
4. Procedimiento (20) de metanización según una de las reivindicaciones 2 o 3, en el cual cada compuesto a base de carbono es un gas, la etapa (210) de entrada de cada compuesto a base de carbono y dihidrógeno en un cuerpo (105) hueco es realizada a través de al menos una boquilla de inyección de gas y la etapa (205) de inyección de agua es realizada a través de una boquilla de inyección de agua posicionada debajo de al menos una boquilla de inyección del gas.
5. Procedimiento (20) de metanización según una de las reivindicaciones 1 a 4, que incluye una etapa de condensación de vapor de agua que sale del cuerpo (105) hueco a lo largo de la etapa (220) de salida de metano y agua.
6. Procedimiento (20) de metanización según la reivindicación 5, que incluye una etapa de inyección de agua condensada en el lecho fluidizado a lo largo de la etapa (205) de inyección de agua condensada.
7. Procedimiento (20) de metanización según una de las reivindicaciones 1 a 6, que incluye una etapa de separación gas-sólido después de la etapa (220) de salida de metano y agua.
8. Procedimiento (20) de metanización según una de las reivindicaciones 1 a 7, que incluye una etapa de intercambio de calor que enfría el metano y el agua y cogenera la energía térmica después de la etapa (220) de salida de metano y agua.
9. Procedimiento (20) de metanización según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el cual la cantidad de agua introducida en el cuerpo (105) hueco a lo largo de la etapa (205) de inyección de agua de enfriamiento en fase líquida es superior al 75% de la cantidad de agua que sale del cuerpo hueco a lo largo de la etapa (220) de salida de metano y agua.
10. Reactor (10) de metanización que implementa el procedimiento (20) de metanización según la reivindicación 6, haciendo reaccionar dihidrógeno en forma gaseosa con al menos un compuesto a base de carbono en forma gaseosa y producir metano, que incluye:
- un cuerpo (105) hueco configurado para recibir un lecho fluidizado de partículas catalíticas (106) y que comprende una entrada (110) de cada compuesto a base de carbono y dihidrógeno y
- una salida (115) de metano y agua,
caracterizado porque incluye, además:
- una entrada (120) de inyección de agua de enfriamiento en fase líquida en el lecho fluidizado,
- un sensor (107) de temperatura en el reactor,
- un medio (140) de regulación del flujo de agua introducido en el cuerpo hueco con base en la temperatura medida por el sensor de temperatura,
- un medio (125) de condensación de vapor de agua presente después de la salida (115) de metano y agua y - un circuito (130) de transporte de agua condensada hasta la entrada (120) de inyección de agua de enfriamiento.
11. Reactor (10) de metanización según la reivindicación 10, en el cual la entrada (110) de cada compuesto a base de carbono y dihidrógeno es realizada en el lecho (106).
12. Reactor (10) de metanización según la reivindicación 11, en el cual la entrada (120) de agua está más cerca de la base del cuerpo (105) hueco que la entrada (110) de cada compuesto a base de carbono y dihidrógeno.
13. Reactor (10) de metanización según una de las reivindicaciones 10 u 11, en el cual cada compuesto a base de carbono es un gas, el reactor comprende al menos una boquilla (120) de inyección de agua y al menos una boquilla (110) de inyección de un gas que comprende el gas a base de carbono y dihidrógeno, estando al menos una boquilla de inyección de agua posicionada debajo de al menos una boquilla de inyección del gas.
14. Reactor (10) de metanización según una de las reivindicaciones 10 a 13, que incluye, después de la salida (115) de metano y agua, un medio (135) de separación gas-sólido.
15. Reactor (10) de metanización según una de las reivindicaciones 10 a 14, que incluye después de la salida (115) de metano y agua un intercambiador (145) de calor configurado para enfriar el metano y el agua y para cogenerar la energía térmica a lo largo del intercambio de calor realizado.
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