ES2857804T3 - Sistema de síntesis de metano - Google Patents

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Clemens Einicke
Oguzhan Narin
Björn Brosch
Thomas Stetter
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Abstract

Sistema de síntesis de metano, que comprende - una línea de suministro común (1) conectada al menos a una fuente de óxido de carbono y a una fuente de hidrógeno, - un primer reactor de lecho (2) conectado o conectable de forma selectiva a la única línea de suministro común (1) y - una línea de descarga común (4), en donde el sistema comprende más de dos segundos reactores de lecho (3) conectables de forma selectiva a la única línea de suministro común (1), en donde el primer reactor de lecho (2) y más de dos segundos reactores de lecho (3) tienen cada uno una pared común (6), en donde el primer reactor de lecho (2) y los segundos reactores de lecho (3) comprenden un catalizador para mejorar la reacción de óxidos de carbono e hidrógeno a hidrocarburos.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de síntesis de metano
La presente invención se refiere a un sistema de síntesis de metano, que comprende una línea de suministro común al menos para óxido de carbono (como monóxido de carbono CO o dióxido de carbono CO2) e hidrógeno (H2), un reactor de lecho conectado a la única línea de suministro y una línea de descarga común.
En la técnica anterior se conocen sistemas de síntesis de metano con un solo reactor de lecho empacado. En tales reactores de lecho empacado, los catalizadores (tales como níquel o rutenio) para soportar la reacción de óxido de carbono e hidrógeno a hidrocarburos (es decir, metano y/o metanol) están fijados de manera estacionaria dentro del reactor. Como la reacción es exotérmica, el calor producido debe extraerse del reactor de lecho empacado, lo que generalmente se logra en múltiples etapas. Los sistemas conocidos suelen estar adaptados para un suministro constante de hidrógeno y óxidos de carbono, lo que hace que la síntesis de metano conocida sea inflexible, si el suministro de hidrógeno y óxidos de carbono cambia.
En particular, cuando el hidrógeno suministrado a los sistemas de síntesis de metano se va a producir por electrólisis usando un excedente de electricidad de fuentes de energía renovable, los sistemas de síntesis de metano deben operarse de una manera más flexible. En tal configuración, puede que no haya suministro de hidrógeno durante un cierto tiempo, mientras que el suministro de hidrógeno podría comenzar rápidamente a diferentes niveles. Por consiguiente, también debe proporcionarse un sistema de síntesis de metano que pueda funcionar rápidamente de manera que ahorre energía, cuando comience el suministro de hidrógeno y óxidos de carbono.
El documento US 2.489.347 divulga un método para la oxidación de hidrocarburos aromáticos. El documento US 3.360.867 divulga un sistema y un método para tratar materiales sólidos que se secarán o humectarán. El documento US 2.842.102 divulga una planta de generación de vapor.
Por consiguiente, es un objetivo de la invención evitar los inconvenientes de la técnica anterior y proporcionar un sistema de síntesis de metano, con el que un sistema de síntesis de metano puede operarse de manera más flexible, cuando el suministro de hidrógeno cambia y en particular cuando comienza el suministro de hidrógeno y óxidos de carbono.
El objetivo se logra mediante un sistema de síntesis de metano con las características de la reivindicación independiente. Las realizaciones ventajosas del sistema se describen en las reivindicaciones subordinadas y en la descripción, en donde las características individuales de las realizaciones ventajosas se pueden combinar entre sí de una manera técnicamente significativa.
El objetivo se consigue en particular con un sistema con las características descritas anteriormente, en donde el sistema comprende al menos un segundo reactor de lecho conectable de forma selectiva a la única línea de suministro.
La idea básica detrás de esta solución es proporcionar uno o más reactores de lecho adicionales que puedan conectarse de forma selectiva a la única línea de suministro común cuando aumente el suministro de óxidos de carbono e hidrógeno y que puedan desconectarse de forma selectiva de la única línea de suministro común cuando el suministro de óxidos de carbono e hidrógeno disminuya. De esta manera, el sistema se puede adaptar fácilmente a diferentes condiciones de suministro de CO2 e H2. Es importante que el sistema tenga una sola línea de suministro común, a través de la que se puede proporcionar una mezcla de al menos óxidos de carbono e hidrógeno. La corriente de gas proporcionada puede contener componentes adicionales además de los óxidos de carbono (tales como monóxido de carbono CO y/o dióxido de carbono CO2) e hidrógeno (H2).
El primer y al menos el un segundo reactor de lecho se pueden realizar como reactores de lecho empacado o como reactores de lecho fluidizado. Preferentemente, todos los reactores de lecho (el primero y todos los segundos) se realizan como reactores de lecho fluidizado. En un reactor de lecho fluidizado, los catalizadores (tales como por ejemplo, níquel y rutenio) para mejorar la reacción de óxidos de carbono e H2 a hidrocarburos (tal como metano (CH4) y/o metanol (CH3OH)) son proporcionados por partículas sólidas (material particulado) en el reactor, en donde la corriente de gas que comprende óxidos de carbono e H2 se introduce por el fondo, de modo que las partículas sólidas y el gas se comportan como un fluido. Los reactores de lecho fluidizado como tales se conocen de la técnica anterior. Mediante la denominada fluidización de las partículas sólidas, se mejora enormemente el contacto entre las partículas y el gas, por lo que se mejora la reacción y la transferencia de calor. Las partículas sólidas (que comprenden catalizadores) se proporcionan normalmente como relleno suelto dentro del reactor de lecho fluidizado. Dependiendo de la velocidad del gas proporcionado, el lecho fluidizado se puede realizar como lecho fluidizado estacionario, en burbujas o circulante. Los reactores de lecho fluidizado normalmente tienen un fondo fluidizado que tiene al menos una boquilla para proporcionar la corriente de gas y/o una placa de distribución de gas por encima del suministro de gas.
Para que empiece la reacción de CO2 e H2 , se debe proporcionar una temperatura de aproximadamente 200 °Celsius. Una vez que ha comenzado la reacción, no es necesario proporcionar energía adicional al reactor de lecho respectivo.
Por consiguiente, se sugiere que se proporcione al menos un calentador al menos para el primer reactor de lecho. El calentador está dispuesto de tal manera que se pueda calentar la corriente de gas (que comprende H2 y CO/CO2) a uno o todos los reactores de lecho o que se pueda calentar directamente el lecho empacado o el lecho fluidizado en el reactor de lecho.
En una realización se proporciona un solo calentador, que está dispuesto con relación a la única línea de suministro común delante del primero o delante de todos los reactores de lecho de manera que se pueda calentar la corriente de gas al primer reactor de lecho o toda la corriente de gas proporcionada. Al proporcionar un calentador e/a la línea de suministro común, solo es necesario un calentador para promover la reacción catalítica en todos los reactores de lecho (primero y segundos).
En una realización adicional, se puede proporcionar un calentador para cada reactor de lecho, de modo que todos los reactores de lecho estén provistos de un calentador y se puedan calentar por separado.
En otra realización adicional, se proporciona un solo calentador solo para el primer reactor de lecho. Al proporcionar solo un calentador para el primer reactor de lecho (fluidizado), es posible promover la reacción catalítica solo en el primer reactor de lecho, mientras que con el calor de la reacción catalítica exotérmica se calientan los reactores de lecho adicionales, de manera que la reacción catalítica en el reactor de lecho adicional (segundo) se puede promover sin un calentador adicional. Por consiguiente, la dimensión del calentador solo para un primer reactor de lecho puede ser menor.
Cuando se proporciona un calentador para un reactor de lecho específico, preferentemente el calentador está dispuesto en (cerca) de la entrada al reactor de lecho respectivo, de modo que la corriente de gas proporcionada al reactor de lecho respectivo desde la línea de suministro común se puede calentar de forma selectiva.
Preferentemente, el al menos un calentador es un calentador eléctrico.
Para que el calor de un reactor de lecho se transfiera a un segundo reactor de lecho, el primer reactor de lecho y al menos un segundo reactor de lecho tienen una pared común. Preferentemente, dos o más segundos reactores de lecho tienen cada uno una pared común con el primer reactor de lecho. De esta manera, la energía calorífica del primer reactor de lecho se puede transferir a múltiples segundos reactores de lecho. Cada pared común puede enfriarse por agua.
Para comenzar la operación del sistema de síntesis de metano, el primer reactor de lecho se puede conectar a la línea de suministro común, de manera que solo se suministren CO/CO2 e H2 al primer reactor de lecho, en donde el gas suministrado al primer reactor de lecho se calienta, con el fin de promover la reacción catalítica dentro del primer reactor de lecho. Una vez que la reacción catalítica ha comenzado en el primer reactor de lecho y/o cuando se proporciona un volumen de H2/CO2 a través de la línea de suministro común, que excede la capacidad del primer reactor, al menos un (segundo) reactor de lecho adicional puede conectarse (de forma selectiva) a la línea de suministro, de modo que se suministren CO2 e H2 al(a los) segundo(s) reactor(es) de lecho, en donde la energía térmica para la temperatura de comienzo de la reacción catalítica dentro del(de los) segundo(s) reactor(es) de lecho puede ser suministrada por el(los) (primer(os)) reactor(es) de lecho ya operado(s). De esta manera, el sistema no solo se puede adaptar fácilmente a diferentes suministros de CO/CO2 e H2, sino que también se puede ahorrar energía usando el calor generado en el(los) primer(os) reactor(es) de lecho ya operados para promover el comienzo de la reacción en un reactor de lecho adicional.
En particular, cuando los reactores de lecho están realizados como reactores de lecho fluidizado, se dispone un intercambiador de calor al menos en el primer reactor de lecho. Preferentemente, se dispone un intercambiador de calor en cada reactor de lecho. Al combinar un lecho fluidizado con un intercambiador de calor, el intercambio de calor entre el lecho fluidizado y el intercambiador de calor es altamente eficiente. Tal intercambiador de calor puede extenderse desde una pared exterior del reactor de lecho hasta el lecho fluidizado. El intercambiador de calor puede realizarse, por ejemplo, mediante un tubo, que se extiende desde una pared hasta el reactor de lecho y que preferentemente está formado al menos en parte de forma helicoidal o serpenteante. Cada tubo de intercambio de calor puede tener una entrada y una salida para el medio de intercambio de calor (es decir, agua), en donde el flujo volumétrico del medio de intercambio de calor a través del tubo de intercambio de calor podría ser controlable.
Al inicio de la operación del sistema de síntesis, el intercambiador de calor del primer reactor de lecho puede usarse como calentador para el primer reactor de lecho. En este caso, el medio de intercambio de calor puede calentarse antes de ser suministrado a través del tubo de intercambio de calor al primer reactor de lecho, calentando así el primer reactor de lecho a la temperatura crítica para la reacción catalítica.
También puede ser posible que el intercambiador de calor del primer reactor de lecho pueda conectarse (de forma selectiva) al(a los) intercambiador(es) de calor del(de los) segundo(s) reactor(es) de lecho, de manera que el calor generado en el primer reactor de lecho se pueda transferir al(a los) segundo(s) reactor(es) de lecho con el fin de promover la reacción catalítica en el(los) segundo(s) reactor(es) de lecho, cuando el(los) segundo(s) reactor(es) de lecho están en funcionamiento. En un modo de operación estacionario del sistema, el calor extraído por el(los) intercambiador(es) de calor y eventualmente por la(s) pared(es) enfriada(s) por agua se puede usar más.
Con el fin de conectar de forma selectiva el primer y/o el(los) segundo(s) reactor(es) de lecho a la única línea de suministro común, se podría realizar una configuración de ajuste, con la que los reactores de lecho se pueden conectar y desconectar de forma selectiva de la línea de suministro. Por ejemplo, la configuración de ajuste puede comprender uno o más elementos de ajuste con los que se puede interrumpir o habilitar el flujo de gas a uno o más reactores de lecho. Por ejemplo, los elementos de ajuste pueden realizarse como una aleta, con la que se puede interrumpir el flujo a través de una tubería. La configuración de ajuste se puede conectar a una unidad de control con la que se puede controlar y/o modificar el estado de los elementos de ajuste.
En una realización, cada reactor de lecho se puede conectar y desconectar por separado de la línea de suministro mediante un elemento de ajuste separado.
En una realización adicional, un grupo de reactores de lecho puede conectarse y desconectarse de la línea de suministro común mediante un solo elemento de ajuste.
Con el fin de reutilizar partículas y arrastres del lecho fluidizado, se puede realizar un separador de material particulado (partículas sólidas, es decir, material catalítico). Por ejemplo, se puede realizar un separador de material particulado en cada reactor de lecho fluidizado. De manera alternativa o adicional, se puede conectar un separador común de material particulado a la línea de descarga común. El separador puede realizarse como filtro, separador ciclónico o separador magnético.
En una realización, una línea de recirculación conecta la línea de descarga común a la línea de suministro común, de modo que los gases descargados de los múltiples reactores de lecho puedan recircularse a la línea de suministro común.
Preferentemente, el sistema se realiza como una unidad compacta que tiene un bastidor para soportar los múltiples reactores de lecho, en donde se proporciona exactamente una conexión a la única línea de suministro. Preferentemente, la línea de suministro común del sistema de síntesis de metano está conectada a una unidad de electrólisis de agua como fuente de hidrógeno, mientras que la unidad de electrólisis opera con energía eléctrica de fuentes de energía renovable.
El sistema comprende preferentemente al menos dos segundos reactores de lecho y más preferentemente al menos cuatro segundos reactores de lecho.
El primer reactor de lecho y el segundo reactor de lecho están configurados normalmente de la misma forma. El reactor de lecho que está acoplado a la línea de suministro común al inicio de la operación del sistema normalmente se considera el primer reactor de lecho. Pero también es posible que más de un reactor de lecho esté conectado a la línea de suministro al inicio de la operación del sistema. También puede ser posible que, mediante los ajustes respectivos del sistema de ajuste, se conecte un reactor de lecho diferente a la línea de suministro en cada comienzo de la operación. Por consiguiente, se desea que se realicen al menos dos reactores de lecho, de los que al menos uno se pueda conectar y desconectar de forma selectiva de la línea de suministro.
La invención y los antecedentes técnicos se describen a continuación con respecto a las figuras que muestran realizaciones de la invención. Las figuras muestran esquemáticamente
Figura 1: una primera realización de un sistema de síntesis de metano en vista en sección transversal,
Figura 2: una segunda realización en vista superior y
Figura 3: una tercera realización en vista lateral.
El sistema de síntesis de metano mostrado en la figura 1 comprende un primer reactor de lecho 2 y múltiples segundos reactores de lecho 3 de los que solo se muestran dos segundos reactores de lecho 3.1, 3.2. Los reactores de lecho adyacentes están separados por paredes comunes 6 enfriadas por agua. Los reactores de lecho 2, 3.1, 3.2 están realizados como reactores de lecho fluidizado que comprenden un relleno suelto de material particulado que está hecho o recubierto de material catalítico. El primer reactor de lecho 2 y el segundo reactor de lecho 3.1, 3.2 pueden conectarse cada uno de forma selectiva a una línea de suministro común 1 mediante elementos de ajuste 9. Los elementos de ajuste 9a están realizados como aletas, con las que cada reactor de lecho 2, 3.1, 3.2 se puede desconectar de la línea de suministro común 1. Con el elemento de ajuste 9b, un grupo de segundos reactores de lecho 3.1, 3.2 se puede conectar y desconectar a la línea de suministro común 1.
El sistema que se muestra en la figura 1 comprende múltiples calentadores 5, que están realizados como calentadores eléctricos. El calentador eléctrico 5a se realiza para calentar toda la corriente de gas proporcionada a través de la línea de suministro 1, mientras que los calentadores eléctricos 5b se realizan para calentar la corriente de gas que se proporciona a través de las entradas 7 al reactor de lecho 2, 3.1, 3.2 respectivo.
Cada reactor de lecho 2, 3 comprende un intercambiador de calor 8.
Delante de la salida del primer reactor de lecho 2 está realizado un separador 10a. Un separador 10b común está realizado en la línea de descarga. El material particulado se puede separar de la corriente de gas con los separadores 10a y 10b.
La línea de descarga 4 está conectada mediante la línea de recirculación 11 a la línea de suministro 1.
En operación, una corriente de gas que comprende óxidos de carbono (tales como CO2) e hidrógeno (H2) se suministra a través de la línea de suministro común 1. Al inicio de la operación del sistema, el elemento de ajuste 9b puede estar cerrado y el elemento de ajuste 9a del primer reactor de lecho 2 puede abrirse, de modo que la corriente de gas se proporcione solamente al primer reactor de lecho 2. Con la ayuda de los calentadores 5a, 5b, la corriente de gas proporcionada al primer reactor de lecho 2 podría calentarse por encima de una temperatura crítica para comenzar la reacción catalítica dentro del primer reactor de lecho 2. Una vez que ha comenzado la reacción catalítica en el primer reactor de lecho 2 y/o cuando se proporciona un mayor flujo volumétrico de gas, el elemento de ajuste 9b podría abrirse para que el gas también se pueda suministrar a los segundos reactores de lecho 3.1, 3.2.
Si la energía térmica proporcionada por la reacción exotérmica en el primer reactor de lecho 2 es suficiente para calentar el segundo reactor de lecho 3 por encima de una temperatura crítica, no es necesario proporcionar energía calorífica adicional. Si se necesita energía calorífica adicional, el gas suministrado al segundo reactor de lecho 3.1, 3.2 puede ser calentado por los respectivos calentadores 5b.
Durante una operación estable, el calor producido por la reacción catalítica de H2 y CO/CO2 dentro de los reactores de lecho 2, 3.1, 3.2 puede ser extraído por los intercambiadores de calor 8. Asimismo, el calor puede ser extraído por el agua suministrada a las paredes comunes 6. En una realización no mostrada, el calor extraído del primer reactor de lecho 2 por el intercambiador de calor 8 se puede suministrar a un intercambiador de calor 8 de un segundo reactor de lecho 3, con el fin de elevar la temperatura en el segundo reactor de lecho 3 por encima de la temperatura crítica para la reacción catalítica.
El metano producido dentro de cada reactor de lecho 2, 3.1, 3.2 y eventualmente los residuos de CO2 e H2 y/u otros componentes se descargan a una línea de descarga común 4, en donde las partículas (catalizadores) pueden ser retenidas por el separador 10a en el reactor de lecho 2 o por el separador 10b en la línea de descarga 4.
La figura 2 muestra una vista superior de una segunda realización de un sistema de síntesis de metano, en donde un primer reactor de lecho 2 está dispuesto de forma central y en donde los segundos reactores de lecho 3 rodean el primer reactor de lecho 2 , de modo que el primer reactor de lecho 2 tiene una pared común 6 con cuatro segundos reactores de lecho 3. Solo la realización de la figura 2 entra dentro del alcance de la reivindicación independiente del sistema.
De acuerdo con la realización adicional de la figura 3, se proporciona un primer reactor de lecho 2, que está separado espacialmente de los segundos reactores de lecho 3.1, 3.2. Además de la separación espacial entre sí, el primer reactor de lecho 2 y los segundos reactores de lecho 3.1, 3.2 podrían realizarse como los reactores de lecho que se muestran en la figura 1, por ejemplo, teniendo cada uno un calentador, un intercambiador de calor y un separador, mientras que la forma de la sección transversal puede diferir.
Números de referencia
1 línea de suministro
2 primer reactor de lecho
3 segundo reactor de lecho
4 línea de descarga
5 calentador
6 pared común
7 entrada
8 intercambiador de calor
9 elemento de ajuste
10 separador
11 línea de recirculación

Claims (16)

REIVINDICACIONES
1. Sistema de síntesis de metano, que comprende
- una línea de suministro común (1 ) conectada al menos a una fuente de óxido de carbono y a una fuente de hidrógeno,
- un primer reactor de lecho (2 ) conectado o conectable de forma selectiva a la única línea de suministro común (1 )y
- una línea de descarga común (4),
en donde el sistema comprende más de dos segundos reactores de lecho (3) conectables de forma selectiva a la única línea de suministro común (1), en donde el primer reactor de lecho (2) y más de dos segundos reactores de lecho (3) tienen cada uno una pared común (6), en donde el primer reactor de lecho (2) y los segundos reactores de lecho (3) comprenden un catalizador para mejorar la reacción de óxidos de carbono e hidrógeno a hidrocarburos.
2. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde se proporciona un calentador (5) al menos para el primer reactor de lecho (2 ).
3. Sistema de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde se proporciona un calentador (5) para cada reactor de lecho (2, 3).
4. Sistema de acuerdo con las reivindicaciones 2 o 3, en donde cada calentador está dispuesto en la entrada (7) al respectivo reactor de lecho (2, 3).
5. Sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde se proporciona un calentador (5) en la única línea de suministro común (1 ).
6. Sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde la al menos una pared común (6) se enfría por agua.
7. Sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde un intercambiador de calor (8) está dispuesto al menos en el primer reactor de lecho (2 ).
8. Sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde se realiza una configuración de ajuste con al menos un elemento de ajuste (9), con el que el flujo de gas desde la línea de suministro común (1) a uno o más reactores de lecho (2, 3) se puede interrumpir o habilitar de forma selectiva.
9. Sistema de acuerdo con la reivindicación 8, en donde se proporciona un elemento de ajuste (9) de la configuración de ajuste para cada reactor de lecho (2, 3), de modo que el flujo de gas a cada reactor de lecho (2, 3) desde la única línea de suministro común (1 ) se puede interrumpir o habilitar por separado.
10. Sistema de acuerdo con la reivindicación 8, en donde, con un solo elemento de ajuste (9) de la configuración de ajuste, se puede interrumpir o habilitar el flujo de gas a un grupo de reactores de lecho (3) desde la única línea de suministro común (1 ).
11. Sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde en cada reactor de lecho (2, 3) está realizado un separador (10) de material particulado.
12. Sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde un separador común de material particulado está conectado a la línea de descarga común (4).
13. Sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde una línea de recirculación (11) conecta la línea de descarga común (4) a la línea de suministro común (1).
14. Sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, realizado como unidad compacta que tiene un bastidor para soportar los múltiples reactores de lecho (2, 3) y una conexión para la única línea de suministro común (1 ).
15. Sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde todos los reactores de lecho (2, 3) están realizados como reactores de lecho fluidizado.
16. Uso de un sistema de metano de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores para sintetizar metano.
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