ES2953388T3 - Planta y procedimiento de producción de combustibles sintéticos sin agua dulce - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a un sistema para producir combustibles sintéticos, en particular combustible para aviones (queroseno), gasolina y/o diésel, que comprende: a) un dispositivo para obtener por separado dióxido de carbono y agua del aire circundante, b) un gas de síntesis -dispositivo productor para producir un gas de síntesis bruto que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, dióxido de carbono y agua, teniendo el dispositivo productor de gas de síntesis una línea de suministro para dióxido de carbono, cuya línea de suministro conduce desde el dispositivo para obtener por separado dióxido de carbono y agua de el aire circundante, una línea de suministro de aire y una línea de suministro de agua, c) un dispositivo de separación para separar dióxido de carbono y agua del gas de síntesis bruto producido en el dispositivo productor de gas de síntesis, d) un dispositivo de Fischer-Tropsch para producir, mediante un proceso Fischer-Tropsch, hidrocarburos a partir del gas de síntesis del cual se han separado dióxido de carbono y agua en el dispositivo de separación, e) un dispositivo de refinado para refinar los hidrocarburos producidos en el dispositivo Fischer-Tropsch para formar los combustibles sintéticos , f) un dispositivo de desalinización para desalinizar agua, comprendiendo el dispositivo de desalinización una línea de suministro de agua desde el dispositivo para obtener por separado dióxido de carbono y agua del aire circundante y una línea de descarga de agua al dispositivo Fischer-Tropsch, y g) un dispositivo de purificación de agua. dispositivo que comprende una línea de suministro de agua que va desde el dispositivo Fischer-Tropsch y está destinado a purificar el agua que se acumula en el mismo, en el que el sistema comprende además un prerreformador para convertir hidrocarburos distintos del metano en metano, óxidos de carbono, agua e hidrocarburos, y i) una línea de suministro de vapor de agua que va desde el dispositivo de purificación de agua al pre-reformador, ii) una línea de suministro de gas de proceso que va desde el dispositivo de refinación al pre-reformador y/o una línea de gas de retorno que va desde el Fischer -Dispositivo Tropsch en el prerreformador y iii) una línea de circulación que va desde el prerreformador a la línea de suministro de agua que está conectada al dispositivo productor de gas de síntesis. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Planta y procedimiento de producción de combustibles sintéticos sin agua dulce
La presente invención se refiere a una planta y a un procedimiento para producir combustibles sintéticos, en particular carburante para reactores, diésel y/o gasolina.
Existen diversos procedimientos para la producción de combustibles, como el carburante para aviones a reacción, el diésel, la gasolina, o similares. Estos procedimientos se basan principalmente en el procesamiento de materias primas fósiles, como el refinado del petróleo, la licuefacción del carbón o la síntesis de combustibles a partir de gas natural, agua y oxígeno. La síntesis de combustibles a partir de gas natural, agua y oxígeno también se conoce como procedimientos de “gas a líquidos”. En estos procedimientos, primero se produce gas de síntesis compuesto de hidrógeno y monóxido de carbono a partir de gas natural, agua y oxígeno, que luego se convierte en una síntesis de Fischer-Tropsch en hidrocarburos compuestos principalmente de parafinas normales de cadena larga. A continuación, estos hidrocarburos se convierten en combustibles sintéticos mediante craqueo e isomerización.
Un procedimiento similar es la conversión de energía eléctrica en combustibles sintéticos, conocido como “power-toliquids”. Para ello, el agua y el dióxido de carbono se convierten en gas de síntesis que, a continuación, se transforma en combustibles sintéticos de manera similar a los procedimientos “gas a líquidos”. Una de las principales desventajas de los procedimientos “gas a líquidos” y “electricidad a líquidos” es que requieren cantidades considerables de agua dulce. Sin embargo, el agua de la pureza necesaria es una materia prima cara. Además, los procedimientos conocidos generan cantidades comparativamente elevadas de gases residuales y aguas residuales que no se utilizan en los procedimientos, lo cual es indeseable desde el punto de vista medioambiental.
En el documento WO 2008/044056 A2, se describe un procedimiento para la producción de combustible, como queroseno y diésel, en el que una fuente de energía renovable, como la energía solar, proporciona energía eléctrica que se utiliza en un dispositivo de hidrólisis para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Además, la energía eléctrica se utiliza para separar el dióxido de carbono del aire atmosférico en un dispositivo de separación, en donde la separación del dióxido de carbono puede llevarse a cabo criogénicamente, por ejemplo, mediante absorción en cal o utilizando una membrana semipermeable. Un procedimiento similar a este se conoce también del documento GB 2.468.483 A.
Teniendo esto en cuenta, la presente invención se basó en la tarea de proporcionar una planta y un procedimiento para la producción de combustibles sintéticos, que pueda funcionar sin suministro de agua fresca o, a lo sumo, con una pequeña cantidad del mismo y con la generación de solo cantidades muy pequeñas de gases residuales no utilizados y aguas residuales, lo que resulta en un mayor rendimiento de los combustibles sintéticos, y que, sin embargo, pueda funcionar exclusivamente con energía eléctrica y, preferiblemente, con energía renovable.
De acuerdo con la invención, esta tarea se resuelve mediante una planta de producción de combustibles sintéticos, en particular carburante para aviones, diésel y/o gasolina, que comprende:
a) un dispositivo para la extracción por separado de dióxido de carbono y agua del aire ambiente,
b) un dispositivo de producción de gas de síntesis para producir gas de síntesis bruto que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, dióxido de carbono y agua, en donde el dispositivo de producción de gas de síntesis presenta una tubería de suministro de dióxido de carbono que sale del dispositivo para la extracción por separado de dióxido de carbono y agua del aire ambiente, una tubería de suministro de aire y una tubería de suministro de agua o vapor de agua,
c) un dispositivo de separación para separar el dióxido de carbono y el agua del gas de síntesis bruto producido en el dispositivo de producción de gas de síntesis,
d) un dispositivo de Fischer-Tropsch para producir hidrocarburos mediante un procedimiento de Fischer-Tropsch a partir del gas de síntesis del que se han separado el dióxido de carbono y el agua en el dispositivo de separación,
e) un dispositivo de refinado para refinar los hidrocarburos producidos en el dispositivo de Fischer-Tropsch y convertirlos en combustibles sintéticos,
f) un dispositivo de desalinización para desalar agua, en donde dicho dispositivo de desalinización presenta una tubería de suministro de agua procedente de dicho dispositivo para extraer por separado el dióxido de carbono y el agua del aire ambiente y una tubería de descarga de agua hacia dicho dispositivo de Fischer-Tropsch; y
g) un dispositivo de purificación de agua que comprende una tubería de suministro de agua procedente del dispositivo de Fischer-Tropsch para purificar el agua producida en el mismo,
en donde la planta comprende, además, un prerreformador para convertir los hidrocarburos producidos en el dispositivo de Fischer-Tropsch y en el dispositivo de refinado en metano, óxidos de carbono, agua e hidrógeno; y i) una tubería de suministro de vapor de agua que va desde el dispositivo de purificación de agua hasta el prerreformador, ii) una tubería de suministro de gas de proceso que va del dispositivo de refinado al prerreformador y/o una tubería de
gas de retorno que va del dispositivo de Fischer-Tropsch al prerreformador, y Ni) una tubería de circulación de agua o vapor de agua que va del prerreformador a la tubería de suministro conectado al dispositivo de producción de gas de síntesis.
En la planta según la invención y en el procedimiento según la invención, el agua necesaria para la síntesis de combustible, en particular para la producción de gas de síntesis y para la síntesis de Fischer-Tropsch, parcialmente, y el dióxido de carbono necesario para ello se obtienen totalmente del aire ambiente y el agua (de reacción) producida durante la síntesis de combustible, como en particular la síntesis de Fischer-Tropsch, se purifica en el dispositivo de purificación de agua y, preferiblemente, también el agua (de reacción) producida durante la producción de gas de síntesis se purifica en el dispositivo de desalinización en la medida necesaria para la circulación, y, preferiblemente, el agua (de reacción) producida durante la producción de gas de síntesis también se purifica en el dispositivo de desalinización en la medida necesaria para la circulación, se trata en el prerreformador y se devuelve desde allí al dispositivo de producción de gas de síntesis, la planta según la invención y el procedimiento según la invención pueden funcionar únicamente con agua producida a partir del aire ambiente y del agua (de reacción) producida durante el funcionamiento de la planta en la síntesis de Fischer-Tropsch y eventualmente en otras partes de la planta, como el dispositivo de producción de gas de síntesis, es decir, sin o como máximo con una pequeña cantidad de suministro de agua fresca y en particular también neutra en dióxido de carbono. En este contexto, el uso del agua (de reacción) producida durante la síntesis de Fischer-Tropsch llevada a cabo en la planta de Fischer-Tropsch, en particular en el dispositivo de producción de gas de síntesis, es importante para poder operar sin suministro de agua dulce o con un suministro de agua dulce como máximo reducido, ya que el agua obtenida del aire en el dispositivo para la extracción por separado de dióxido de carbono y agua del aire ambiente por sí sola no será suficiente normalmente para este fin. El uso del agua (de reacción) producida en la síntesis de Fischer-Tropsch en el dispositivo de producción de gas de síntesis solo es posible gracias a que esta agua (de reacción), que se caracteriza por un contenido extremadamente alto de CSB debido a la contaminación con aproximadamente un 2 % en masa de hidrocarburos, como en particular alcoholes C1-6, aldehídos y acetona, se purifica en el dispositivo de purificación de agua para separar al menos las impurezas causantes del alto contenido de CSB, y a continuación se trata en el prerreformador antes de devolverla al dispositivo de producción de gas de síntesis a través de la tubería de alimentación de agua. Como se expone a continuación, la purificación del agua en el dispositivo de purificación de agua se lleva a cabo preferiblemente de forma que al menos una proporción importante de las impurezas de hidrocarburos de aproximadamente un 2 % en masa permanezcan en el agua purificada, separadas de las impurezas causantes del alto contenido de CSB. A continuación, estos hidrocarburos se convierten en el prerreformador en metano, óxidos de carbono, agua e hidrógeno, que pueden reciclarse en el dispositivo de producción de gas de síntesis. Así, además del agua (de reacción) producida en la síntesis de Fischer-Tropsch, los residuos de hidrocarburos de la síntesis de Fischer-Tropsch también pueden reciclarse en el dispositivo de producción de gas de síntesis. Otra ventaja de la planta según la invención es que, a través de la tubería de suministro de gas de proceso que va del dispositivo de refinado al prerreformador o de la tubería de gas de retorno que va del dispositivo de Fischer-Tropsch al prerreformador, se pueden reciclar los gases de procedimiento procedentes del dispositivo de refinado que, en particular, contienen hidrocarburos C1-5, o los gases de procedimiento procedentes del dispositivo de Fischer-Tropsch que contienen, en particular, hidrocarburos C1-7, monóxido de carbono y dióxido de carbono, se convierten en el prerreformador en metano, óxidos de carbono, agua e hidrógeno, que se reciclan en el dispositivo de producción de gas de síntesis, a la que se devuelven a través de la tubería de circulación. De este modo, los subproductos de hidrocarburos se reciclan en la planta o procedimiento según la invención en lugar de verterse y eliminarse como producto de desecho, lo que no solo reduce la cantidad de productos de desecho producidos, sino que, en particular, también maximiza el rendimiento y, por lo tanto, aumenta la eficiencia de la planta de producción de gas de síntesis en al menos un 13 %. De este modo, el dispositivo para la extracción por separado de dióxido de carbono y agua del aire ambiente, el dispositivo de desalinización, el dispositivo de purificación de agua, el prerreformador y el dispositivo de producción de gas de síntesis trabajan conjuntamente en forma sinérgica para utilizar no solo el agua (de reacción) producida en la síntesis de Fischer-Tropsch, sino también el agua producida en la síntesis de Fischer-Tropsch y posiblemente en el dispositivo de refinado, maximizando así el rendimiento de los combustibles sintéticos, minimizando la cantidad de residuos de hidrocarburos y reduciendo la demanda de agua dulce de la planta a cero o, al menos, a niveles muy bajos. Aparte de esto, la cantidad de agua residual vertida por la planta durante su funcionamiento puede reducirse considerablemente. Además, la planta y el procedimiento según la invención permiten reducir significativamente la cantidad de gases residuales no utilizados, ya que los gases de procedimiento resultantes se reutilizan en las partes individuales de la planta. Por último, la planta según la invención y el procedimiento según la invención pueden funcionar exclusivamente con energía eléctrica y así conservar recursos, ya que no se requieren materias primas naturales y fósiles, como petróleo crudo, gas natural, y similares.
En el caso de un dispositivo para la extracción por separado de dióxido de carbono y agua del aire ambiente según la presente invención, se trata de un dispositivo que puede extraer dióxido de carbono y agua del aire ambiente y luego proporcionarlos por separado. Un dispositivo para la extracción por separado del dióxido de carbono y del agua del aire ambiente puede así extraer el dióxido de carbono y el agua simultáneamente del aire, pero el agua entonces se separa del dióxido de carbono, de modo que el dispositivo para la extracción por separado del dióxido de carbono y del agua proporcione un flujo del agua y un flujo del dióxido de carbono separado de ello.
De acuerdo con la invención, el dispositivo de separación se diseña para separar dióxido de carbono y agua del gas de síntesis crudo producido en el dispositivo de producción de gas de síntesis, el dispositivo de Fischer-Tropsch se
diseña para la producción de hidrocarburos mediante un procedimiento de Fischer-Tropsch a partir del gas de síntesis, del cual se separan el dióxido de carbono y el agua en el dispositivo de separación, y el dispositivo de refinado se diseña para refinar los hidrocarburos producidos en el dispositivo de Fischer-Tropsch en combustibles sintéticos. Es decir, el dispositivo de separación para separar dióxido de carbono y agua está conectado al dispositivo de producción de gas de síntesis a través de una tubería de suministro de gas de síntesis crudo, el dispositivo de Fischer-Tropsch para producir hidrocarburos mediante un procedimiento de Fischer-Tropsch está conectado al dispositivo de separación a través de una tubería de suministro de gas de síntesis, y el dispositivo de refinado está conectado al dispositivo de Fischer-Tropsch a través de una tubería de alimentación de hidrocarburos.
Como se ha explicado con anterioridad, el sistema según la invención puede funcionar sin agua dulce o, a lo sumo, con una pequeña cantidad de agua dulce y, por lo tanto, preferiblemente no tiene tubería de suministro de agua dulce. Por tubería de suministro de agua dulce, se entiende cualquier tubería que conduzca agua al sistema desde el exterior, con la excepción de la tubería o tuberías que conduzcan aire ambiente, que contiene un pequeño porcentaje de agua, al sistema.
De acuerdo con la invención, la planta comprende un prerreformador para convertir los hidrocarburos producidos en el dispositivo de Fischer-Tropsch y en el dispositivo de refinado en metano, óxidos de carbono, agua e hidrógeno, y una tubería de suministro de vapor de agua que va desde el dispositivo de purificación de agua hasta el prerreformador, a través del cual el dispositivo de purificación de agua suministra vapor de agua que contiene hidrocarburos superiores procedentes de la síntesis de Fischer-Tropsch realizada en el dispositivo de Fischer-Tropsch. En este contexto, los hidrocarburos superiores son todos los compuestos de hidrocarburos que tienen más de un átomo de carbono por molécula y, en particular, los hidrocarburos C2-7. El prerreformador permite que los hidrocarburos producidos en el dispositivo de Fischer-Tropsch y en el dispositivo de refinado se degraden a metano, óxidos de carbono, agua e hidrógeno y, por lo tanto, se reciclen en la planta según la invención, por ejemplo, alimentándolos al dispositivo de producción de gas de síntesis. Debido a la conversión de todas las corrientes de gases residuales que contienen hidrocarburos resultantes en el prerreformador, prácticamente no hay emisiones de hidrocarburos en la planta según la invención, y la eficiencia de la planta aumenta sustancialmente por la reutilización de las corrientes de hidrocarburos gaseosos. En consecuencia, aumenta el rendimiento de carbono en el procedimiento llevado a cabo en la planta según la invención y, por lo tanto, también el rendimiento global del procedimiento. Además, al reducir la carga contaminante por debajo del intervalo de 1 ppb, el prerreformador protege el dispositivo de producción de gas de síntesis aguas abajo de compuestos de azufre nocivos, lo que resulta especialmente ventajoso si el dispositivo de producción de gas de síntesis comprende una o más celdas de electrólisis de óxido co-sólido. Por último, el prerreformador también protege el dispositivo de producción de gas de síntesis de la coquización al eliminar los hidrocarburos superiores de la corriente en el prerreformador.
En detalle, en el prerreformador, que también puede denominarse reformador autotérmico o reformador adiabático, tienen lugar tres reacciones parciales, a saber, una reacción endotérmica seguida de una metanación exotérmica y una reacción de desplazamiento exotérmico en un equilibrio termodinámico entre los óxidos de carbono (CO, CO2), el metano, el hidrógeno y el agua correspondientes a las reacciones parciales subsiguientes:
Preferiblemente, el prerreformador contiene óxido de níquel como catalizador. Se obtienen buenos resultados en particular si el catalizador contiene óxido de níquel depositado sobre un soporte, para lo cual se utiliza como soporte, por ejemplo, óxido de aluminio, preferiblemente AhO3. De manera especialmente preferida, el catalizador contiene también óxido de cromo (Cr2O3). Muy particularmente preferido es un catalizador que contiene 20 al 30 % en masa de níquel sobre un soporte de óxido de aluminio, en donde el catalizador puede contener opcionalmente también óxido de cromo. La estabilidad térmica de dichos catalizadores está garantizada hasta al menos 650 °C. Además, estos catalizadores son muy resistentes a la coquización.
Preferiblemente, el prerreformador está diseñado como un reactor de lecho fijo, y preferiblemente de tal manera que durante su funcionamiento el flujo lo atraviesa de arriba abajo.
Además, se prefiere que el prerreformador esté diseñado de tal manera que pueda funcionar a una presión de 5 a 30 bares y/o a una temperatura comprendida entre 380 y 650 °C.
De acuerdo con la invención, la planta comprende una tubería de suministro de gas de proceso que va desde el
dispositivo de refinado hasta el prerreformador y/o una tubería de gas de retorno que va desde el dispositivo de Fischer-Tropsch hasta el prerreformador. Además, la planta comprende una tubería de suministro de agua de recirculación que va desde el prerreformador hasta el dispositivo de producción de gas de síntesis, a fin de reciclar, al menos en gran medida, los gases de procedimiento producidos en el dispositivo de refinado y el dispositivo de Fischer-Tropsch y procesados en el prerreformador. Preferiblemente, una tubería de retorno de vapor de agua también conduce desde el dispositivo de Fischer-Tropsch hasta el dispositivo de producción de gas de síntesis.
No obstante lo anterior, se prefiere que una parte del gas de proceso producido durante el funcionamiento del dispositivo de Fischer-Tropsch, que se denomina gas de antorcha para distinguirlo de los demás gases de procedimiento, se descargue de la planta como gas de antorcha para evitar el enriquecimiento de los gases de procedimiento con gases inertes. Por esta razón, se prefiere que el dispositivo de Fischer-Tropsch presente una tubería de descarga de gas de antorcha.
De acuerdo con otra realización preferida de la presente invención, el dispositivo para la extracción por separado de dióxido de carbono y agua del aire ambiente es un dispositivo de captura directa de aire que tiene una pluralidad de módulos de adsorción/desorción conectados en paralelo de tal manera que un módulo de adsorción/desorción se conmuta del modo de adsorción al modo de desorción después de alcanzar su carga de equilibrio. Durante el funcionamiento del dispositivo de captación directa de aire, el dióxido de carbono y el agua se separan del aire ambiente en un procedimiento discontinuo mediante adsorción en un adsorbente, preferiblemente sólidos porosos funcionalizados con aminas. El dióxido de carbono y el agua o el vapor de agua adsorbidos de este modo se separan a continuación del adsorbente mediante desorción una vez que el adsorbente está cargado con el dióxido de carbono y el agua. Para que el procedimiento sea al menos casi continuo, es preferible conectar en paralelo varios módulos de adsorción/desorción, tal como se ha indicado con anterioridad. Mientras que la adsorción se realiza a baja temperatura, preferiblemente a temperatura ambiente (-20 a 40 °C) y a presión normal, la desorción se realiza al vacío, por ejemplo, de 0,1 a 0,3 bares abs. y a temperatura elevada, preferiblemente de 120 a 150 °C. Una vez que el adsorbente está cargado con el dióxido de carbono y el agua, el suministro de aire y el escape del dispositivo se cierran para iniciar la desorción y la fase de desorción se inicia bombeando un medio de calentamiento a través del adsorbente para calentar el adsorbente. Al mismo tiempo, se enciende una bomba de anillo de agua para extraer la mezcla de dióxido de carbono y vapor de agua que, además de las altas temperaturas de desorción de 150 a 200 °C, crea un vacío para permitir una desorción óptima. El flujo de gas procedente del módulo de adsorción/desorción se enfría con agua de refrigeración antes de la bomba de anillo de agua y también se refrigera con agua el anillo de líquido de la bomba de anillo de agua. La bomba de anillo de agua genera una presión tan baja que la mezcla de dióxido de carbono de gran pureza y agua puede separarse en un separador situado aguas abajo. Aunque las impurezas del aire pueden considerarse en principio relativamente bajas, debido al procedimiento discontinuo de adsorción, en el agua separada del aire ambiente, se acumulan numerosas impurezas como, en particular, numerosos aniones y cationes (como amoníaco, calcio, magnesio, hierro, cobre, manganeso y como cloruros, sulfatos, nitruros, nitratos, sulfatos, etc.), que deben separarse antes de la posterior producción de gas de síntesis. Para la producción de gas de síntesis con la celda de electrólisis de óxido co-sólido preferida según la invención, se requiere una conductividad eléctrica de un máximo de 2 pS/cm y preferiblemente inferior a 2 pS/cm. Por lo tanto, el dióxido de carbono y el agua extraídos del aire ambiente en el dispositivo para la extracción por separado de dióxido de carbono y agua no se alimentan juntos al dispositivo de producción de gas de síntesis, sino que primero se separa el agua del dióxido de carbono por condensación, el agua separada se alimenta al dispositivo de desalinización y el dióxido de carbono liberado del agua se alimenta al dispositivo de producción de gas de síntesis. Una vez finalizada la desorción, el módulo de adsorción/desorción se enfría primero a una temperatura de aproximadamente 25 °C antes de que comience de nuevo la adsorción del dióxido de carbono y el agua del aire. Para ello, se abren de nuevo las entradas y salidas de aire del dispositivo.
El agua con la pureza requerida para la producción de gas de síntesis se suministra preferiblemente al dispositivo de producción de gas de síntesis a través de la tubería de suministro de agua en forma de vapor de agua antes mencionada, en donde el vapor de agua contiene preferiblemente, además, metano, óxidos de carbono e hidrógeno, que proceden del prerreformador, y puede alimentarse, además, con vapor de agua procedente del dispositivo de Fischer-Tropsch. El vapor de agua se refiere, aquí, al agua evaporada, es decir, al agua en estado gaseoso. Aunque el agua se suministra preferiblemente a la producción de gas de síntesis en forma de vapor de agua, por encima y por debajo en este contexto a veces se denomina en general agua sin especificar el estado de agregación. No obstante, también se aplica a todas las realizaciones anteriores y siguientes que el agua se suministra preferiblemente al dispositivo de producción de gas de síntesis en forma de vapor de agua.
Se consiguen buenos resultados en la producción de gas de síntesis en particular si el dispositivo de producción de gas de síntesis comprende una o más celdas de electrólisis de óxido co-sólido. El vapor de agua y el dióxido de carbono suministrados por separado al dispositivo de producción de gas de síntesis se hacen reaccionar en la celda de electrólisis de óxido co-sólido, que funciona preferiblemente a 800 a 1.000 °C, sin presión y con una tensión continua preferiblemente de 1,29 V, como máximo de 1,6 V por nivel y 0,6 A/cm2, para formar una mezcla gaseosa que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, vapor de agua y dióxido de carbono. El gas de síntesis bruto así producido contiene, por ejemplo, del 50 al 60 % en masa de monóxido de carbono, del 5 al 10 % en masa de hidrógeno, del 10 al 12 % en masa de vapor de agua y del 20 al 30 % en masa de dióxido de carbono. Se insufla aire caliente en el lado secundario de las membranas cerámicas para eliminar la corriente de oxígeno que se forma. El aire de escape se compone entonces de aire y una proporción sustancial de oxígeno. En la celda de electrólisis de óxido co-sólido, la
electrólisis de vapor de agua (reacción (1): 2 *H2O = 2 *H2 + O2) se combina con la reacción inversa de desplazamiento de gas de agua (RWGS = Reverse Water Gas Shift) (reacción (2): CO2 + H2 = H2O CO). En este procedimiento, 1 mol del H2 de la reacción (1) se consume en la reacción (2) y 1 mol del agua resultante de la reacción (2) se consume en la reacción (1), lo que da lugar a la ecuación de reacción resumida CO2 + 2*H2O = 2*H2 + CO 1,5*O2, que produce una relación H2/CO de 2 en el caso puramente estequiométrico. El oxígeno se transporta de vuelta a través de la membrana a la cámara de aire de la celda de electrólisis de óxido co-sólido. La relación H2/CO puede ajustarse a través de los reactivos de 1,5 a 5, aunque, en lo que respecta a la posterior síntesis de Fischer-Tropsch, la relación H2/CO se ajusta preferiblemente a algo más de 2,0. En total, en el dispositivo de producción de gas de síntesis se produce una mezcla gaseosa que contiene monóxido de carbono, hidrógeno, vapor de agua y dióxido de carbono. El agua condensada tras el enfriamiento de la mezcla gaseosa presenta un enriquecimiento comparativamente alto en iones, por lo que se introduce preferiblemente a través de la tubería de suministro de agua desde el dispositivo de producción de gas de síntesis hasta el dispositivo de desalinización. El gas de síntesis bruto puede producirse en un intervalo de relación molar H2/CO de 1,5 a 5, siendo deseable una relación H2/CO superior a 2,0 para la síntesis de Fischer-Tropsch. Dado que las celdas de electrólisis de óxido co-sólido son muy sensibles a los hidrocarburos C2+, ya que las celdas de electrólisis de óxido co-sólido se coquizan durante su funcionamiento en presencia de los hidrocarburos C2+, según la invención, los gases de procedimiento y de reciclaje devueltos al dispositivo de producción de gas de síntesis y las aguas de procedimiento que contienen hidrocarburos procedentes del dispositivo de Fischer-Tropsch y del dispositivo de refinado se tratan en un prerreformador en el que los hidrocarburos producidos en el dispositivo de Fischer-Tropsch y en el dispositivo de refinado se convierten en metano, óxidos de carbono, agua e hidrógeno. A continuación, el metano se convierte con el oxígeno en el dispositivo de producción de gas de síntesis en óxidos de carbono y vapor de agua que, a su vez, se transforman en gas de síntesis. Así pues, el metano introducido en el dispositivo de producción de gas de síntesis a través del prerreformador contribuye significativamente a reducir la endotermia del procedimiento para mantener la temperatura de reacción en torno a los 1.000 °C.
El gas de síntesis crudo producido en una o más celdas de electrólisis de óxido co-sólido aún contiene cantidades sustanciales de dióxido de carbono y pequeñas cantidades de vapor de agua, que se separan en el dispositivo de separación aguas abajo para optimizar la síntesis de Fischer-Tropsch. Preferiblemente, el dispositivo de separación comprende un lavador de aminas para separar el dióxido de carbono por absorción del gas de síntesis bruto, un compresor para condensar el agua y comprimir el gas de síntesis a la presión necesaria en la síntesis de Fischer-Tropsch, una tubería de retorno de dióxido de carbono que conduce al dispositivo de producción de gas de síntesis o a la tubería de dióxido de carbono que sale del dispositivo para la extracción por separado de dióxido de carbono y agua en el dispositivo de producción de gas de síntesis, y una tubería de alimentación de gas de síntesis que conduce al dispositivo de Fischer-Tropsch. En el lavador de aminas, el dióxido de carbono se separa del gas de síntesis crudo mediante absorción con al menos un absorbente, que preferiblemente consiste en un compuesto de amina, como monoetanolamina y/o diglicolamina, y agua, y se devuelve al dispositivo de producción de gas de síntesis a través de la tubería de retorno de dióxido de carbono. En el compresor posterior, el gas de síntesis restante se comprime a la presión requerida en la síntesis de Fischer-Tropsch, por lo que el agua se condensa y se separa simultáneamente del gas de síntesis. Mientras que el agua separada se alimenta desde el dispositivo de separación al dispositivo de desalinización a través de la tubería de alimentación de agua, el gas de síntesis restante (purificado) se alimenta al dispositivo de Fischer-Tropsch. El gas de síntesis alimentado al dispositivo de Fischer-Tropsch contiene preferiblemente del 80 al 90 % en masa de monóxido de carbono y del 10 al 15 % en masa de hidrógeno. La separación del dióxido de carbono del gas de síntesis crudo es ventajosa porque, de lo contrario, el dióxido de carbono circularía y se enriquecería, ya que el propio dióxido de carbono se produce en la síntesis de Fischer-Tropsch y no se convierte. Por consiguiente, al separar el dióxido de carbono del gas de síntesis bruto, su concentración no aumenta y, de este modo, los componentes posteriores de la planta quedan protegidos de una contaminación excesiva por dióxido de carbono.
En el dispositivo de desalinización, la corriente de aguas residuales procedente al menos del dispositivo para la extracción por separado de dióxido de carbono y agua y, preferentemente, también la corriente de aguas residuales procedente del dispositivo de producción de gas de síntesis y/o la corriente de aguas residuales procedente del dispositivo de separación y/o la corriente de aguas residuales procedente del compresor para la condensación del agua y para la compresión del gas de síntesis y, de manera particularmente preferente, tanto la corriente de aguas residuales procedente del dispositivo de producción de gas de síntesis como la corriente de aguas residuales procedente del dispositivo de separación y la corriente de aguas residuales procedente del compresor para la condensación del agua y para la compresión del gas de síntesis se tratan de tal manera que puedan utilizarse directamente en otras partes de la planta, como en particular en el dispositivo de producción de gas de síntesis, en la síntesis de Fischer-Tropsch y, si existe, en la producción de hidrógeno. Por ejemplo, la corriente de aguas residuales del dispositivo de separación de dióxido de carbono y agua contiene cantidades significativas de iones amonio, así como cantidades significativas de iones calcio, magnesio, cloruro y sulfato. También contiene otros iones, como nitrato, nitruro, sulfuro, hierro y manganeso. Además, las corrientes de aguas residuales procedentes del dispositivo de producción de gas de síntesis, del dispositivo de separación y del compresor para condensar el agua y comprimir el gas de síntesis contienen iones silicio, sodio, calcio, boro, magnesio, hierro, litio, níquel y plomo. Para ello, se propone en el desarrollo ulterior de la idea de la invención que el dispositivo de desalinización esté diseñado de tal manera que el agua pueda desalinizarse y desgasificarse hasta tal punto que su conductividad sea inferior a 20 pS/cm, preferiblemente inferior a 10 pS/cm, de particular preferencia, inferior a 5 pS/cm y con máxima preferencia, como máximo 2 pS/cm. El agua desalinizada con una conductividad de como máximo 2 pS/cm también se denomina en la
presente invención agua totalmente desalinizada y el dispositivo de desalinización diseñado para este fin, dispositivo de desalinización completa. Para este fin, el dispositivo de desalinización, y preferiblemente el dispositivo de desalinización completa, tiene preferiblemente uno o más intercambiadores de aniones y cationes y un dispositivo de membrana para la desgasificación. Durante la desgasificación, el dióxido de carbono, el monóxido de carbono, el nitrógeno y el oxígeno se separan del agua en forma fiable. La descarga de los intercambiadores de aniones y cationes se realiza preferiblemente con ayuda de una solución de soda cáustica o ácido clorhídrico. El agua residual resultante tiene aproximadamente 6 veces la concentración de iones del agua antes de ser introducida en el dispositivo de desalinización y puede ser introducida en una planta municipal de aguas residuales como agua residual neutra debido a la descarga simultánea del intercambiador de cationes.
A continuación, el gas de síntesis se hace reaccionar en el dispositivo de Fischer-Tropsch para formar hidrocarburos. La síntesis de Fischer-Tropsch se lleva a cabo preferiblemente en un reactor con un catalizador a una temperatura de 170 a 270 °C, preferiblemente de 190 a 250 °C, y más preferiblemente de 210 a 230 °C, como 220 °C. Los catalizadores adecuados son en particular los seleccionados del grupo que consiste en catalizadores de cobalto, tales como preferiblemente Co/MMT (montmorillonita) o Co/SiO2. La síntesis de Fischer-Tropsch se lleva a cabo preferiblemente en uno o más aparatos de carcasa y tubos, situándose el catalizador en los tubos, mientras que el medio de refrigeración, preferiblemente agua de alimentación de caldera, se conduce en el espacio de la carcasa. Preferiblemente, el dispositivo de Fischer-Tropsch comprende uno o dos reactores para poder llevar a cabo la síntesis de Fischer-Tropsch en una o dos etapas. Por razones de coste, la síntesis de Fischer-Tropsch se realiza preferiblemente en una sola etapa. Por ejemplo, la síntesis de Fischer-Tropsch se lleva a cabo a una presión de 25 a 35 bares o, preferiblemente, a una presión superior de, por ejemplo, 45 bares. Cuanto mayor sea la presión, más pequeños se pueden construir los reactores. Preferiblemente, la síntesis de Fischer-Tropsch se lleva a cabo de modo que se consiga una conversión de monóxido de carbono del 92 % o superior. En la síntesis de Fischer-Tropsch, se obtienen condensados y ceras como productos líquidos, que se alimentan al dispositivo de refinado aguas abajo. La refrigeración del procedimiento fuertemente exotérmico de la síntesis de Fischer-Tropsch se efectúa mediante agua de alimentación de la caldera, que se introduce en el dispositivo de Fischer-Tropsch desde el dispositivo de desalinización a través de una tubería correspondiente y se evapora para enfriar los reactores. El vapor de agua producido en la síntesis de Fischer-Tropsch se alimenta preferiblemente, al menos en gran medida, al dispositivo de producción de gas de síntesis a través de la tubería de recirculación de vapor de agua preferida descrita con anterioridad. El vapor restante del dispositivo de Fischer-Tropsch se utiliza preferiblemente para calentar las demás unidades de la planta, de modo que no se requiere vapor externo.
En el dispositivo de refinado, los productos de la síntesis de Fischer-Tropsch se refinan en combustibles sintéticos, en particular combustible de turbina de aviación (queroseno), diésel y/o gasolina. Para la producción de parafina, diésel y gasolina utilizables industrialmente, es necesario convertir el producto parafínico de la síntesis de Fischer-Tropsch mediante hidroisomerización y craqueo (isocraqueo) de tal manera que se produzca un combustible de aviación de alta calidad con las propiedades en frío requeridas (preferiblemente con un valor límite de temperatura de la filtrabilidad correspondiente al “Cold Filter Plugging Point” de -40 °C como máximo). Los productos pesados se recirculan en el reactor de isocraqueo de tal manera que solo se producen queroseno y gasolina como productos. Los gases ligeros resultantes se introducen desde el dispositivo de refinado en el prerreformador como gases de procedimiento a través de la tubería de alimentación de gases de procedimiento descrita con anterioridad de manera preferida.
Para ello, el dispositivo de refinado comprende preferiblemente uno o más reactores de isocraqueo. Preferiblemente, el uno o más reactores de isocraqueo contienen un catalizador que no requiere sulfuración y, por lo tanto, evita la contaminación de los productos de reacción con componentes que contienen azufre, lo que, a su vez, permite que el gas de proceso generado durante el isocraqueo, así como el vapor de agua generado, se reciclen al dispositivo de producción de gas de síntesis, que preferiblemente comprende una o más celdas de electrólisis de óxido co-sólido. Las celdas de electrólisis de óxido co-sólido solo toleran sin sufrir daños concentraciones de azufre muy bajas, del orden de 1 pbp o menos. En particular, se obtienen buenos resultados cuando el catalizador de uno o más reactores de isocraqueo contiene un elemento seleccionado del grupo que consiste en rutenio, rodio, paladio, plata, renio, osmio, iridio, platino, oro, cobre, renio, mercurio y cualquier combinación de dos o más de los elementos anteriores. De manera particularmente preferida, el uno o más reactores de isocraqueo contienen un catalizador de platino/paladio como catalizador. El isocraqueo es una reacción catalítica en la que, en particular, los hidrocarburos parafínicos de cadena larga se convierten en isómeros de cadena más corta con propiedades mejoradas en frío para la producción de queroseno. La reacción catalítica se lleva a cabo preferiblemente en reactores de lecho que se enfrían con hidrógeno para garantizar la temperatura máxima del lecho. Por ejemplo, estos funcionan a una presión de al menos 70 bares.
Se prefiere, además, que el dispositivo de refinado incluya uno o más separadores de hidrógeno para separar hidrocarburos ligeros (concretamente hidrocarburos C1 a C4). La ventaja de utilizar hidrógeno como medio de separación en comparación con el vapor de agua utilizado convencionalmente para este fin es que el hidrógeno produce un efecto de separación significativamente mejor debido a su menor masa molecular en comparación con el vapor de agua y puede volver a introducirse en el procedimiento global a través del flujo de gas de retorno de hidrocarburos al dispositivo de producción de gas de síntesis. Esto significa que también se cumple en forma fiable el contenido máximo de azufre preferido en las aguas residuales del isocraqueo a la planta de purificación de agua.
Por último, el dispositivo de refinado comprende preferiblemente una o más columnas de destilación para separar los
combustibles sintéticos en fracciones individuales, como combustible de aviación y diésel, combustible de aviación y gasolina, combustible de aviación, gasolina y diésel, o similares.
Se necesita hidrógeno para el reactor de isocraqueo y para el extractor de hidrógeno. Con este fin, se propone, siguiendo la idea de la invención, que la planta comprenda, además, un dispositivo de producción de hidrógeno y, preferiblemente, también un dispositivo de compresión de hidrógeno. Preferiblemente, la producción de hidrógeno se lleva a cabo mediante una electrólisis alcalina de agua a baja temperatura y alta presión. Se prefiere, además, que la planta comprenda un medio de compresión de hidrógeno para llevar el hidrógeno producido en el medio de producción de hidrógeno a la presión de 60 a 80 bares, como 70 bares, necesaria para el refinado en el reactor de isocraqueo y en el separador de hidrógeno. Preferiblemente, el sistema comprende, además, una tubería de suministro de agua que va del dispositivo de desalinización al dispositivo de producción de hidrógeno, una tubería de suministro de aire que va al dispositivo de producción de hidrógeno, una tubería de hidrógeno que va del dispositivo de producción de hidrógeno al dispositivo de compresión de hidrógeno, una tubería de agua que va del dispositivo de compresión de hidrógeno al dispositivo de desalinización, y una tubería de hidrógeno que va del dispositivo de compresión de hidrógeno al dispositivo de refinado.
El agua residual producida en la síntesis de Fischer-Tropsch con alto contenido en hidrocarburos, como en particular alcoholes, aldehídos, ácidos carboxílicos, etc., con una demanda química de oxígeno (CSB) de aprox. 40.000 mg/l no puede alimentarse directamente a una planta municipal de aguas residuales biológicas. Además, contiene aproximadamente un 2 % en masa de hidrocarburos que, según la invención, deben utilizarse preferiblemente para la síntesis de material de fricción. Normalmente, las aguas residuales producidas en la síntesis de Fischer-Tropsch contienen cantidades significativas de metanol y etanol y, además, cantidades menores de propanoles, butanoles, 2-pentanol, n-hexano, acetaldehído, propionaldehído y acetona. Por este motivo, el agua residual de Fischer-Tropsch se conduce a la planta de depuración de agua a través de una tubería correspondiente. Además, el agua formada en el procedimiento de refinado también se alimenta preferiblemente al dispositivo de purificación de agua a través de una tubería correspondiente. El dispositivo de purificación de agua tiene preferiblemente una o más unidades de evaporación parcial, en las que preferiblemente al menos el 70 % del agua residual se separa por evaporación parcial y, por lo tanto, al menos el 75 % y preferiblemente al menos el 95 % de todos los hidrocarburos contenidos en ella. Alternativamente o además de una o más unidades de evaporación parcial, también pueden utilizarse preferiblemente todos los demás tipos de dispositivos de purificación de agua que separan del agua residual el vapor de agua y al menos el 75 % y preferiblemente al menos el 95 % de todos los hidrocarburos contenidos en ella. De acuerdo con la invención, al menos una parte y preferiblemente todo el vapor de agua separado y preferiblemente también los hidrocarburos separados se introducen en el prerreformador a través de la tubería de alimentación de agua o de la tubería de alimentación de vapor de agua.
De modo especialmente preferido, se utilizan una o más unidades de evaporación parcial como dispositivo de purificación de agua, una o más celdas de electrólisis de óxido co-sólido como dispositivo de producción de gas de síntesis, y el dispositivo de refinado contiene uno o más reactores de isocraqueo con un catalizador que no requiere sulfuración. De este modo, se garantiza en forma fiable que, en el dispositivo de producción de gas de síntesis, solo se introducen compuestos a través del prerreformador que no afectan negativamente a las celdas de electrólisis de óxido co-sólido como, por ejemplo, destruyéndolas y/o coquizándolas, incluso durante un período de funcionamiento prolongado.
Otro objeto de la presente invención es un procedimiento para producir combustibles sintéticos, en particular combustible para reactores, gasolina y/o diésel, que se lleva a cabo en una planta descrita con anterioridad.
Como se ha indicado con anterioridad, el procedimiento según la invención puede funcionar sin agua dulce o, como máximo, con una pequeña cantidad de agua dulce. Por esta razón, se prefiere que el procedimiento según la invención se suministre con menos del 20 %, preferiblemente menos del 10 %, de particular preferencia, menos del 5 % y con máxima preferencia, sin agua dulce en absoluto. Por suministro de agua fresca, se entiende, en este caso, el suministro de cualquier agua del exterior al sistema que no se haya extraído del aire ambiente en el dispositivo para la extracción por separado de dióxido de carbono y agua.
De acuerdo con otra realización preferida de la presente invención, se prevé que, en el dispositivo de separación, el dióxido de carbono se separe del gas de síntesis por absorción con al menos un compuesto de amina y preferiblemente con monoetanolamina y/o diglicolamina y agua.
Además, se prefiere que el agua en el dispositivo de desalinización se purifique a agua con una conductividad de menos de 20 pS/cm, preferiblemente menos de 10 pS/cm, de particular preferencia, menos de 5 pS/cm y, más preferiblemente, como máximo 2 pS/cm.
En un desarrollo ulterior de la invención, se propone que se descargue gas de antorcha desde el dispositivo de Fischer-Tropsch, en donde el flujo de gas de antorcha es mayor que el cociente del flujo másico de nitrógeno y de argón contenido en el flujo descargado desde el dispositivo para la recuperación separada de dióxido de carbono y agua del aire ambiente y la concentración total de nitrógeno y de argón ajustada en el flujo de gas de retorno desde el dispositivo de Fischer-Tropsch al prerreformador, en donde la concentración total de nitrógeno y de argón en el flujo de gas de retorno desde el dispositivo de Fischer-Tropsch hacia el prerreformador se ajusta preferiblemente entre 1,5 y 10 % en
masa. De este modo, se evita en forma fiable la acumulación de gases inertes, como nitrógeno y argón, en el dispositivo de producción de gas de síntesis y en el dispositivo de Fischer-Tropsch.
De acuerdo con la invención, el gas de proceso producido en el dispositivo de refinado, que preferiblemente contiene hidrógeno e hidrocarburos C1-5, y/o el gas de retorno producido en el dispositivo de Fischer-Tropsch, que preferiblemente contiene hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, agua, nitrógeno e hidrocarburos C1-7, se alimenta al prerreformador, en el que se convierten en metano, óxidos de carbono, agua e hidrógeno, antes de que el gas así producido se alimente al dispositivo de producción de gas de síntesis. Preferiblemente, tanto el gas de proceso producido en el dispositivo de refinado como el gas de retorno producido en el dispositivo de Fischer-Tropsch se alimentan al prerreformador.
También se obtienen buenos resultados, en particular, si la planta presenta un dispositivo de producción de hidrógeno, así como un dispositivo de compresión de hidrógeno, y el dispositivo de refinado comprende uno o más reactores de isocraqueo, un extractor de hidrógeno y una o más columnas de destilación, en donde el hidrógeno producido en el dispositivo de producción de hidrógeno se alimenta al dispositivo de compresión de hidrógeno y se comprime en él, y el hidrógeno comprimido se alimenta al reactor de isocraqueo, así como al extractor de hidrógeno del dispositivo de refinado. El agua necesaria para producir el hidrógeno se suministra preferiblemente al dispositivo de producción de hidrógeno desde el dispositivo de desalinización.
De acuerdo con otra realización preferida de la presente invención, se prevé que el dispositivo de refinado comprenda un reactor de isocraqueo que contenga un catalizador que no requiera sulfuración. Preferiblemente, el catalizador contiene un elemento seleccionado del grupo que consiste en rutenio, rodio, paladio, plata, renio, osmio, iridio, platino, oro, cobre, renio, mercurio, y cualquier combinación de dos o más de los elementos anteriores. Es particularmente preferible que el catalizador contenga platino/paladio. Es particularmente preferible que el sistema no contenga ningún catalizador que requiera sulfuración.
En el desarrollo de la invención, se propone que el agua del dispositivo de Fischer-Tropsch y el agua del dispositivo de refinado se suministren al dispositivo de purificación de agua, el agua en el dispositivo de purificación de agua se purifica mediante evaporación parcial de tal manera que al menos el 70 % de las aguas residuales se separa por evaporación parcial y, por lo tanto, al menos el 75 % y preferiblemente al menos el 95 % de todos los hidrocarburos. El vapor y los hidrocarburos así separados se alimentan al prerreformador y el agua no evaporada parcialmente con un CSB inferior a 2.000 mg/l se alimenta a una planta municipal de tratamiento de aguas residuales.
Preferiblemente, al menos el 80 %, más preferiblemente al menos el 90 %, más preferiblemente al menos el 95 % y, con máxima preferencia, el 100 % del agua producida en el dispositivo de extracción por separado de dióxido de carbono y agua del aire ambiente, en el dispositivo de producción de gas de síntesis, en el dispositivo de separación, así como en el dispositivo opcional de compresión de hidrógeno, se alimenta al dispositivo de desalinización.
Se prefiere, además, que el dióxido de carbono se separe tan completamente del gas de síntesis en el dispositivo de separación que menos del 5 % en masa de dióxido de carbono esté contenido en el gas de retorno producido a partir del gas de síntesis en el dispositivo de Fischer-Tropsch.
Por último, se prefiere que el combustible para reactores, la gasolina y/o el diésel, y preferiblemente tanto el combustible para reactores como la gasolina, se produzcan en el dispositivo de refinado.
La presente invención se describe con más detalle a continuación con referencia al dibujo, en el que:
Fig. 1 muestra una vista esquemática de una planta utilizada para la producción de combustibles sintéticos.
La planta 10 de producción de combustible sintético mostrada en la Figura 1 comprende:
a) un dispositivo 12 para la extracción por separado de dióxido de carbono y agua del aire ambiente, que comprende una tubería 14 de suministro de aire y una tubería 16 de escape,
b) un dispositivo 18 de producción de gas de síntesis para producir un gas de síntesis bruto que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, dióxido de carbono y agua, en donde el dispositivo 18 de producción de gas de síntesis presenta una tubería 20 de alimentación para el dióxido de carbono procedente del dispositivo 12 para la extracción por separado de dióxido de carbono y agua del aire ambiente, una tubería 22 de alimentación para el aire y una tubería 24 de alimentación para el agua o el vapor de agua, y una tubería 25 de evacuación de gas de síntesis bruto,
c) un dispositivo 26 de separación para separar el dióxido de carbono y el agua del gas de síntesis bruto producido en el dispositivo 18 de producción de gas de síntesis, con una tubería 27 de retorno de dióxido de carbono que se abre desde el dispositivo 26 de separación hacia la tubería 20 de suministro de dióxido de carbono procedente del dispositivo 16 para la extracción por separado de dióxido de carbono y agua del aire ambiente hacia el dispositivo 18 de producción de gas de síntesis,
d) un dispositivo 28 de Fischer-Tropsch para producir hidrocarburos mediante un procedimiento de Fischer-Tropsch a partir del gas de síntesis del que se han separado el dióxido de carbono y el agua en el dispositivo 26 de separación,
en donde el gas de síntesis se suministra al dispositivo 28 de Fischer-Tropsch a través de una tubería 29 de suministro de gas de síntesis que va desde el dispositivo 26 de separación hasta el dispositivo 28 de Fischer-Tropsch,
e) un dispositivo 30 de refinado para refinar los hidrocarburos producidos en el dispositivo 28 de Fischer-Tropsch y convertirlos en combustibles de síntesis, que está conectado al dispositivo de Fischer-Tropsch a través de una tubería 31 de suministro de hidrocarburos,
f) un dispositivo 32 de desalinización para desalinizar agua, en donde el dispositivo 32 de desalinización comprende una tubería 34 de suministro de agua procedente del dispositivo 12 para extraer por separado dióxido de carbono y agua del aire ambiente, una tubería 36 de suministro de agua procedente del dispositivo 18 de producción de gas de síntesis y una tubería 38 de suministro de agua procedente del dispositivo 26 de separación y una tubería 40 de descarga de agua al dispositivo 28 de Fischer-Tropsch; y
g) un dispositivo 42 de purificación de agua que comprende una tubería 44 de suministro de agua procedente del dispositivo 30 de refinado y una tubería 46 de suministro de agua procedente del dispositivo 28 de Fischer-Tropsch, cada uno para purificar el agua producida en los mismos.
El sistema 10 comprende, además, un prerreformador 48 para convertir hidrocarburos superiores en metano, óxidos de carbono, agua e hidrógeno. Una tubería 50 de suministro de vapor procedente del dispositivo 42 de purificación de agua también conduce al prerreformador 48. Además, una tubería 52 de suministro para gas de proceso y gas de retorno conduce al prerreformador 48, que se alimenta de la tubería 54 de descarga de gas de proceso procedente del dispositivo 30 de refinado y de la tubería 56 de descarga de gas procedente del dispositivo 28 de Fischer-Tropsch. Una parte del gas descargado desde el dispositivo 28 de Fischer-Tropsch se alimenta de la tubería 54 de descarga de gas de proceso. Una parte del gas descargado del dispositivo 28 de Fischer-Tropsch se alimenta a la tubería 52 de alimentación, mientras que el resto se descarga de la planta 10 a través de la tubería 58 de antorcha. Desde el prerreformador 48, una tubería 62 de circulación desemboca en la tubería 24 de alimentación para agua o vapor de agua y, desde allí, en el dispositivo 18 de producción de gas de síntesis para introducir los compuestos metano, óxidos de carbono, agua e hidrógeno formados en el prerreformador 48 en el dispositivo 18 de producción de gas de síntesis. Una tubería 63 de retorno de vapor de agua también desemboca en la tubería 24 de alimentación, que está conectada a una tubería 64 de eliminación de vapor de agua que sale del dispositivo 28 de Fischer-Tropsch. La tubería 64 de eliminación de vapor de agua se bifurca en una tubería 63 de retorno de vapor de agua y en una tubería 65 de exceso de vapor de agua, que se aleja de la tubería 64 de eliminación de vapor de agua.
Por último, la planta 10 también comprende un dispositivo 66 de producción de hidrógeno, así como un dispositivo 68 de compresión de hidrógeno para producir el hidrógeno que se requiere en el dispositivo 30 de refinado. Una tubería 70 de suministro de agua procedente del dispositivo 32 de desalinización y una tubería 72 de suministro de aire conducen al dispositivo 66 de producción de hidrógeno. Además, el dispositivo 66 de producción de hidrógeno comprende una tubería 74 de aire de escape y una tubería 76 de hidrógeno que conducen al dispositivo 68 de compresión de hidrógeno. Desde el dispositivo 68 de compresión de hidrógeno, una tubería 78 de hidrógeno desemboca en el dispositivo 30 de refinado y una tubería 80 de agua desemboca en el dispositivo 32 de desalinización.
El dispositivo 30 de refinado comprende uno o más reactores de isocraqueo (no mostrados), un extractor de hidrógeno (no mostrado), y una o más columnas de destilación (no mostradas). Además, el dispositivo 30 de refinado comprende una tubería 82 de queroseno y una tubería 84 de gasolina.
Además, las tuberías 86, 86', 86” de aguas residuales proceden del dispositivo 32 de desalinización, del dispositivo 28 de Fischer-Tropsch y del dispositivo 42 de purificación de agua. Por último, el dispositivo 18 de producción de gas de síntesis también comprende una tubería 74' de aire de escape.
En el funcionamiento de la planta 10, se suministra aire a través de la tubería 16 de suministro de aire al dispositivo 12 para la extracción por separado de dióxido de carbono y agua del aire ambiente, del que se separan el dióxido de carbono y el agua en el dispositivo 12. El aire restante se descarga del dispositivo 12 a través de la tubería 16 de aire de escape, mientras que, en el dispositivo 12, el agua se separa del dióxido de carbono por condensación. El dióxido de carbono separado se introduce a través de la tubería 20 de alimentación en el dispositivo 18 de producción de gas de síntesis, en el que el vapor de agua que contiene metano, óxidos de carbono e hidrógeno y el aire también se introducen a través de las tuberías 24, 22 de alimentación. En el dispositivo 18 de producción de gas de síntesis, se produce un gas de síntesis bruto compuesto por monóxido de carbono, hidrógeno, vapor de agua y dióxido de carbono, del que se separa gran parte del agua por condensación. El agua separada se conduce a través de la tubería 38 de suministro de agua al dispositivo 32 de desalinización, mientras que el gas de síntesis bruto se conduce a través de la tubería 25 al dispositivo 26 de separación. Allí, el dióxido de carbono se separa del gas de síntesis bruto mediante absorción, que se alimenta a través de la tubería 27 a la tubería 20 y a través de esta al dispositivo 18 de producción de gas de síntesis. Además, el agua se separa del gas de síntesis bruto por condensación en el dispositivo 26 de separación, que se alimenta a través de la tubería 38 al dispositivo 32 de desalinización. El agua separada en el dispositivo 12 también se suministra al dispositivo 32 de desalinización a través de la tubería 34 de suministro de agua. Finalmente, el gas de síntesis purificado se alimenta a través de la tubería 29 al dispositivo 28 de Fischer-Tropsch, donde el gas de síntesis se convierte principalmente en hidrocarburos parafínicos normales. Estos hidrocarburos se alimentan a través de la tubería 31 al dispositivo 30 de refinado, donde se convierten mediante hidroisomerización y
craqueo (isocraqueo) en combustibles crudos sintéticos, que se separan en el extractor de hidrógeno y se separan en una o más columnas de destilación del dispositivo 30 de refinado en las fracciones de queroseno y gasolina, que se descargan de la planta 10 a través de las tuberías 82, 84. El agua producida en el dispositivo 28 de Fischer-Tropsch y en el dispositivo 30 de refinado se alimenta a través de las tuberías 46, 44 al dispositivo 42 de purificación de agua, en la que el agua residual se purifica por evaporación parcial. La reacción llevada a cabo en el dispositivo 28 de Fischer-Tropsch es una reacción muy exotérmica que debe enfriarse. Para ello, se suministra agua totalmente desalinizada desde el dispositivo 32 de desalinización al dispositivo 28 de Fischer-Tropsch a través de la tubería 40 de eliminación de agua, por lo que el calor de reacción resultante de la síntesis de Fischer-Tropsch se elimina mediante la generación de vapor de agua a través de la tubería 64 de eliminación de vapor de agua. La mayor parte del vapor de agua se suministra al dispositivo 18 de producción de gas de síntesis a través de la tubería 63 de retorno de vapor de agua y la tubería 24 de suministro, mientras que el exceso de vapor de agua del dispositivo 28 de Fischer-Tropsch se descarga a través de la tubería 65 de exceso de vapor de agua y se utiliza, por ejemplo, para evaporar el agua residual que sale del dispositivo 28 de Fischer-Tropsch a través de la tubería 46 de suministro de agua hacia el dispositivo 42 de depuración de agua. La corriente de vapor de agua descargada a través de la tubería 50 de alimentación de vapor de agua que conduce al prerreformador 48 contiene aproximadamente un 2 % de hidrocarburos que se convierten en metano, óxidos de carbono, agua e hidrógeno en el prerreformador 48. Las aguas residuales tratadas restantes se vierten al sistema municipal de tratamiento de aguas residuales a través de la tubería 86”. Además, el gas de retorno generado en el dispositivo 28 de Fischer-Tropsch y el gas de proceso generado en el procedimiento de refinado se alimentan a través de las tuberías 54, 56, 52 al prerreformador 48, donde los hidrocarburos superiores se convierten en metano, óxidos de carbono, agua e hidrógeno. La corriente que comprende metano, óxidos de carbono, agua e hidrógeno producidos en el prerreformador 48 se conduce a través de la tubería 62 de circulación junto con la corriente de vapor procedente de la tubería 63 de retorno de vapor a la tubería 24 de alimentación y desde allí al dispositivo 18 de producción de gas de síntesis.
En el dispositivo 66 de producción de hidrógeno, el hidrógeno se produce a partir del aire suministrado a través de la tubería 72 y el agua suministrada a través de la tubería 70, que se suministra como una mezcla con vapor de agua a través de la tubería 76 al dispositivo 68 de compresión de hidrógeno, en el que el hidrógeno se comprime a la presión requerida y al mismo tiempo el agua contenida se separa por condensación. Mientras que el hidrógeno comprimido se alimenta al dispositivo 30 de refinado a través de la tubería 78, el agua separada se alimenta al dispositivo 32 de desalinización a través de la tubería 80.
La presente invención se describe a continuación mediante un ejemplo ilustrativo que no es limitativo de la invención.
Ejemplo
El procedimiento según la invención se simuló en una planta mostrada en la Figura 1 y descrita con anterioridad con el software de simulación de procedimientos PRO/II (AVEVA) para la producción de 15.000 litros de queroseno al día. Se obtuvieron los siguientes flujos de producto para las tuberías individuales:
Lista de signos de referencia
10 Planta para la producción de combustibles sintéticos
12 Dispositivo para la extracción por separado de dióxido de carbono y agua del aire ambiente
14 Tubería de alimentación de aire
16 Tubería de aire de escape
18 Dispositivo de producción de gas de síntesis
20 Tubería de suministro de dióxido de carbono al dispositivo de producción de gas de síntesis
22 Tubería de suministro de aire al dispositivo de producción de gas de síntesis
24 Tubería de suministro de agua o vapor de agua al dispositivo de producción de gas de síntesis
25 Tubería de descarga de gas de síntesis bruto al dispositivo de separación
26 Dispositivo de separación para separar el dióxido de carbono y el agua del gas de síntesis bruto
27 Tubería de retorno de dióxido de carbono desde el dispositivo de separación
28 Dispositivo de Fischer-Tropsch
29 Tubería de alimentación de gas de síntesis desde el dispositivo de separación hasta el dispositivo de Fischer-Tropsch
30 Dispositivo de refinado
31 Tubería de alimentación de hidrocarburos
32 Dispositivo de desalinización
34 Tubería de suministro de agua desde el dispositivo para la extracción por separado de dióxido de carbono y agua del aire ambiente hasta el dispositivo de desalinización
36 Tubería de suministro de agua desde el dispositivo de producción de gas de síntesis hasta el dispositivo de desalinización
38 Tubería de suministro de agua desde el dispositivo de separación hasta el dispositivo de desalinización 40 Tubería de descarga de agua desde el dispositivo de desalinización hasta el dispositivo de Fischer-Tropsch 42 Dispositivo de depuración de agua
44 Tubería de suministro de agua desde el dispositivo de refinado hasta el dispositivo de depuración de agua 46 Tubería de suministro de agua desde el dispositivo de Fischer-Tropsch al dispositivo de purificación de agua 48 Prerreformador
50 Tubería de alimentación de vapor al prerreformador
52 Tubería de suministro de gas de proceso y gas de retorno al prerreformador
54 Tubería de descarga de gas de proceso
56 Tubería de descarga de gas
58 Tubería de descarga de gas de antorcha
62 Tubería de recirculación desde el prerreformador
63 Tubería de retorno de vapor de agua del dispositivo de Fischer-Tropsch
64 Tubería de descarga de vapor de agua del dispositivo de Fischer-Tropsch
65 Tubería de exceso de vapor de agua del dispositivo de Fischer-Tropsch
66 Dispositivo de producción de hidrógeno
68 Dispositivo de compresión de hidrógeno
70 Tubería de suministro de agua al dispositivo de producción de hidrógeno
72 Tubería de suministro de aire
74,74' Tubería de aire de escape
76 Tubería de hidrógeno al dispositivo de compresión de hidrógeno
78 Tubería de hidrógeno al dispositivo de refinado
80 Tubería de descarga de agua al dispositivo de desalinización
82 Tubería de queroseno
84 Tubería de gasolina
86, 86', 86” Tubería de aguas residuales
Claims (15)
1. Planta (10) para la producción de combustibles sintéticos, en particular carburante para reactores (queroseno), gasolina y/o diésel, que comprende:
a) un dispositivo (12) para extraer por separado dióxido de carbono y agua del aire ambiente,
b) un dispositivo (18) de producción de gas de síntesis para producir un gas de síntesis bruto que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, dióxido de carbono y agua, en donde el dispositivo (18) de producción de gas de síntesis presenta una tubería (20) de suministro de dióxido de carbono que sale del dispositivo (12) para extraer por separado el dióxido de carbono y el agua del aire ambiente, una tubería (22) de suministro de aire y una tubería (24) de suministro de agua,
c) un dispositivo (26) de separación para separar el dióxido de carbono y el agua del gas de síntesis bruto producido en el dispositivo (18) de producción de gas de síntesis,
d) un dispositivo (28) de Fischer-Tropsch para producir hidrocarburos mediante un procedimiento de Fischer-Tropsch a partir del gas de síntesis del que se han separado el dióxido de carbono y el agua en el dispositivo (26) de separación,
e) un dispositivo (30) de refinado para refinar los hidrocarburos producidos en el dispositivo (28) de Fischer-Tropsch y convertirlos en combustibles sintéticos,
f) un dispositivo (32) de desalinización para desalinizar agua, en donde el dispositivo (32) de desalinización presenta una tubería (34) de suministro de agua desde el dispositivo (12) para obtener por separado el dióxido de carbono y el agua del aire ambiente, así como una tubería (40) de descarga de agua hacia el dispositivo (28) de Fischer-Tropsch; y
g) un dispositivo (42) de purificación de agua que comprende una tubería (46) de suministro de agua que sale del dispositivo (28) de Fischer-Tropsch para purificar el agua producida en el mismo,
en donde la planta comprende, además, un prerreformador (48) para convertir los hidrocarburos producidos en el dispositivo de Fischer-Tropsch y en el dispositivo de refinado en metano, óxidos de carbono, agua e hidrógeno, así como i) una tubería (50) de alimentación de vapor de agua que va desde el dispositivo (42) de purificación de agua hasta el prerreformador (48), ii) una tubería (54, 52) de alimentación de gas de proceso que va desde el dispositivo (30) de refinado hasta el prerreformador (48) y/o una tubería (56, 52) de gas de retorno que va desde el dispositivo (28) de Fischer-Tropsch hasta el prerreformador (48); y iii) una tubería (62) de recirculación de agua que va desde el prerreformador (48) hasta la tubería (24) de alimentación conectada al dispositivo (18) de producción de gas de síntesis.
2. Planta (10) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque no presenta una tubería de suministro de agua dulce.
3. Planta (10) de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizada porque el dispositivo (42) de purificación de agua está diseñado como un evaporador parcial, en el que, además de agua, también se evaporan parcialmente los hidrocarburos que contiene.
4. Planta (10) de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el dispositivo (30) de refinado comprende al menos un reactor de isocraqueo, en donde el al menos un reactor de isocraqueo presenta un catalizador que no requiere sulfuración y preferiblemente un catalizador de metal noble.
5. Planta (10) de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el dispositivo (32) de desalinización para desalinizar el agua presenta también una tubería (36) de suministro de agua desde el dispositivo (18) de producción de gas de síntesis y una tubería (38) de suministro de agua desde el dispositivo (26) de separación.
6. Planta (10) de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el dispositivo (42) de purificación de agua comprende, además, una tubería (44) de suministro de agua que sale del dispositivo (30) de refinado para purificar el agua que se acumula en él.
7. Planta (10) de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el dispositivo (18) de producción de gas de síntesis comprende una o más celdas de electrólisis de óxido co-sólido.
8. Planta (10) de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el dispositivo (26) de separación comprende un lavador de aminas para separar el dióxido de carbono por absorción del gas de síntesis, un compresor para condensar el agua y para comprimir el gas a la presión requerida en la síntesis de Fischer-Tropsch, una tubería (27) de retorno de dióxido de carbono que conduce al dispositivo (18) de producción de gas de síntesis o a la tubería (20) de dióxido de carbono que va desde el dispositivo (12) para la obtención por separado de dióxido de carbono y agua al dispositivo (18) de producción de gas de síntesis, así como una tubería (29) de suministro de gas de síntesis que conduce al dispositivo (28) de Fischer-Tropsch.
9. Planta (10) de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el dispositivo (32) de desalinización comprende uno o más intercambiadores de aniones y cationes, así como un dispositivo de membrana para la desgasificación, que están diseñados de tal manera que el agua puede desalinizarse y desgasificarse hasta tal punto que su conductividad es inferior a 20 pS/cm, preferiblemente inferior a 10 pS/cm, de particular preferencia, inferior a 5 pS/cm y, con máxima preferencia, como máximo 2 pS/cm.
10. Planta (10) de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque presenta, además, un dispositivo (66) de producción de hidrógeno así como un dispositivo (68) de compresión de hidrógeno, en donde la planta (10) presenta, además, una tubería (70) de agua que va desde el dispositivo (12) para desalinizar agua hasta el dispositivo (66) de producción de hidrógeno, una tubería (80) de agua que va desde el dispositivo (68) de compresión de hidrógeno hasta el dispositivo (32) de desalinización, una tubería (76) de hidrógeno que va desde el dispositivo (66) de producción de hidrógeno hasta el dispositivo (68) de compresión de hidrógeno, así como una tubería (78) de hidrógeno que va desde el dispositivo (68) de compresión de hidrógeno hasta el dispositivo (30) de refinado.
11. Procedimiento de producción de combustibles sintéticos, en particular carburantes para reactores (queroseno), gasolina y/o diésel, que se realiza en una planta (10) de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores.
12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque, en el procedimiento, se suministra menos del 20 %, preferiblemente menos del 10 %, más preferiblemente menos del 5 % y, con máxima preferencia, no se suministra agua fresca, en donde el suministro de agua fresca significa el suministro de cualquier agua del exterior a la planta que no haya sido extraída en el dispositivo para la extracción por separado de dióxido de carbono y agua del aire ambiente.
13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11 o 12, caracterizado porque, en el dispositivo (32) de desalinización, el agua se purifica hasta obtener agua con una conductividad inferior a 20 pS/cm, preferiblemente inferior a 10 pS/cm, de particular preferencia, inferior a 5 pS/cm y, con máxima preferencia, de como máximo 2 pS/cm.
14. Procedimiento de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado porque se descarga gas de antorcha desde el dispositivo (28) de Fischer-Tropsch, en donde el caudal de gas de antorcha es mayor que el cociente del caudal másico de nitrógeno y de argón contenido en el caudal descargado desde el dispositivo (12) para la obtención por separado de dióxido de carbono y agua del aire ambiente y la concentración total de nitrógeno y de argón ajustada en el caudal de gas de retorno desde el dispositivo (28) de Fischer-Tropsch hasta el prerreformador (48), en donde la concentración total de nitrógeno y de argón en el flujo de gas de retorno desde el dispositivo (28) de Fischer-Tropsch hasta el prerreformador (48) se ajusta preferiblemente del 1,5 al 10 % en masa.
15. Procedimiento de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque la planta (10) presenta un dispositivo (66) de producción de hidrógeno y un dispositivo (68) de compresión de hidrógeno y el dispositivo (30) de refinado comprende uno o más reactores de isocraqueo, un extractor de hidrógeno y una o más columnas de destilación, en donde el hidrógeno producido en el dispositivo (66) de producción de hidrógeno se alimenta al dispositivo (68) de compresión de hidrógeno y se comprime en él, y el hidrógeno comprimido se alimenta al extractor de hidrógeno del dispositivo (30) de refinado.
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