ES2983254T3 - Un proceso y un reactor para convertir dióxido de carbono en monóxido de carbono, que implica un catalizador - Google Patents

Un proceso y un reactor para convertir dióxido de carbono en monóxido de carbono, que implica un catalizador Download PDF

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Robert Schouwenaar
Dominik Johannes Michael Unruh
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Abstract

La presente invención se refiere a un procedimiento para convertir dióxido de carbono e hidrógeno mediante la realización de una reacción inversa de desplazamiento de gas de agua a temperatura elevada, comprendiendo el procedimiento la introducción de dióxido de carbono, hidrógeno y oxígeno en un recipiente de reacción que tiene una entrada y una salida, y, en donde la reacción inversa de desplazamiento de gas de agua tiene lugar en dos zonas diferentes del recipiente de reacción, siendo una zona superior (z1) adyacente a una zona inferior (z2), en donde (a) no hay catalizador presente en la zona superior (z1) del recipiente de reacción, y (b) al menos una corriente de gas que comprende dióxido de carbono, una corriente de gas rica en hidrógeno y una corriente de gas rica en oxígeno se introducen en la entrada en la zona superior (z1) del recipiente de reacción en corrientes de alimentación separadas, en donde la corriente de gas rica en hidrógeno se introduce en el recipiente de reacción a una temperatura entre 15 y 450°C, (c) la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno se introducen en estrecha proximidad una de la otra, en donde al menos la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno se introducen en el recipiente de reacción a través de un quemador que comprende canales coaxiales para la introducción separada de las diferentes corrientes de gas, (d) la temperatura en la zona superior (z1) del recipiente de reacción se mantiene en el intervalo de 700 a 1200 °C mediante la variación del flujo de cualquiera de las corrientes de gas que se introducen en el recipiente de reacción; y (e) la zona inferior (z2) del recipiente de reacción está provista de un lecho catalizador que comprende un catalizador de desplazamiento de gas de agua inverso, estando colocada la parte superior del lecho catalizador a una distancia del quemador en la zona superior (z1) suficiente para evitar daños por impacto de llama en el lecho catalizador; (f) en donde en la zona inferior (z2) del recipiente de reacción tiene lugar una reacción catalítica de desplazamiento de gas de agua inverso a temperaturas elevadas, convirtiendo de este modo dióxido de carbono e hidrógeno no convertidos; para producir una corriente de producto que comprende principalmente monóxido de carbono, hidrógeno y agua. El proceso es útil para reducir la huella de carbono de ciertas tecnologías industriales y, además, es útil en la producción de gas de síntesis. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Un proceso y un reactor para convertir dióxido de carbono en monóxido de carbono, que implica un catalizador
Descripción
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un proceso que implica un catalizador para convertir dióxido de carbono e hidrógeno en una corriente de producto que comprende monóxido de carbono, agua e hidrógeno. Además, la presente invención se refiere a una unidad de proceso catalítico de desplazamiento inverso de agua-gas, adecuada para su uso en dicho proceso.
El proceso y la unidad de proceso son útiles para reducir la huella de carbono de determinadas tecnologías industriales. Además, el proceso y la unidad de proceso son útiles en la producción de gas de síntesis.
Antecedentes de la invención
El aumento de la demanda de energía como resultado del crecimiento económico y el desarrollo mundiales ha contribuido a la liberación de gases de efecto invernadero a la atmósfera. El aumento de la concentración de gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono, ha provocado el calentamiento global. Es imperativo reducir la huella de carbono global para mitigar el calentamiento global y este ha sido considerado como uno de los desafíos más importantes a los que se enfrenta la humanidad en el siglo XXI. La capacidad del sistema terrestre para absorber las emisiones de gases de efecto invernadero ya se ha agotado y, según el acuerdo de París sobre el clima, las emisiones actuales deben detenerse por completo hasta 2070 aproximadamente. Para lograr estas reducciones, el escenario energético mundial debe evolucionar para alejarse de los vectores energéticos convencionales basados en combustibles fósiles y disminuir también la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera. La implementación oportuna de la transición energética requiere múltiples enfoques en paralelo. Por ejemplo, la conservación de la energía, las mejoras en la eficiencia energética y la electrificación desempeñan un papel importante, pero también los esfuerzos por utilizar dióxido de carbono para producir otros compuestos desempeñan un papel importante como sustituto de las materias primas basadas en combustibles fósiles. Por ejemplo, el gas de síntesis (es decir, una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono) puede producirse a partir de dióxido de carbono. El gas de síntesis es un elemento fundamental para producir varios productos químicos y combustibles útiles.
Históricamente, el gas de síntesis se produce normalmente a partir del reformado con vapor usando, por ejemplo, gas natural como materia prima u oxidación parcial de la materia prima de residuos de carbón o petróleo pesado. Todos estos procesos implican la producción de dióxido de carbono como subproducto de las reacciones de reformado con vapor o reacciones de oxidación parcial. Para reducir realmente las concentraciones de dióxido de carbono, la utilización de materias primas a base de combustibles fósiles no es una solución viable. Como alternativa, la reacción de desplazamiento inverso de agua-gas (RWGS) se puede usar para preparar gas de síntesis, usando dióxido de carbono como material de partida. Sin embargo, la reacción del dióxido de carbono con el hidrógeno a través de la reacción RWGS para producir monóxido de carbono y agua es de naturaleza endotérmica. Se debe suministrar suficiente energía térmica a los reactivos (es decir, dióxido de carbono e hidrógeno) para facilitar la reacción RWGS endotérmica. Una cantidad sustancial de monóxido de carbono se produce a partir del dióxido de carbono a temperaturas superiores a 600 °C y alcanza un máximo a temperaturas de aproximadamente 1200 °C. La reacción RWGS a temperaturas más bajas, a aproximadamente 700-1000 °C, requiere catalizadores para permitir la conversión del dióxido de carbono en monóxido de carbono. Estos catalizadores deben soportar altas temperaturas y ser resistentes a los venenos de los catalizadores, tales como los compuestos que contienen azufre.
Actualmente, el estado de los desarrollos de RWGS se encuentra a escala de laboratorio (Catalyst Screening and Kinetic Modeling for CO Production by High Pressure and Temperature Reverse Water Gas Shift for Fischer-Tropsch Applications, Francisco Vidal Vázquez, Peter Pfeifer, Juha Lehtonen, Paolo Piermartini, Pekka Simell and Ville Alopaeus, Ind. Eng. Chem. Res. 2017, 56, 13262-13272; Kinetic study of the reverse water gas shift reaction in hightemperature, high pressure homogeneous systems, Felipe Bustamante1, Robert Enick, Kurt Rothenberger, Bret Howard, Anthony Cugini, Michael Ciocco and Bryan Morreale, Fuel Chemistry Division Preprints 2002, 47(2), 663).
El documento US20150336795 describe un proceso para la preparación en paralelo de hidrógeno, monóxido de carbono y un producto que comprende carbono, en donde uno o más hidrocarburos se descomponen térmicamente y al menos parte de la mezcla de gases que comprende hidrógeno formada se extrae de la zona de reacción del reactor de descomposición a una temperatura de desde 800 hasta 1400 °C y se hace reaccionar con dióxido de carbono para formar una mezcla de gases que comprende monóxido de carbono e hidrógeno.
Para la conversión a gran escala de dióxido de carbono, existe la necesidad de poder llevar a cabo la reacción RWGS de manera más eficiente y económica. Lograr una alta conversión selectiva del dióxido de carbono en monóxido de carbono y evitar la formación de subproductos como el metano y el carbono requieren altas temperaturas de alrededor de 1200 °C, lo que requiere el calor de hornos externos, lo que plantea considerables desafíos de ingeniería a la vez que se amplía a gran escala. Por tanto, es imperativo que se requiera un nuevo proceso RWGS para convertir de manera eficiente el dióxido de carbono en monóxido de carbono a altas temperaturas a gran escala.
El proceso de la presente descripción proporciona una solución a dicha necesidad.
Resumen de la invención
Por consiguiente, la presente descripción se refiere a un proceso para convertir dióxido de carbono e hidrógeno mediante la realización de una reacción de desplazamiento inverso de agua-gas a temperatura elevada, proceso que comprende la introducción de dióxido de carbono, hidrógeno y oxígeno en un recipiente de reacción que tiene una entrada y una salida, y en donde la reacción de desplazamiento inverso de agua-gas tiene lugar en dos zonas diferentes del recipiente de reacción, siendo una zona superior (z1) adyacente a una zona inferior (z2), en donde
(a) no hay ningún catalizador presente en la zona superior (z1) del recipiente de reacción, y
(b) al menos una corriente de gas que comprende dióxido de carbono, una corriente de gas rica en hidrógeno y una corriente de gas rica en oxígeno se introduce en la entrada de la zona superior (z1) del recipiente de reacción en corrientes de alimentación separadas, en donde la corriente de gas rica en hidrógeno se introduce en el recipiente de reacción a una temperatura entre 15 y 450 °C, y
(c) la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno se introducen muy cerca una de otra, de modo que al menos la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno se introducen en el recipiente de reacción a través de un quemador que comprende canales coaxiales para la introducción por separado de las diferentes corrientes de gas, estando situado el quemador en la parte superior del recipiente de reacción, en donde el hidrógeno y el oxígeno de la corriente de gas rica en hidrógeno y de la corriente de gas rica en oxígeno experimentan una reacción de combustión al entrar en el recipiente de reacción, proporcionando así la energía calorífica necesaria para la reacción inversa de desplazamiento de agua-gas; y
(d) la temperatura en la zona superior (z1) del recipiente de reacción se mantiene en el intervalo de 700 a 1200 °C, preferiblemente en el intervalo de 700 °C a 900 °C, variando el flujo de cualquiera de las corrientes de gas que se introducen en el recipiente de reacción; y
(e) la zona inferior (z2) del recipiente de reacción está provista de un lecho catalizador que comprende un catalizador de desplazamiento inverso del agua-gas, colocándose la parte superior del lecho catalizador a una distancia del quemador en la zona superior (z1) suficiente para evitar daños por el impacto de la llama en el lecho catalizador;
(f) en donde en la zona inferior (z2) del recipiente de reacción tiene lugar una reacción catalítica inversa de desplazamiento de agua-gas a temperaturas elevadas, convirtiendo así el dióxido de carbono no convertido y el hidrógeno;
producir una corriente de productos que comprende principalmente monóxido de carbono, hidrógeno y agua;
en donde, en la etapa (c), la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno se introducen en el recipiente de reacción muy cerca pero no una al lado de la otra; y
en donde parte de la corriente de gas que contiene dióxido de carbono se introduce a través de un canal entre la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno.
Ventajosamente, en el presente proceso, el calor requerido para la reacción de desplazamiento inverso de agua-gas en la zona superior (z l) y la reacción catalítica de cambio inverso de agua-gas en la zona inferior (z2) se proporciona mediante la combustión de oxígeno e hidrógeno dentro de la zona superior (z1) del reactor.
Además, la presente descripción se refiere a una unidad de proceso de desplazamiento inverso de agua-gas que comprende al menos un recipiente de reacción provisto de un quemador en la parte superior de la zona superior (z1) del recipiente y un lecho catalizador en la zona inferior (z2) del recipiente, conectado operativamente a una unidad de refrigeración, y que comprende además al menos una línea de introducción de gas conectada a una unidad divisora de agua.
Según la presente descripción, el hidrógeno y/u oxígeno utilizados en el proceso RWGS pueden proporcionarse desde una unidad de división de agua, que ventajosamente puede alimentarse mediante fuentes de energía renovables.
Descripción detallada de la descripción
La presente descripción se refiere a un proceso RWGS (parcialmente) catalítico para convertir una corriente de gas que comprende dióxido de carbono en productos. Según la presente descripción, las corrientes de alimentación al recipiente de reacción de desplazamiento inverso de agua-gas comprenden varias corrientes de gas: al menos una corriente de gas que comprende dióxido de carbono, una corriente de gas rica en hidrógeno y una corriente de gas rica en oxígeno. Opcionalmente, se pueden introducir corrientes de gas adicionales en el recipiente de reacción como corrientes de gas coalimentadas o premezcladas (es decir, premezcladas con cualquiera de las otras corrientes de gas), tales como, pero sin limitarse a, corrientes que comprenden gases de escape o gas natural.
Una corriente de gas que comprende dióxido de carbono en la presente memoria significa una corriente de gas que comprende desde el 1 % hasta el 100 % de dióxido de carbono en volumen. Las fuentes de dióxido de carbono pueden ser diversas, como por ejemplo, pero sin limitarse al dióxido de carbono capturado del aire o de los gases de combustión, gases de escape y similares. La corriente de gas que comprende dióxido de carbono comprende dióxido de carbono y también puede comprender otros gases, por ejemplo, hidrocarburos tales como metano, etano, propano, butano, pentano, gases inertes tales como argón, otros gases tales como nitrógeno, oxígeno, trazas de hidrógeno, monóxido de carbono o combinaciones de todos los gases mencionados. Preferiblemente, la corriente de gas que comprende dióxido de carbono contiene dióxido de carbono en el intervalo del 30 al 100 % en volumen, e incluso más preferiblemente del 50 al 100 % en volumen.
La corriente de gas rica en hidrógeno comprende hidrógeno como componente principal, adecuadamente al menos el 35 % en volumen de hidrógeno, y puede comprender opcionalmente otros componentes, tales como oxígeno, nitrógeno, agua o combinaciones de los mismos. Preferiblemente, la corriente de gas rica en hidrógeno comprende hidrógeno de alta pureza normalmente de un 50 % o más en volumen, particularmente un 65 % o más en volumen, y especialmente un 95 % o más en volumen.
La corriente de gas rica en oxígeno comprende oxígeno y, opcionalmente, puede comprender otros componentes, tales como nitrógeno, hidrógeno, agua o combinaciones de los mismos. Preferiblemente, la corriente de gas rica en oxígeno se compone de oxígeno de alta pureza, normalmente del 70 % y más en volumen, particularmente del 80 % y más en volumen, y específicamente del 90 % y más en volumen.
Según la presente descripción, la reacción de desplazamiento inverso de agua-gas en el recipiente de reacción tiene lugar a una temperatura elevada, que es necesaria para activar suficientemente la conversión catalítica de dióxido de carbono e hidrógeno en monóxido de carbono y agua en la zona inferior (z2). La temperatura en la zona superior (z1) se mantiene en el intervalo de 700 a 1200 °C y, preferiblemente, la temperatura en la zona superior (z1) se mantiene en el intervalo de 800 a 1100 °C. La presión mantenida en el recipiente del reactor está en el intervalo de 1 bar a 80 bar. Preferiblemente, la presión en el recipiente de reacción es desde 5 hasta 70 bar.
En el proceso según la presente descripción, la corriente de gas rica en hidrógeno se introduce en el recipiente de reacción a una temperatura entre 15 y 450 °C, en particular entre 100 y 300 °C, más particularmente entre 150 y 250 °C, y especialmente entre 220 y 240 °C.
Según la presente descripción, la corriente de gas rica en oxígeno se introduce en el recipiente de reacción a temperatura ambiente o a una temperatura ligeramente elevada. Preferiblemente, la corriente de gas rica en oxígeno se introduce en el recipiente de reacción a una temperatura entre 15 y 300 °C, en particular entre 100 y 280 °C, más particularmente entre 120 y 260 °C, y especialmente entre 220 y 260 °C.
Según la presente descripción, la corriente de gas que comprende dióxido de carbono se introduce en el recipiente de reacción a temperatura ambiente o a una temperatura ligeramente elevada. Preferiblemente, la corriente de gas que comprende dióxido de carbono se introduce en el recipiente de reacción a una temperatura entre 15 y 700 °C, en particular entre 50 y 600 °C, más particularmente entre 150 y 500 °C, y especialmente entre 200 y 450 °C.
Según la presente descripción, cualquier corriente de gas adicional opcional que se introduzca en el recipiente de reacción como corriente de gas coalimentada o premezclada, se introduce a temperatura ambiente o a una temperatura ligeramente elevada. Preferiblemente, la corriente de gas adicional opcional se introduce en el recipiente de reacción a una temperatura entre 15 y 500 °C, en particular entre 50 y 450 °C.
En el proceso según la presente descripción, las corrientes de alimentación al recipiente de reacción con desplazamiento inverso de agua-gas, al menos la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno se introducen en el recipiente de reacción a través de un quemador que comprende canales coaxiales, que pueden tener diferentes anchuras de hendidura, para la introducción por separado de las diferentes corrientes de gas, potencialmente a diferentes velocidades, siendo las velocidades de los gases en los canales preferiblemente entre 1 200 m/s, más preferiblemente entre 3-120 m/s. Estos intervalos de velocidad varían según la corriente de alimentación. La construcción del quemador puede requerir proporcionar un ángulo con respecto a las puntas del quemador para acomodarlas dentro de la abertura de la boca del quemador objetivo. Preferiblemente, el ángulo del extremo de la punta de un quemador es de entre 5-90 grados, preferiblemente entre 20-65 grados, para cada uno de los canales coaxiales. Véanse, por ejemplo, las Figuras 9 y 10. Los quemadores adecuados para este propósito son conocidos en la técnica, tal como se describe en el documento WO2015011114. En el proceso según la presente descripción, el quemador está ubicado en la parte superior del recipiente de reacción.
Según la presente descripción, la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno experimentan ventajosamente una reacción exotérmica delante de la punta del quemador en la zona superior (z1) que proporciona la energía térmica requerida para que se produzca la reacción catalítica endotérmica de desplazamiento inverso de agua-gas en la zona inferior (z2). Dado que esta reacción de combustión en la zona superior (z1) es exotérmica, la energía térmica excesiva puede dañar el quemador. Para evitar que la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno reaccionen cerca de la salida del quemador, parte de la corriente de gas que contiene dióxido de carbono se introduce a través de un canal entre la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno. Preferiblemente, además, la corriente de gas rica en oxígeno se introduce a través de los canales internos del quemador, y la parte restante de la corriente de gas que contiene dióxido de carbono se introduce en un canal exterior del quemador, que está fuera de los canales para la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno, para evitar el sobrecalentamiento del quemador debido a la alta energía térmica causada por la reacción de la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno dentro del recipiente de reacción. Tal como se describió anteriormente, la temperatura en la zona superior (z1) se mantiene en el intervalo de 700 a 1200 °C y, preferiblemente, la temperatura en la zona superior (z1) se mantiene en el intervalo de 800 a 1100 °C. La temperatura en el recipiente de reacción se mantiene ajustando el flujo de cualquiera de las corrientes de gas que se introducen en el recipiente de reacción, normalmente el flujo de gas rico en oxígeno. El ajuste de los flujos de dióxido de carbono y/o hidrógeno también puede provocar cambios en la temperatura del reactor y, por tanto, también puede usarse como medio de control de temperatura.
Según la presente descripción, el catalizador usado puede ser cualquier catalizador adecuado para su uso en el proceso de desplazamiento inverso de agua-gas. Por ejemplo, las composiciones catalíticas adecuadas para catalizar la reacción de desplazamiento inverso de agua-gas incluyen metal, óxidos metálicos o cualquier combinación de los mismos. El material catalíticamente activo está opcionalmente soportado sobre un material de soporte del catalizador. Dicho catalizador se caracteriza preferiblemente por una baja selectividad para la formación de metano. Además, los catalizadores adecuados deberían mostrar una estabilidad suficientemente alta, por ejemplo, en cuanto a estabilidad térmica, pero también en cuanto a resistencia contra la formación de coque en el catalizador. El material de catalizador se conforma en cuerpos conformados según los requisitos del proceso y como saben los expertos en la técnica. Es posible que se requieran formas corporales particulares para cumplir los criterios relacionados con la transferencia de calor, la caída de presión, etc. Los catalizadores para su uso en reacciones de desplazamiento inverso de agua-gas son conocidos en la técnica, véanse, por ejemplo, los documentos US20100190874, WO2013135664, US2015307352, US2016296916, US2016332874, US2017197829, Catalyst Screening and Kinetic Modeling for CO Production by High Pressure and Temperature Reverse Water Gas Shift for Fischer-Tropsch Applications, Francisco Vidal Vázquez, Peter Pfeifer, Juha Lehtonen, Paolo Piermartini, Pekka Simell, and Ville Alopaeus, Ind. Eng. Chem. Res. 2017, 56, 13262-13272; y similares.
En el proceso según la presente descripción, el lecho del catalizador se coloca a una distancia de la entrada del reactor que es suficiente para evitar daños en la parte superior del lecho del catalizador por la llama producida por el quemador. En particular, el lecho del catalizador se coloca por encima de la salida del reactor ubicada en el fondo del recipiente de reacción, al tiempo que se minimiza el espacio libre entre el lecho del catalizador y la salida del reactor. El tamaño del lecho catalizador puede oscilar entre 0,2-4 veces el diámetro interior del reactor.
En una realización preferida, un lecho de sólidos que comprende un material de óxido refractario capaz de retener la mayoría de las partículas de hollín se coloca encima del lecho de catalizador. El lecho de sólidos protege el lecho del catalizador del ensuciamiento provocado por las partículas de hollín capturando la mayoría de ellas aguas arriba del lecho del catalizador y proporcionándoles tiempo suficiente para convertirse principalmente en monóxido de carbono. Los materiales refractarios adecuados se seleccionan entre materiales cerámicos conocidos en el estado de la técnica. El lecho de sólidos podría montarse dentro del reactor por medios conocidos en la técnica, por ejemplo, como se describe en el documento US2009/0224209A1. El tamaño del lecho de sólidos puede oscilar entre 0-2 veces el diámetro interior del reactor.
La corriente de producto a la salida del recipiente de reacción de desplazamiento inverso de agua-gas comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua, dióxido de carbono no convertido, algo de metano o combinaciones de los mismos.
Las diferentes aplicaciones posteriores requieren una razón diferente de hidrógeno a monóxido de carbono en la corriente de productos. La razón de hidrógeno con respecto a monóxido de carbono en volumen en la salida del recipiente de reacción de desplazamiento inverso de agua-gas está en el intervalo de 0,5 a 5, preferiblemente en el intervalo de 1 a 2. La razón del hidrógeno con respecto al dióxido de carbono en volumen en la entrada del recipiente de reacción con desplazamiento inverso de agua-gas varía desde 1 hasta 5, preferiblemente entre 2 y 3,5. La razón de hidrógeno con respecto a dióxido de carbono se ajusta de manera que se obtenga la razón de hidrógeno con respecto a monóxido de carbono requerida en la corriente de producto.
Según la presente descripción, el recipiente de reacción de desplazamiento inverso de agua-gas se precalienta preferiblemente, en particular en el intervalo de desde 25 °C hasta 1100 °C, para iniciar la reacción de desplazamiento inverso de agua-gas. El precalentamiento del recipiente de reacción se puede realizar haciendo pasar a través del recipiente de reacción una mezcla de gases calientes que resultan, por ejemplo, de la combustión de gas natural y aire. Alternativamente, se pueden usar otras opciones para el precalentamiento, como el calentamiento eléctrico. En el proceso según la presente descripción, la corriente de producto que sale del recipiente de reacción se enfría en un intercambiador de calor refrigerado por agua. Alternativamente, la corriente de producto se enfría directamente con agua. En ambos casos, se produce una mezcla de productos enfriada que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, vapor y dióxido de carbono no convertido. El proceso de enfriamiento que hace uso del intercambiador de calor especial transfiere ventajosamente la energía térmica de la corriente de producto al agua de refrigeración para producir vapor. La corriente de producto o vapor producido se usa para precalentar ventajosamente una o más de las corrientes de alimentación seleccionadas de la corriente de gas que comprende dióxido de carbono, una corriente de gas rica en hidrógeno y una corriente de gas rica en oxígeno y, opcionalmente, corrientes de gas adicionales introducidas en el recipiente de reacción como corrientes de gas coalimentadas o premezcladas que entran en el recipiente de reacción. Alternativamente, una o más de las corrientes de alimentación seleccionadas entre la corriente de gas que comprende dióxido de carbono, una corriente de gas rica en hidrógeno y una corriente de gas rica en oxígeno, y opcionalmente corrientes de gas adicionales, pueden precalentarse externamente mediante otras formas de calentamiento, incluyendo calentadores eléctricos. El precalentamiento de una o más de estas corrientes de alimentación aumenta la eficiencia del proceso de desplazamiento inverso de agua-gas.
Según la presente descripción, se puede usar un divisor de agua para producir al menos una parte de la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno. Un divisor de agua es un dispositivo que divide el agua en hidrógeno y oxígeno. Un divisor de agua de este tipo puede ser, entre otros, la electrólisis del agua usando energía eléctrica, la división fotoelectroquímica del agua, la división fotocatalítica del agua, la descomposición térmica del agua y otros métodos conocidos en la técnica de división del agua. Un separador de agua preferido es un electrolizador. Las fuentes de energía para la división del agua se proporcionarán ventajosamente mediante fuentes de energía renovables, tales como la energía solar y/o eólica.
Según la presente descripción, la corriente de gas rica en oxígeno procedente del divisor de agua puede licuarse ventajosamente, almacenarse opcionalmente y regasificarse antes de su uso como alimentación.
Según la presente descripción, la corriente de producto enfriado que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, vapor y dióxido de carbono no convertido se somete a un enfriamiento adicional al menos hasta, y más allá, del punto de rocío para proporcionar una corriente de gas que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, dióxido de carbono no convertido y agua líquida que luego puede separarse de la corriente de gas producto. Los expertos en la técnica conocen los separadores adecuados para este propósito. La corriente de agua líquida así separada se recircula luego de nuevo al divisor de agua después del tratamiento. Siempre que la corriente de producto que sale del separador, que comprende monóxido de carbono e hidrógeno producidos mediante el proceso descrito anteriormente, siga comprendiendo dióxido de carbono sin convertir, la corriente de producto que sale del separador puede someterse ventajosamente de forma repetida a dichas etapas del proceso para convertir el dióxido de carbono adicional presente. En el proceso según la presente descripción, se requieren múltiples etapas para el proceso de desplazamiento inverso de agua-gas si se requiere una conversión adicional del dióxido de carbono no convertido en la corriente de producto. Las múltiples etapas son una repetición de todo el proceso de desplazamiento inverso de agua-gas explicado anteriormente. La corriente de gas producto enfriado que comprende monóxido de carbono, hidrógeno y dióxido de carbono no convertido, así obtenida del primer recipiente de reacción después de someterse a enfriamiento y separación de agua líquida, se alimenta a un segundo recipiente de reacción de desplazamiento inverso de agua-gas junto con una o más corrientes de alimentación seleccionadas entre la corriente de gas rica en hidrógeno y las corrientes de gas ricas en oxígeno del divisor de agua. La corriente de producto que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua, dióxido de carbono no convertido o combinaciones de los mismos, del segundo recipiente de reacción se somete a un enfriamiento adicional y a la separación del agua líquida de la corriente de gas producto enfriado que comprende monóxido de carbono, hidrógeno y dióxido de carbono no convertido. Una o más de las corrientes de alimentación para el segundo recipiente de reacción seleccionadas de entre la corriente de gas producto que comprende dióxido de carbono, hidrógeno, agua, dióxido de carbono no convertido, corrientes de gas adicionales opcionales introducidas en el recipiente de reacción como corrientes de gas premezclado o de alimentación conjunta, corriente de gas rica en hidrógeno y corriente de gas rica en oxígeno pueden precalentarse ventajosamente usando cualquiera de los métodos de precalentamiento descritos anteriormente.
El proceso de esta descripción puede realizarse ventajosamente en una unidad de proceso de desplazamiento inverso de agua-gas que comprende al menos un recipiente de reacción conectado operativamente a una unidad de enfriamiento y que comprende además una línea de introducción de gas conectada a una unidad divisora de agua. La unidad de proceso, preferiblemente, está provista de un quemador en la parte superior de una zona superior (z1) del recipiente, y un lecho catalizador en una zona inferior (z2) del recipiente, conectado operativamente a una unidad de refrigeración y que comprende además al menos una línea de introducción de gas conectada a una unidad divisora de agua. El recipiente de reacción se orienta de manera ventajosa, ya sea horizontal o vertical, según lo requiera el proceso. La longitud de la zona superior (z1) es de entre 1-5 veces el diámetro interior del recipiente de reacción y la longitud de la zona inferior (z2) es de entre 0,3-0,6 veces la altura del recipiente de reacción. La salida del recipiente de reacción se coloca de manera ventajosa, ya sea en el fondo del recipiente o en el lateral del recipiente por debajo del lecho del catalizador. Si la salida se coloca a un lado del recipiente, puede existir algún espacio vacío entre el fondo del recipiente y la salida.
Cuando se requieren múltiples etapas para el proceso de desplazamiento inverso de agua-gas, si se requiere una mayor conversión del dióxido de carbono no convertido en la corriente de producto, esto se realiza preferiblemente en una unidad que comprende al menos dos recipientes de reacción, cada uno de los cuales está conectado operativamente a una unidad de refrigeración, que se colocan en orden consecutivo de una primera unidad de reacción seguida de una unidad de refrigeración y de nuevo seguida de una unidad de reacción seguida de una unidad de refrigeración, y la unidad de proceso comprende además al menos una línea de introducción de gas conectada a una unidad de división de agua.
El proceso, o las etapas del proceso del mismo, y las unidades de proceso de la presente invención pueden integrarse ventajosamente en procesos que requieren gas de síntesis como materia prima.
Descripción de los dibujos
Leyenda:Pse refiere a la unidad de proceso de desplazamiento inverso de agua-gas (catalítico) que comprende un recipiente de reacción provisto de un quemador en la parte superior de la zona superior (z1) del recipiente y un lecho catalizador en la zona inferior (z2) del recipiente.Qse refiere a (una) unidad(es) de proceso que actúa(n) como enfriador de gas de síntesis.Res/son (una) unidad(es) de proceso que actúa(n) como divisores de agua.Ses/son (una) unidad(es) de proceso que actúa(n) como enfriador de gas de síntesis y separador de agua. Todas las Figuras ilustradas son posibles interpretaciones esquemáticas de la presente descripción.
Figura 1. Ilustra una realización de la presente descripción del proceso catalítico de desplazamiento inverso de aguagas, en donde la corriente de gas que comprende dióxido de carbono1,la corriente de gas rica en hidrógeno2y la corriente de gas rica en oxígeno3entran en P a través de un quemador para formar una corriente de gas producto4que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua y probablemente algo de dióxido de carbono no convertido. Las corrientes de gas adicionales opcionales no se muestran en la Figura 1.
Figura 2. Ilustra otra realización de la presente descripción en la que la corriente de gas que comprende dióxido de carbono1,la corriente de gas rica en hidrógeno2y la corriente de gas rica en oxígeno3entran enPa través de un quemador para formar una corriente de gas producto4que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua y probablemente algo de dióxido de carbono no convertido. La corriente de producto4se enfría con agua5enQpara formar el vapor6y la corriente de producto enfriada4'.
Figura 3. Ilustra otra realización de la presente descripción en la que una corriente de gas precalentado que contiene dióxido de carbono10,una corriente de gas rica en hidrógeno precalentado11y una corriente de gas rica en oxígeno precalentado12entran enPa través de un quemador para formar una corriente de gas producto4que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua y probablemente algo no convertido dióxido de carbono. La corriente de producto4se enfría con agua5enQpara formar el vapor6y la corriente de producto enfriada4'.Una o ambas corrientes seleccionadas de la corriente de producto enfriado4'y el vapor6pueden usarse para precalentar una o más de las corrientes de alimentación seleccionadas entre la corriente de gas que comprende dióxido de carbono1, la corriente de gas rica en hidrógeno2y la corriente de gas rica en oxígeno3. En la Figura 3, la corriente de producto enfriado4'se usa para precalentar la corriente de gas que comprende dióxido de carbono1, y el vapor6se usa para precalentar la corriente de gas rica en hidrógeno2y la corriente de gas rica en oxígeno3.
Figura 4. Ilustra otra realización de la presente descripción en la que una corriente de gas precalentado que comprende dióxido de carbono10,una corriente de gas rica en hidrógeno precalentado11y una corriente de gas rica en oxígeno precalentado12entran enPa través de un quemador para formar una corriente de gas producto4que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua y posiblemente sin convertir dióxido de carbono. La corriente de producto4se enfría con agua5enQpara formar el vapor6y la corriente de producto enfriada4'.Una o ambas corrientes seleccionadas de la corriente de producto enfriado4'y el vapor6pueden usarse para precalentar una o más de las corrientes de alimentación seleccionadas entre la corriente de gas que comprende dióxido de carbono1, la corriente de gas rica en hidrógeno2y la corriente de gas rica en oxígeno3. En la Figura 4, la corriente de producto enfriado4'se usa para precalentar la corriente de gas que comprende dióxido de carbono1, y el vapor6se usa para precalentar la corriente de gas rica en hidrógeno2y la corriente de gas rica en oxígeno3. La unidadRse usa para producir al menos parte de la corriente2de gas rico en hidrógeno y la corriente3de gas rico en oxígeno a partir del agua7usando una fuente de energía8.Se extrae la corriente9de gas rico en oxígeno en exceso, que puede utilizarse en otro lugar o ventilarse.
Figura 5. Ilustra otra realización de la presente descripción en la que la corriente de gas precalentado que comprende dióxido de carbono10,la corriente de gas rica en hidrógeno precalentado11y la corriente de gas rica en oxígeno precalentado12entran enPa través de un quemador para formar una corriente de gas producto4que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua y posiblemente sin convertir. dióxido de carbono. La corriente de producto4se enfría con agua5enQpara formar el vapor6y la corriente de producto enfriada4'.Una o ambas corrientes seleccionadas de la corriente de producto enfriado4'y el vapor6pueden usarse para precalentar una o más de las corrientes de alimentación seleccionadas entre la corriente de gas que comprende dióxido de carbono1, la corriente de gas rica en hidrógeno2y la corriente de gas rica en oxígeno3. En la Figura 5, la corriente de producto enfriado4'se usa para precalentar la corriente de gas que comprende dióxido de carbono1, y el vapor6se usa para precalentar la corriente de gas rica en hidrógeno2y la corriente de gas rica en oxígeno3.Rse usa para producir al menos parte de la corriente2de gas rico en hidrógeno y la corriente3de gas rico en oxígeno a partir del agua7usando una fuente de energía8.La corriente4'de gas producto enfriado se enfría aún más hasta el punto de rocío enSy el agua líquida14se separa de la corriente13de gas producto enfriado enS.Se extrae la corriente9de gas rico en oxígeno en exceso, que puede utilizarse o ventilarse.
Figura 6. Ilustra otra realización de la presente descripción en la que la corriente de gas precalentado que comprende dióxido de carbono10,la corriente de gas rica en hidrógeno precalentado11y la corriente de gas rica en oxígeno precalentado12entran enP1para formar una corriente de gas producto4que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua y dióxido de carbono no convertido. La corriente de producto4se enfría con agua5enQ1para producir vapor6y la corriente de producto enfriada4'. Una o ambas corrientes seleccionadas entre la corriente de producto enfriado4'y el vapor6pueden usarse para precalentar una o más de las corrientes de alimentación seleccionadas entre la corriente de gas que contiene dióxido de carbono1, la corriente de gas rica en hidrógeno2y la corriente de gas rica en oxígeno3.Rse usa para producir al menos parte de la corriente2de gas rico en hidrógeno y la corriente3de gas rico en oxígeno a partir del agua7usando una fuente de energía8.La corriente de gas producto enfriado4'se enfría aún más hasta el punto de rocío enSy el agua líquida14se separa de la corriente de gas producto enfriado13enS.El dióxido de carbono no convertido en la corriente de gas producto13se convierte además en monóxido de carbono sometiéndolo a un proceso de desplazamiento inverso de agua-gas de segunda etapa. La corriente de gas producto13junto con una corriente de gas rica en hidrógeno2y una corriente de gas rica en oxígeno3entran enP2para formar una corriente de gas producto15que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua y dióxido de carbono no convertido. La corriente de producto15se enfría con agua16enQ2para producir vapor17y la corriente de producto enfriada15'. Se extrae la corriente9de gas rico en oxígeno en exceso, que puede utilizarse o ventilarse.
Figura 7. Ilustra la conversión total de dióxido de carbono a diferentes temperaturas del reactor RWGS para dos realizaciones diferentes de la presente descripción, tal como se explica en la Figura 1 y la Figura 3.
Figura 8. Ilustra la producción total de monóxido de carbono a diferentes temperaturas del reactor RWGS para dos realizaciones diferentes de la presente descripción, tal como se explica en la Figura 1 y la Figura 3.
Figura 9. Ilustra una realización de un quemador que puede usarse en el proceso según la presente descripción. El quemador ejemplificado contiene cuatro canales coaxialesA, B, CyD,pero también pueden ser posibles más canales. La corriente de gas rica en oxígeno3o la corriente de gas rica en oxígeno precalentado12(es decir, la corriente de gas3/12)entran en el recipiente de reacción a través del canalAdel quemador. Una parte de la corriente de gas que comprende dióxido de carbono1o de la corriente de gas precalentado que comprende dióxido de carbono10(es decir, la corriente de gas1/10)entra ventajosamente en el recipiente de reacción a través del canalBdel quemador. La corriente de gas rica en hidrógeno2o la corriente de gas rica en hidrógeno precalentado11(es decir, la corriente de gas2/11)entran en el recipiente de reacción a través del canalCdel quemador. Otra parte de la corriente de gas que comprende dióxido de carbono1o de la corriente de gas precalentado que comprende dióxido de carbono10(es decir, la corriente de gas1/10)entra en el recipiente de reacción a través del canalDdel quemador.
Figura 10. Ilustra otra realización de un quemador que puede usarse en el proceso según la presente descripción. El quemador contiene cinco canales coaxialesA, B, C, DyE.La corriente de gas rica en oxígeno3o la corriente de gas rica en oxígeno precalentado12(es decir, la corriente de gas3/12)entra en el recipiente de reacción a través de los canalesAyBdel quemador. Una parte de la corriente de gas que comprende dióxido de carbono1o de la corriente de gas precalentado que comprende dióxido de carbono10(es decir, la corriente de gas1/10)entra ventajosamente en el recipiente de reacción a través del canalCdel quemador. La corriente de gas rica en hidrógeno2o la corriente de gas rica en hidrógeno precalentado11(es decir, la corriente de gas2/11)entran en el recipiente de reacción a través del canalDdel quemador. Otra parte de la corriente de gas que comprende dióxido de carbono1o de la corriente de gas precalentado que comprende dióxido de carbono10(es decir, la corriente de gas1/10)entra en el recipiente de reacción a través del canalEdel quemador.
En lo sucesivo, la invención se ilustrará adicionalmente mediante el siguiente ejemplo no limitativo.
Ejemplo 1.
El siguiente ejemplo se refiere a los procesos explicados en las diferentes realizaciones de la presente descripción descritos en la Figura 1 y la Figura 3.
La tabla 1 ilustra las composiciones de la corriente de producto (el producto principal es el gas de síntesis) en la salida del recipiente de reacción catalítica de desplazamiento inverso de agua-gas para diferentes temperaturas del reactor en dos casos diferentes: cuando las corrientes de alimentación no se precalientan (como se ilustra en la Figura 1) y cuando se precalientan (como se ilustra en la Figura 3). La razón entre H2 y CO2 de la alimentación es constante en todos los casos. La temperatura del reactor de desplazamiento inverso catalítico de gas de agua se controla ajustando el flujo de oxígeno al reactor. Los resultados de la composición del gas de síntesis se obtuvieron asumiendo que el gas de síntesis en la salida del reactor catalítico de desplazamiento inverso de agua-gas está en equilibrio termodinámico en estado estacionario en la salida del recipiente de reacción.
La Figura 7 y la Figura 8 ilustran la conversión total de dióxido de carbono y el monóxido de carbono total producidos para diferentes temperaturas del reactor RWGS en dos casos diferentes: cuando las corrientes de alimentación no se precalientan (como se ilustra en la Figura 1) y cuando se precalientan (como se ilustra en la Figura 3).
Tabla 1

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Un proceso para convertir dióxido de carbono e hidrógeno mediante la realización de una reacción inversa de desplazamiento de agua-gas a temperatura elevada, comprendiendo el proceso la introducción de dióxido de carbono, hidrógeno y oxígeno en un recipiente de reacción que tiene una entrada y una salida, y, en donde
    la reacción de desplazamiento inverso de agua-gas tiene lugar en dos zonas diferentes del recipiente de reacción, siendo una zona superior (z1) adyacente a una zona inferior (z2), en donde
    (a) no hay ningún catalizador presente en la zona superior (z1) del recipiente de reacción, y
    (b) al menos una corriente de gas que comprende dióxido de carbono, una corriente de gas rica en hidrógeno y una corriente de gas rica en oxígeno se introduce en la entrada de la zona superior (z1) del recipiente de reacción en corrientes de alimentación separadas, en donde la corriente de gas rica en hidrógeno se introduce en el recipiente de reacción a una temperatura entre 15 y 450 °C,
    (c) la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno se introducen muy cerca una de otra, de modo que al menos la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno se introducen en el recipiente de reacción a través de un quemador que comprende canales coaxiales para la introducción por separado de las diferentes corrientes de gas, estando situado el quemador en la parte superior del recipiente de reacción, en donde el hidrógeno y el oxígeno de la corriente de gas rica en hidrógeno y de la corriente de gas rica en oxígeno experimentan una reacción de combustión al entrar en el recipiente de reacción, proporcionando así la energía calorífica necesaria para la reacción inversa de desplazamiento de agua-gas; y
    (d) la temperatura en la zona superior (z1) del recipiente de reacción se mantiene en el intervalo de 700 a 1200 °C variando el flujo de cualquiera de las corrientes de gas que se introducen en el recipiente de reacción; y
    (e) la zona inferior (z2) del recipiente de reacción está provista de un lecho catalizador que comprende un catalizador de desplazamiento inverso del agua-gas, colocándose la parte superior del lecho catalizador a una distancia del quemador en la zona superior (z1) suficiente para evitar daños por el impacto de la llama en el lecho catalizador;
    (f) en donde en la zona inferior (z2) del recipiente de reacción tiene lugar una reacción catalítica inversa de desplazamiento de agua-gas a temperaturas elevadas, convirtiendo así el dióxido de carbono no convertido y el hidrógeno;
    producir una corriente de productos que comprende principalmente monóxido de carbono, hidrógeno y agua;
    en donde, en la etapa (c), la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno se introducen en el recipiente de reacción muy cerca pero no una al lado de la otra; y
    en donde parte de la corriente de gas que contiene dióxido de carbono se introduce a través de un canal entre la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno.
  2. 2. Un proceso según la reivindicación 1, en donde el lecho de catalizador se coloca por encima de la salida del reactor, que está situada en el fondo del recipiente de reacción, minimizando el espacio libre entre el lecho catalizador y la salida del reactor.
  3. 3. Un proceso según las reivindicaciones 1 o 2, en donde un lecho sólido que comprende un material de óxido refractario capaz de retener partículas de hollín se coloca encima del lecho catalizador.
  4. 4. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la corriente de producto que sale del recipiente de reacción caliente se enfría en un intercambiador de calor con agua para proporcionar una mezcla de productos enfriada que comprende principalmente monóxido de carbono e hidrógeno y vapor.
  5. 5. Un proceso según la reivindicación 4, en donde la corriente de producto o el vapor producido después de enfriar la corriente de producto se usa para precalentar una o más de las corrientes de gas de alimentación seleccionadas de la corriente de gas que comprende dióxido de carbono, la corriente de gas rica en hidrógeno, la corriente de gas rica en oxígeno y, opcionalmente, las corrientes de gas adicionales introducidas en el recipiente de reacción como corrientes de gas premezcladas o de alimentación conjunta.
  6. 6. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde al menos parte de la corriente de gas rica en hidrógeno y/o al menos parte de la corriente de gas rica en oxígeno de la alimentación se obtiene de un divisor de agua.
  7. 7. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde una o más corrientes de gas seleccionadas de una corriente de gas que comprende dióxido de carbono, una corriente de gas rica en hidrógeno y una corriente de gas rica en oxígeno, se precalientan antes de introducirse en el recipiente de reacción.
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