JP2022549356A - 二酸化炭素を変換するためのプロセス - Google Patents

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Abstract

シンガスを生産するためのプロセスであって、（ｉ）初期反応器内で二酸化炭素の少なくとも一部を水素と反応させて、一酸化炭素、水、未反応の二酸化炭素、および未反応の水素を含む初期生成物流を生産するステップと、（ｉｉ）第１の反応器の下流にある反応器内で未反応の二酸化炭素および未反応の水素の少なくとも一部を反応させ、それによって一酸化炭素、水、未反応の二酸化炭素、および未反応の水素を含む生成物流を生産するステップとを含む、プロセス。

Description

本発明の実施形態は、雰囲気から直接捕捉された二酸化炭素を含む二酸化炭素を合成ガスへ変換するためのプロセスを提供し、これは、工業的に有用なレベルでの有機分子の生産に有用であり得る。
合成ガスはシンガスとも呼ばれ、水素および一酸化炭素の混合物を、任意選択で二酸化炭素、窒素、メタン、および水などの追加の残余成分と共に含む。シンガスは、炭化水素およびアルコールなどの有機化合物を生産する反応物フィードとしてのその使用を含むいくつかの用途を有する。
シンガスの合成には、二酸化炭素からの生産を含めていくつかの方法が使用されてきた。これらのプロセスは、逆水性ガスシフト（ＲＷＧＳ）反応を通じて二酸化炭素を一酸化炭素に変換することを含む。ＲＷＧＳ反応は可逆的であり、触媒の存在下で二酸化炭素（ＣＯ2）を水素（Ｈ2）と反応させて一酸化炭素（ＣＯ）および水（Ｈ2Ｏ）を生産することを含む。次いで、生産された一酸化炭素を追加の水素と合わせてシンガスを生産することができ、水素を除去することができ、または過剰なＨ2を使用してＲＷＧＳ反応を行って、生成物流から水を除去しながらシンガスを直接生産することができる。
ＲＷＧＳ反応は、基本的に平衡まで操作され得る可逆反応である。ＣＯ2変換の程度は、フィードガス組成、使用される触媒、圧力、およびＲＷＧＳ反応が起こる温度を含むいくつかの要因に依存する。より高い反応温度は一般に、より高いＣＯ2変換率につながる。例えば、おおよそ約５５％変換率をおよそ５４０℃において達成することができ、一方、約８０％変換率をおよそ９５０℃において達成することができる。
ＲＷＧＳ反応の効率を改善する努力は、宇宙旅行などの地球外用途において技術的に重要であった。ほとんどの地球外用途における限られた資源を考えると、エネルギーだけでなく反応物の節約は、用途の有用性に決定的である。例えば、Ｗｈｉｔｌｏｗら、Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｗａｔｅｒ Ｇａｓ Ｓｈｉｆｔ Ｐｒｏｃｅｓｓ、ＡＩＰ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ６５４、１１１６（２００３）は、水が生産流から引き抜かれ、反応物として電気分解ステップに送られて、それによって酸素および水素を生産する反応法を提案している。さらに、未反応の二酸化炭素および水素は、再循環されてＲＷＧＳ反応器に戻って、二酸化炭素反応物フィード流のほぼ完全な変換を保証する。
大気二酸化炭素のレベルに対する環境上の懸念は、二酸化炭素を消費し、それによって、潜在的に大気二酸化炭素のレベルを低減したいという欲求を生じた。例えば、米国特許出願公開第２００７／０２４４２０８号は、液体燃料への二酸化炭素の変換を提案している。このプロセスによれば、水素を電気分解により水から発生させることができ、二酸化炭素を工業プロセスから捕捉することができる。二酸化炭素および水素は、ＲＷＧＳ反応において反応して、一酸化炭素または他の炭化水素前駆体を生産する。ＲＷＧＳ反応は、１００％平衡変換率まで再循環モードで行うことができること、または代わりに反応は、水の除去により推進することができることが示唆される。プロセス全体における他のプロセスステップからの熱を使用して、ＲＷＧＳ反応を推進することができることも示唆される。再循環または水除去が、任意選択で熱統合と共に提案されるが、好ましい実施形態は、凝縮を使用して、生成物流から二酸化炭素を除去し、それをＲＷＧＳ反応に戻す。
操作が地球上で操作されるのかそれとも地球外で操作されるのかに関わらず、ＲＷＧＳ反応器に戻る、生成物流からの生成物の再循環は、いくつかの複雑さおよび欠点を生み出す。例えば、再循環システムは、圧縮機（これは、信頼性がなく、かつメンテナンスを必要とする可能性のある回転設備を導入する）を必要とし、それによって、工業的規模の操作内のその効率的な使用を妨げる。圧縮機は電力も必要とし、これは、発電に関連する望ましくない非効率性および潜在的なＣＯ2またはその他の排出を生じ得る。さらに、先行技術において提案されたプロセスは、二酸化炭素の消費よりもむしろ節約、または原料、または燃料の生成に焦点を合わせている。正味のＣＯ2除去は、今やこれまで以上に望ましいものであり、重要な技術的課題を提示しており、これは先行技術が取り組んでいない問題である。
米国特許出願公開第２００７／０２４４２０８号 米国特許出願公開第２０１７／０１９７８２９号 米国特許出願公開第２０１５／００８０４８２号 米国特許出願公開第２０１０／０１０５９６２号 米国特許出願公開第２００３／０１１３２４４号 米国特許出願公開第２００７／０１４２４８２号 米国特許出願公開第２０１７／０３５４９２５号 米国特許出願公開第２０１４／０２７１３７９号 米国特許出願公開第２０１９／０３４４２１７号 米国特許出願公開第２０１９／０３５９８９４号 米国特許出願公開第２０１９／０３３６９０９号
Ｗｈｉｔｌｏｗら、Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｗａｔｅｒ Ｇａｓ Ｓｈｉｆｔ Ｐｒｏｃｅｓｓ、ＡＩＰ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ６５４、１１１６（２００３） Ｋｅｉｔｈら、Ａ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｃａｐｔｕｒｉｎｇ ＣＯ２ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ、Ｊｏｕｌｅ（２０１８）
二酸化炭素の大規模な消費が依然として望まれるため、大気二酸化炭素レベルに影響し得るレベルで二酸化炭素の消費を達成する効率的な工業的規模のプロセスの継続的な開発が必要とされている。
本発明の１つまたは複数の実施形態は、シンガスを生産するためのプロセスであって、（ｉ）初期反応器内で二酸化炭素の少なくとも一部を水素と反応させて、一酸化炭素、水、未反応の二酸化炭素、および未反応の水素を含む初期生成物流を生産するステップと、（ｉｉ）第１の反応器の下流にある反応器内で未反応の二酸化炭素および未反応の水素の少なくとも一部を反応させ、それによって一酸化炭素、水、未反応の二酸化炭素、および未反応の水素を含む生成物流を生産するステップとを含む、プロセスを提供する。
本発明の他の実施形態は、シンガスを生産するためのプロセスであって、（ｉ）二酸化炭素を含む反応物流を供給するステップと、（ｉｉ）水素を含む反応物流を供給するステップと、（ｉｉｉ）二酸化炭素を含む反応物流を、水素を含む反応物流と合わせて、混合反応物流を生成するステップと、（ｉｖ）混合反応物流を加熱して、加熱混合反応物流を生成するステップと、（ｖ）加熱混合反応物流を、逆水性ガスシフト触媒を含む断熱反応器に導入するステップと、（ｖｉ）断熱反応器内で水素および二酸化炭素を反応させ、それによって一酸化炭素、水、水素、および二酸化炭素を含む初期生成物流を生成するステップと、（ｖｉｉ）断熱反応器から初期生成物流を除去するステップであって、前記初期生成物流は、断熱反応器を出るときに温度Ｔ１を有する、ステップと、（ｖｉｉｉ）初期生成物流から初期生成物流中の水の少なくとも一部を除去して、水が少ない初期生成物流を生成するステップと、（ｉｘ）初期生成物流を、逆水性ガスシフト触媒を含む燃焼管型反応器に導入するステップであって、前記燃焼管型反応器は、生産された二酸化炭素および過剰な熱を含む排出流を生産する、ステップと、（ｘ）燃焼管型反応器内で生成物流を温度Ｔ３まで加熱し、それによって初期生成物流内の二酸化炭素および水素を反応させて、最終生成物流を生成するステップであって、Ｔ３はＴ１以上である、ステップと、（ｘｉ）過剰な熱の少なくとも一部を、混合反応物流を加熱して加熱混合反応物流を生成する前記ステップに送るステップと、（ｘｉｉ）生産された二酸化炭素の少なくとも一部を、前記断熱反応器または前記燃焼管型反応器に送るステップとを含む、プロセスを提供する。
本発明のさらなる他の実施形態は、シンガスを生産するためのプロセスであって、（ｉ）二酸化炭素を含む反応物流を供給するステップと、（ｉｉ）水素を含む反応物流を供給するステップと、（ｉｉｉ）二酸化炭素を含む反応物流を、水素を含む反応物流と合わせて、混合反応物流を生成するステップと、（ｉｖ）混合反応物流を加熱して、加熱混合反応物流を生成するステップと、（ｖ）加熱混合反応物流を、逆水性ガスシフト触媒を含む初期断熱反応器に導入するステップと、（ｖｉ）初期断熱反応器内で水素および二酸化炭素を反応させ、それによって一酸化炭素、水、水素、および二酸化炭素を含む初期生成物流を生成するステップと、（ｖｉｉ）初期断熱反応器から初期生成物流を除去するステップであって、前記初期生成物流は、初期断熱反応器を出るときに温度Ｔ１を有する、ステップと、（ｖｉｉｉ）初期生成物流から初期生成物流中の水の少なくとも一部を除去して、水が少ない初期生成物流を生成するステップと、（ｉｘ）水が少ない初期生成物流を加熱して、水が少ない加熱初期生成物流を生成するステップと、（ｘ）水が少ない加熱初期生成物流を、逆水性ガスシフト触媒を含む下流断熱反応器に導入するステップと、（ｘｉ）下流断熱反応器内で水素および二酸化炭素を反応させ、それによって一酸化炭素、水、水素、および二酸化炭素を含む中間生成物流を生成するステップと、（ｘｉｉ）下流断熱反応器から中間生成物流を除去するステップであって、前記中間生成物流は、下流断熱反応器を出るときに温度Ｔ２を有する、ステップと、（ｘｉｉｉ）中間生成物流中の水の少なくとも一部を除去して、水が少ない中間生成物流を生成するステップと、（ｘｉｖ）任意選択で、水が少ない中間生成物流を加熱して、温度Ｔ０２で、水が少ない加熱中間生成物流を生成するステップと、（ｘｖ）任意選択で、水が少ない加熱中間生成物流を、逆水性ガスシフト触媒を含む下流断熱反応器に導入し、水が少ない加熱中間生成物流中の二酸化炭素および水素を反応させ、それによって最終的に最終中間生成物流を生成するステップと、（ｘｖｉ）中間生成物流または最終中間生成物流を、逆水性ガスシフト触媒を含む燃焼管型反応器に導入するステップであって、前記燃焼管型反応器は、生産された二酸化炭素および過剰な熱を含む排出流を生産する、ステップと、（ｘｖｉｉ）燃焼管型反応器内で中間または最終中間生成物流を温度Ｔ３まで加熱し、それによって中間生成物流または最終中間生成物流内の二酸化炭素および水素を反応させて、最終生成物流を生成するステップであって、Ｔ３はＴ２以上でありかつＴ３はＴ１以上である、ステップと、（ｘｖｉｉｉ）過剰な熱の少なくとも一部を、混合反応物流を加熱して加熱混合反応物流を生成する前記ステップに、または初期生成物流を加熱して加熱初期生成物流を生成する前記ステップに送るステップと、（ｘｉｘ）生産された二酸化炭素の少なくとも一部を、前記断熱反応器、前記下流断熱反応器、または前記燃焼管型反応器に送るステップとを含む、プロセスを提供する。
本発明のさらに他の実施形態は、（ｉ）逆水性ガスシフト触媒を含む初期ＲＷＧＳ反応器であって、一酸化炭素、水、水素、および二酸化炭素を含む初期生成物流を生成する水素と二酸化炭素との反応を容易にするように適合された、初期ＲＷＧＳ反応器と、（ｉｉ）前記初期ＲＷＧＳ反応器の下流にある、初期生成物流から水を除去するための水除去ユニットと、（ｉｉｉ）前記初期ＲＷＧＳ反応器の下流にある、直列に置かれた、任意選択の１つまたは複数の中間ＲＷＧＳ反応器であって、それぞれ水性ガスシフト触媒を含み、中間生成物流を生成して最終的に一酸化炭素、水、水素、および二酸化炭素を含む最終中間生成物流を生成する水素と二酸化炭素との反応を容易にするように適合された、中間ＲＷＧＳ反応器と、（ｉｖ）任意選択の、中間生成物流および最終中間生成物流から水を除去するための水除去ユニットと、（ｖ）前記初期ＲＷＧＳ反応器および前記任意選択の１つまたは複数の中間ＲＷＧＳ反応器の下流にあり、かつそれらに対して直列に置かれた最終ＲＷＧＳ反応器であって、水性ガスシフト触媒を含み、一酸化炭素、水、水素、および二酸化炭素を含む最終生成物流を生成する水素と二酸化炭素との反応を容易にするように適合された、最終ＲＷＧＳ反応器とを備えるＲＷＧＳシステムを提供する。
本発明の実施形態による２ステップＲＷＧＳプロセスの概略図である。
本発明の実施形態による多ステップＲＷＧＳプロセスの概略図である。
本明細書に記載の実施例１による一段階ＲＷＧＳ反応を使用する一例のプロセスの概略図である。
本明細書に記載の実施例２による一段階ＲＷＧＳ反応を使用する一例のプロセスの概略図である。
温度に対する一段階ＲＷＧＳ反応のグラフプロットである。
本明細書に記載の実施例３による２段階ＲＷＧＳ反応を使用する一例のプロセスの概略図である。
本明細書に記載の実施例４、５および６による２段階ＲＷＧＳ反応を使用する一例のプロセスの概略図である。
本明細書に記載の実施例７および８による３段階ＲＷＧＳ反応を使用する一例のプロセスの概略図である。
本明細書に記載の実施例９による３段階ＲＷＧＳ反応を使用する一例のプロセスの概略図である。
実施例に関する水除去（異なる曲線）およびＲＷＧＳ反応器段階の数に応じたＣＯ2変換率グラフプロットである。
実施例に関する水除去（異なる曲線）およびＲＷＧＳ反応器段階の数に応じたＣＯ2天然ガスだき排出／変換されたＣＯ2グラフプロットである。
本発明の実施形態は、反応効率の全体的なバランスを維持しながら高い変換率で二酸化炭素が一酸化炭素に変換される工業的に重要なプロセスの発見に少なくとも部分的に基づいている。このプロセスは、熱統合および水除去の両方を任意選択で含む多段階反応スキーム内で逆水性ガスシフト（ＲＷＧＳ）反応を利用して、総合的なプロセス効率を達成する。さらに、反応条件は、総合的な反応効率を達成するように各段階において調整される。したがって、先行技術は、未反応の二酸化炭素を再循環してＲＷＧＳ反応器に戻して、二酸化炭素の完全な変換を推進することを提案している一方で、本発明は、工業的に重要なレベルで望ましい効率を達成する。さらに、反応ステップ間の構成要素の熱統合および／または分離と組み合わせると、さらなる総合効率を実現することができる。
プロセス概要
２ステップ実施形態
本発明によるプロセスは、図１を参照して説明することができ、これは、初期ＲＷＧＳ反応ステップ２２（これは、第１のＲＷＧＳ反応ステップ２２と呼ばれることもある）と、その後に直列に続く最終ＲＷＧＳ反応ステップ３２を含む逆水性ガスシフト（ＲＷＧＳ）プロセス１１を示す。二酸化炭素（ＣＯ2）流２１および水素（Ｈ2）流２５が合わせられて、混合反応物流２５を生成することができ、これは、次いで、加熱ステップ２４において（例えば熱交換器内で）加熱される。次いで、加熱混合反応物流２７が、第１の加熱ステップ２４から第１のＲＷＧＳ反応ステップ２２に送られ、ここで、ＣＯ2およびＨ2が、触媒の存在下で（例えば断熱反応器内で）反応して、一酸化炭素（ＣＯ）および水（Ｈ2Ｏ）を生産する。
熱は、１つまたは複数の熱源から加熱ステップ２４に供給されてよい。例えば、熱２９が、専用の熱源２６から供給されてよい。代わりに、または専用の熱源２６に加えて、下流プロセスステップからの熱が、加熱ステップ２４により受け取られてよい。例えば、図１に示され、かつ本明細書において以下でより詳細に説明されるように、最終ＲＷＧＳ反応ステップ３２からの排出流３１内の過剰な熱を加熱ステップ２４に送ることができる。熱源２６においてなど熱の発生において二酸化炭素が生産される任意選択の実施形態において、生産された二酸化炭素を、それを一酸化炭素に少なくとも部分的に変換することができる第１のＲＷＧＳ反応ステップ２２に送り返すことができる。例えば、生産された二酸化炭素を含む流れ３５を、二酸化炭素フィード流２１、混合流２５と合わせるか、または反応ステップ２２に直接導入することができる。代わりに、生産された二酸化炭素は、最終ＲＷＧＳ反応ステップ３２に、またはＲＷＧＳ反応を介した一酸化炭素への変換のためのプロセス中の中間点に送られてよい。
ＣＯおよびＨ2Ｏ生成物は、任意の未反応の反応物と共に、第１のＲＷＧＳ反応ステップ２２から生成物流３３として第２のＲＷＧＳ反応ステップ３２に送られる。１つまたは複数の実施形態において、生成物流３３は、最終ＲＷＧＳ反応ステップ３２の前に水除去ステップ３８内で水除去を経てよく、それによって水除去ステップ３８は、水が少ない生成物流３３’を生産する。次いで、水が少ない生成物流３３’は、最終ＲＷＧＳ反応ステップ３２に導入されてよい。
熱３９が、熱源３６から最終ＲＷＧＳ反応ステップ３２に供給されてよく、これは、反応ステップ３２により消費されない熱（すなわち過剰な熱）と、任意選択で、生産された二酸化炭素とを含む排出流３１を生産する。上述のように、ＲＷＧＳ反応ステップ３２からの過剰な熱は、図１に示されるように排出流３１を介して、加熱ステップ２４など、上流ステップに供給されてよい。図示されていないが、排出流３１内の過剰な熱を使用して、生成物流３３、３３’を最終ＲＷＧＳ反応ステップ３２に入る前に予熱してよい。熱源２６と同じく、排出流３１内の生産された二酸化炭素を上流ＲＷＧＳ反応（例えば第１のＲＷＧＳ反応ステップ２２）に送り返すことができる。例えば、排出流３１からの、生産された二酸化炭素を含む流れ４５を、二酸化炭素フィード流２１、混合物２５と合わせるか、または反応ステップ２２に直接供給することができる。
図１は、反応ステップ３２に直接加えられる熱３９と共に最終ＲＷＧＳ反応ステップ３２を示すが、他の実施形態において、最終ＲＷＧＳ反応ステップは、反応器に入る前に加熱が行われる反応ステップ２２に関して示される配列と同様の配列を含んでよいことが理解されるであろう。また、流れの予熱または反応ステップ中の反応物流の直接加熱は、選ばれる反応器のタイプ（例えば断熱反応器または非断熱反応器）に依存し得ることを当業者は理解するであろう。
生成物流３３（または水が少ない流れ３３’）内のＣＯ2およびＨ2は、最終ＲＷＧＳ反応ステップ３２内で反応して、ＣＯおよびＨ2Ｏを生産し、これらは、任意の未反応の反応物と共に、最終生成物流４３として最終ＲＷＧＳ反応ステップ３２を出る。最終生成物流４３は、例えば分離ステップ４６内の、１つまたは複数の分離を経てよい。例えば、分離ステップ４６は、水流５１を介して水を除去してよい。水除去に加えて、またはその代わりに、最終生成物流内の水素の少なくとも一部を除去して（例えば膜によって）、水素リッチな流れ５３を生成することができる。同じく、水および／もしくは水素の分離に加えて、またはその代わりに、二酸化炭素を任意選択で分離して、二酸化炭素リッチな流れ５５を生産することができ、かつ／または一酸化炭素を任意選択で分離して、一酸化炭素リッチな流れ５７を生産することができる。
１つまたは複数の実施形態において、最終生成物流４３はシンガス流である。分離および／または精製を生成物流４３上で実施して、改変シンガス流６１を生産することができることを当業者は理解する。例えば、成分を回収することができ（例えば、Ｈ2Ｏ、Ｈ2、ＣＯ、および／またはＣＯ2の回収）、精製を行うことができ、かつ／または成分の比を操作して、改変シンガス流６１を生産することができる。１つまたは複数の実施形態において、例えば二酸化炭素リッチな流れ５５を生成する分離ステップ後の、流れ４３中に含まれる二酸化炭素を上流ＲＷＧＳ反応ステップに送り返して、二酸化炭素の少なくとも一部を一酸化炭素に変換することができる。例えば、二酸化炭素リッチな流れ５５を二酸化炭素フィード流２１と合わせることができる。代わりに、二酸化炭素リッチな流れは、最終ＲＷＧＳ反応ステップ３２に、またはＲＷＧＳ反応を介して二酸化炭素を一酸化炭素に変換するためのプロセス中の中間点に送り返されてよい。図１は、単一のステップとして分離ステップ４６を示すが、所望の分離および／または精製を達成するために複数の分離ステップが存在してよいことが理解されるであろう。
多ステッププロセス
１つまたは複数の実施形態において、本発明のプロセスは、３つ以上の反応ステップを含む。１つまたは複数の実施形態において、最終ステップは、先行する反応ステップよりも高い温度で操作される。最終ＲＷＧＳ反応ステップに先行する反応ステップ（これらは、初期ＲＷＧＳ反応ステップおよび任意の中間ＲＷＧＳ反応ステップを含む）は、同じ温度でそれぞれ実施されてよい。他の実施形態において、中間ＲＷＧＳ反応ステップのうちの１つまたは複数が、初期ＲＷＧＳステップを超える温度で実施される。特定の実施形態において、各中間ＲＷＧＳ反応ステップは、先行するステップよりも高い温度で実施される。さらなる他の実施形態において、多ステッププロセスの各ステップは、温度に対してランダムに操作される。１つまたは複数の実施形態において、水が、その後の反応ステップに送られる前にＲＷＧＳ反応ステップのうちの１つまたは複数を出る生成物流から除去される。
例示的な多段階プロセスは、図２を参照して説明することができ、これは、初期ＲＷＧＳ反応ステップ１２２、中間ＲＷＧＳ反応ステップ１３２、および最終ＲＷＧＳ反応ステップ１５２を含む３ステップ反応プロセス１１１を示す。図示されていないが、プロセス１１１は、１超、他の実施形態において３超、他の実施形態において１０超、他の実施形態において２０超、他の実施形態において１００超の中間ＲＷＧＳ反応ステップを含んでよい。これらまたは他の実施形態において、プロセス１１１は、１００未満、他の実施形態において３０未満、他の実施形態において１０未満の中間ＲＷＧＳ反応ステップを含んでよい。１つまたは複数の実施形態において、本発明のプロセスは、約１～約１００、他の実施形態において約２～約３０、他の実施形態において約３～約１０の中間ＲＷＧＳ反応ステップを含んでよい。
図２を再び参照して、ＣＯ2流１２１およびＨ2流１２３は、混合反応物流１２５へと合わせられ、加熱ステップ１２４において加熱されて、加熱流１２７を生成し、初期ＲＷＧＳ反応ステップ１２２に送られ、ここで、ＣＯ2およびＨ2の少なくとも一部は、触媒の存在下でＣＯおよびＨ2Ｏに変換されて、生成物流１３３を生成する。図１の実施形態と同じく、加熱ステップ１２４および反応ステップ１２２は、使用される反応器のタイプに応じて単一のステップへと合わせられてよい。また、１つまたは複数の実施形態において、混合反応物流１２５（ならびに上記の反応物流２５）は直接調達することができ、したがってＣＯ2流１２１およびＨ2流１２３は、任意選択で存在しなくてよいことが理解されるであろう。
加熱ステップ１２４は、１つまたは複数の熱源から熱を受け取ってよい。例えば、熱１２９が、専用の熱源１２６から生産されてよい。代わりに、または専用の熱源１２６に加えて、下流プロセスステップからの熱が、加熱ステップ１２４により受け取られてよい。例えば、図１に示されるように、排出流１３１内の過剰な熱が、最終ＲＷＧＳ反応ステップ１５２から受け取られる。別の例（図示せず）において、排熱が、中間ＲＷＧＳ反応ステップ（例えばステップ１３２）または中間加熱源から受け取られてよい。熱源１２６においてなど熱の発生において二酸化炭素が生産される実施形態において、生産された二酸化炭素１３５を、それを一酸化炭素に少なくとも部分的に変換することができる第１のＲＷＧＳ反応ステップ１２２に送り返すことができる。例えば、生産された二酸化炭素を、二酸化炭素フィード流１２１、混合流１２５と合わせるか、または反応ステップ１２２に直接導入することができる。代わりに、生産された二酸化炭素は、最終ＲＷＧＳ反応ステップ１５２に、またはＲＷＧＳ反応を介した一酸化炭素への変換のためのプロセス中の中間点に送られてよい。
１つまたは複数の実施形態において、初期ＲＷＧＳ反応ステップ１２２からの生成物流１３３は、任意選択の水除去ステップ１３８に任意選択で送られて、水が少ない生成物流１３３’を生産することができ、これは、次いで、中間加熱ステップ１３４に送られて、加熱流１３７を生成する。熱１３９が、１つまたは複数の熱源から加熱ステップ１３６に供給されてよい。例えば、熱１３９は、専用の熱源１３６から供給されてよい。代わりに、または専用の熱源１３６に加えて、熱が、他のプロセスステップから送られてよい。例えば、図２に示され、かつ本明細書において以下でより詳細に説明されるように、最終ＲＷＧＳ反応ステップ１５２からの排出流１３１内の過剰な熱を加熱ステップ１３４に送ることができる。熱源１３６においてなど熱の発生において二酸化炭素が生産される実施形態において、生産された二酸化炭素１４１を、それを一酸化炭素に少なくとも部分的に変換することができる第１のＲＷＧＳ反応ステップ１２２に送り返すことができる。例えば、生産された二酸化炭素を、二酸化炭素フィード流１２１、混合流１２５と合わせるか、または反応ステップ１２２に直接導入することができる。代わりに、生産された二酸化炭素は、最終ＲＷＧＳ反応ステップ１５２に、またはＲＷＧＳ反応を介した一酸化炭素への変換のためのプロセス中の中間点に送られてよい。反応ステップ１２２および加熱ステップ１２４と同じく、加熱ステップ１３４および反応ステップ１３２は、使用される反応器のタイプに応じて単一のステップへと合わせられてよい。
加熱流１３７は、加熱ステップ１３４から中間ＲＷＧＳ反応ステップ１３２に送られ、ここで、加熱流１３７内のＣＯ2およびＨ2の少なくとも一部は、ＣＯおよびＨ2Ｏに変換されて、中間生成物流１４３を生成する。中間ＲＷＧＳ反応ステップ１３２を出る中間生成物流１４３は、１つまたは複数の追加の中間ＲＷＧＳ反応ステップ（図示せず）に任意選択で送ることができる。１つまたは複数の実施形態において、これらの１つまたは複数の中間ＲＷＧＳ反応ステップは直列に置かれる。プロセス流が、１つまたは複数の中間ＲＷＧＳ反応ステップを通じて下流に進むとき、プロセス流は、その後の中間ＲＷＧＳ反応ステップに入る前に１つまたは複数の水除去ステップ（図示せず）を経てよい。また、使用される反応器のタイプに応じて、１つまたは複数の中間ＲＷＧＳ反応ステップは、反応ステップに入る前に流れを予熱するステップを含んでよく、または流れは、中間ＲＷＧＳ反応ステップ中に同時に加熱されてよい。
最終的に、１つまたは複数の中間ＲＷＧＳ反応ステップからの中間生成物流（例えば流れ１４３）は、最終ＲＷＧＳ反応ステップ１５２に送られる。最終ＲＷＧＳ反応ステップ１５２の前に、流れ１４３は、任意選択の水除去ステップ１４８を経て、水が減少した生成物流１４３’を生成してよい。最終ＲＷＧＳ反応ステップは、熱源１５６から熱１５９を受け取り、排出流１３１を生産してよく、これは、過剰な熱および／または生産された二酸化炭素を含んでよい。例えば、最終ＲＷＧＳ反応ステップ１５２からの排出流１３１内の過剰な熱を加熱ステップ１２４および／または１３４などの上流プロセスステップに送ることができる。また、排出流１３１内の過剰な熱を、先行する反応ステップのいずれかに送ることができ、または排出流１３１内の過剰な熱を使用して、上流の流れのいずれかを予熱することができる。熱源１５６においてなど熱１５９の発生において二酸化炭素が生産される場合、生産された二酸化炭素１４５を、それを一酸化炭素に少なくとも部分的に変換することができるＲＷＧＳ反応ステップのいずれかに送ることができる。例えば、生産された二酸化炭素を、二酸化炭素フィード流１２１、混合流１２５と合わせるか、または反応ステップのうちの１つに直接導入することができる。代わりに、生産された二酸化炭素は、最終ＲＷＧＳ反応ステップ１５２に、またはＲＷＧＳ反応を介した一酸化炭素への変換のためのプロセス中の中間点に送られてよい。
最終ＲＷＧＳ反応ステップ１５２内で、生成物流１４３内のＣＯ2およびＨ2が反応して、ＣＯおよびＨ2Ｏをさらに生産し、これらは、任意の未反応の反応物と共に、最終生成物流１５３として最終ＲＷＧＳ反応ステップ１５２を出る。最終生成物流１５３は、例えば分離ステップ１６６内の、１つまたは複数の分離を経てよい。例えば、分離ステップ１６６は、水流１６１を介して水を除去してよい。水除去に加えて、またはその代わりに、最終生成物流１５３内の水素の少なくとも一部を除去して、水素リッチな流れ１６３を生成することができる。同じく、水および／もしくは水素の分離に加えて、またはその代わりに、二酸化炭素を任意選択で分離して、二酸化炭素リッチな流れ１６５、および／または一酸化炭素リッチな流れ１６７を生産することができる。
１つまたは複数の実施形態において、最終生成物流１５３はシンガス流である。分離および／または精製を生成物流１５３上で実施して、改変シンガス流１７１を生産することができることを当業者は理解する。例えば、成分を回収することができ（例えばＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2、および／またはＨ2Ｏの回収）、精製を行うことができ、かつ／または成分の比を操作して、改変シンガス流１７１を生産することができる。１つまたは複数の実施形態において、例えば二酸化炭素リッチな流れ１６５を生成する分離ステップ後の、流れ１５３内に含まれる二酸化炭素を上流ＲＷＧＳ反応ステップに送り返して、二酸化炭素の少なくとも一部を一酸化炭素に変換することができる。例えば、二酸化炭素リッチな流れ１６５を二酸化炭素フィード流１２１と合わせることができる。代わりに、二酸化炭素リッチな流れ１６５は、最終ＲＷＧＳ反応ステップ１５２に、またはＲＷＧＳ反応を介して二酸化炭素を一酸化炭素に変換するためのプロセス中の中間点に送り返されてよい。図２は、単一のステップとして分離ステップ１６６を示すが、所望の分離および／または精製を達成するために複数の分離ステップが存在してよいことが理解されるであろう。
反応物流
１つまたは複数の実施形態において、本発明のプロセスは、初期ＲＷＧＳ反応ステップに適切な供給速度の二酸化炭素および水素を供給して、初期ＲＷＧＳ反応ステップ内で１モルの二酸化炭素に対して少なくとも１モルの水素を供給するステップを含む。これらまたは他の実施形態において、過剰な水素が、初期ＲＷＧＳ反応ステップに供給される。例えば、初期ＲＷＧＳ反応ステップに１：１超、他の実施形態において１．５：１超、他の実施形態において２．５：１超、他の実施形態において５：１超の水素対二酸化炭素のモル比を与えるように水素および二酸化炭素のフィードを設定することができる。１つまたは複数の実施形態において、水素および二酸化炭素フィードは、初期ＲＷＧＳ反応ステップに約１：１～約１０：１、他の実施形態において約１．３：１～約５：１、他の実施形態において約１．５：１～約４：１、他の実施形態において約２．５：１～約３．５：１の水素対二酸化炭素のモル比を与える。
１つまたは複数の実施形態において、初期ＲＷＧＳ反応ステップに注ぎ込む（または二酸化炭素および水素が合わせられる任意の予備混合ステップに注ぎ込む）二酸化炭素反応物流（例えば流れ２１、１２１）は、５０ｍｏｌ％超、他の実施形態において８５ｍｏｌ％超、他の実施形態において９０ｍｏｌ％超、他の実施形態において９５ｍｏｌ％超、他の実施形態において９８ｍｏｌ％超、他の実施形態において９９ｍｏｌ％超の二酸化炭素を含む。１つまたは複数の実施形態において、初期ＲＷＧＳ反応ステップに供給される（または水素反応物流と合わせられる）二酸化炭素反応物流は、約５０ｍｏｌ％～約１００ｍｏｌ％、他の実施形態において約７５ｍｏｌ％～約９９．９ｍｏｌ％、他の実施形態において約９９ｍｏｌ％～約１００ｍｏｌ％の二酸化炭素を含む。
１つまたは複数の実施形態において、初期ＲＷＧＳ反応ステップに注ぎ込む（または二酸化炭素および水素が合わせられる任意の予備混合ステップに注ぎ込む）水素反応物流（例えば流れ２３、１２３）は、５０ｍｏｌ％超、７５ｍｏｌ％超、他の実施形態において８５ｍｏｌ％超、他の実施形態において９０ｍｏｌ％超、他の実施形態において９５ｍｏｌ％超、他の実施形態において９８ｍｏｌ％超、他の実施形態において９９ｍｏｌ％超の水素を含む。１つまたは複数の実施形態において、初期ＲＷＧＳ反応ステップに供給される（または二酸化炭素流と合わせられる）水素反応物流は、約５０～約１００ｍｏｌ％、他の実施形態において約７５～約９９．９ｍｏｌ％、他の実施形態において約９９ｍｏｌ％～約１００ｍｏｌ％の水素を含む。
１つまたは複数の実施形態において、初期ＲＷＧＳ反応ステップ２２、１２２に導入される反応物流（これは、混合流２５、１２５、ならびに加熱流２７、１２７を含んでよい）（すなわち初期反応ステップ内で反応させる反応物）は、少なくとも５０ｍｏｌ％、他の実施形態において少なくとも７５ｍｏｌ％、他の実施形態において少なくとも９０ｍｏｌ％、他の実施形態において少なくとも９５ｍｏｌ％の合わせられた二酸化炭素および水素を含む。これらまたは他の実施形態において、初期ＲＷＧＳ反応ステップ２２、１２２に導入される反応物流は、メタンを実質的に含まず、これは、さもなければ本発明の実施に顕著な影響を与えるであろう量以下を含む。１つまたは複数の実施形態において、初期ＲＷＧＳ反応ステップ２２、１２２に導入される反応物流は、メタンを含まない。１つまたは複数の実施形態において、初期ＲＷＧＳ反応ステップ２２、１２２に導入される反応物流は、２０ｍｏｌ％未満、他の実施形態において１０ｍｏｌ％未満、他の実施形態において５ｍｏｌ％未満、他の実施形態において２ｍｏｌ％未満、他の実施形態において１ｍｏｌ％未満のメタンを含む。
同様に、ＲＷＧＳ反応内のメタンの生産を最小限にすることが望ましい。例えば、生産される生成物流は、２０ｍｏｌ％未満、他の実施形態において１０ｍｏｌ％未満、他の実施形態において５ｍｏｌ％未満、他の実施形態において２ｍｏｌ％未満、他の実施形態において１ｍｏｌ％未満のメタンを含んでよい。１つまたは複数の実施形態において、生成物流は、メタンを実質的に含まず、他の実施形態において生成物流は、メタンを含まない。
ＲＷＧＳプロセス条件
１つまたは複数の実施形態において、第１の加熱ステップ２４、１２４は、３５０℃超、他の実施形態において４５０℃超、他の実施形態において５００℃超、他の実施形態において５２５℃超の温度を有する加熱混合反応物流２７、１２７（これは、第１のＲＷＧＳ反応ステップ２２、１２２に入る流れの熱になる）を生産する。これらまたは他の実施形態において、第１の加熱ステップ２４、１２４は、７００℃未満、他の実施形態において６５０℃未満、他の実施形態において６００℃未満の温度を有する加熱混合反応物流２７、１２７を生産する。１つまたは複数の実施形態において、第１の加熱ステップ２４、１２４は、約４５０～約７００℃、他の実施形態において約５００～約６５０℃、他の実施形態において約５２５～約６００℃の温度を有する加熱混合反応物流２７、１２７を生産する。同様に、中間反応物流の予熱を含む任意の下流中間反応ステップが、同様の温度まで加熱されてよい。
１つまたは複数の実施形態において、初期ＲＷＧＳ反応ステップ（２２、１２２）は断熱的に行われる。これらまたは他の実施形態において、初期ＲＷＧＳおよび中間ＲＷＧＳ反応ステップ（１３２）のうちの１つまたは複数は断熱的に行われる。特定の実施形態において、第１のＲＷＧＳ（２２、１２２）および中間ＲＷＧＳ（１３２）反応ステップのそれぞれは断熱的に行われる。これらまたは他の実施形態において、最終ＲＷＧＳステップ（３２、１５２）は断熱的に行われる。
本明細書において、ＲＷＧＳ反応ステップのいずれかが起こる温度は、反応ステップを出てすぐの生成物流の温度（例えば反応ステップが起こる反応器の出口温度）によって定量化されるか、または特徴付けられる。
１つまたは複数の実施形態において、初期反応ステップ２２、１２２は、３００℃超、他の実施形態において４５０℃超、他の実施形態において５００℃超、他の実施形態において５２５℃超の温度で起こる。これらまたは他の実施形態において、初期反応ステップ２２、１２２は、１０００℃未満、他の実施形態において８００℃未満、他の実施形態において６５０℃未満、他の実施形態において６００℃未満の温度で起こる。１つまたは複数の実施形態において、初期反応ステップ２２、１２２は、約４００～約１２００℃、他の実施形態において約３００～約１０００℃、他の実施形態において約４５０～約８００℃、他の実施形態において約５００～約７５０℃、他の実施形態において約５２５～約６００℃の温度で起こる。
１つまたは複数の実施形態において、最終ＲＷＧＳ反応ステップ３２、１５２は、５００℃超、他の実施形態において８００℃超、他の実施形態において８５０℃超、他の実施形態において９００℃超の温度で起こる。これらまたは他の実施形態において、最終ＲＷＧＳ反応ステップ３２、１５２は、１２００℃未満、他の実施形態において１１００℃未満、他の実施形態において１０００℃未満の温度で起こる。１つまたは複数の実施形態において、最終反応ステップ３２、１５２は、約５００～約１２００℃、他の実施形態において約８００～約１２００℃、他の実施形態において約８５０～約１１００℃、他の実施形態において約９００～約１０００℃の温度で起こる。
１つまたは複数の実施形態において、任意選択の水除去ステップ３８（ならびに１３８、１４８）は、生成物流３３内の１０％超、他の実施形態において２５％超、他の実施形態において５０％超の水を除去する。これらまたは他の実施形態において、水除去ステップ３８は、生成物流３３内の１００％未満、他の実施形態において９０％未満、他の実施形態において７０％未満の水を除去する。１つまたは複数の実施形態において、水除去ステップ３８は、生成物流３３、１３３、１４３内の約１０～約１００％、他の実施形態において約２５～約９０％、他の実施形態において約５０～約９０％の水を除去する。
その任意の個々のステップを含むＲＷＧＳプロセスは、大気圧から約５５０ｐｓｉ、さらには１０００ｐｓｉ以上を含む広範囲の圧力にわたって行われてよい。典型的な反応器圧力は、下流の使用に適合するように、または圧縮を最小限にするように選ばれ得る。１つまたは複数の実施形態において、ＲＷＧＳプロセスは、約４００～約６００ｐｓｉの圧力で操作される。
加熱デバイス
断熱的に行われるＲＷＧＳステップにおいて、これに限定されないが熱交換器などの適切な設備を使用して、加熱ステップ２４、１２４、１３４においてなど、反応物流を予熱することができる。
当業者は、過度の計算または実験をせずに、所望のプロセス条件に基づいて加熱デバイス（例えば熱交換器）に適切な設計構成および材料設備要件を容易に決定することができる。例えば、反応ステップの所望の温度が、加熱デバイス、またはその部分を構成するために使用することができる材料を決定し得る。
ＲＷＧＳ反応への熱エネルギー
断熱反応ステップにおいて反応物流に送られる熱、または非断熱反応ステップにおいて反応ステップに直接送られる熱は、様々な加熱源から得ることができる。例えば、熱は、天然ガスなど、化石燃料の燃焼により供給することができる。あるいは、熱は、電気エネルギーにより供給することができる。例えば、電気エネルギーは、任意選択でＣＯ2捕捉を伴う、原子力、風力、ソーラーパワー、水力、および燃料の燃焼などの様々な源に由来し得る。代わりに、熱は、炭素フリー燃料、例えば水素の燃焼により供給することができ、これは、二酸化炭素を発生させることなくエネルギーを生産することができる。
上記で示したように、熱エネルギーをＲＷＧＳ反応ステップに供給するために使用される１つまたは複数の熱源（例えば熱源１２６、１３６、１５６）が、熱の発生において二酸化炭素を発生させる場合、発生する二酸化炭素を任意選択で捕捉し、反応物としてＲＷＧＳプロセスに送り返す（例えば二酸化炭素流２１、１２１に送り返す）ことができる。１つまたは複数の実施形態において、本発明のＲＷＧＳ反応ステップのための熱の発生（例えば天然ガスなどの燃料の燃焼）において生産される二酸化炭素の少なくとも２０％、他の実施形態において少なくとも５０％、他の実施形態において少なくとも７０％、他の実施形態において少なくとも８５％、他の実施形態において少なくとも９０％が捕捉され、反応物としてプロセスに戻される。
ＲＷＧＳ反応器
本発明のＲＷＧＳ反応ステップは、反応に熱を効率的に伝達する能力を提供しながら触媒の存在下で反応が起こるのを可能にする容器中で実施することができる。例えば、反応は固定層反応器（これは、充填層反応器と呼ばれることもある）内で行われてよい。ＲＷＧＳ反応が断熱的に行われる場合、反応器は、任意選択で断熱された充填層容器またはタンクを含んでよい。ＲＷＧＳ反応が非断熱的に行われる場合、反応器は、加熱充填層反応器、例えば燃焼管型充填層反応器、放射加熱充填層反応器、電気加熱充填層反応器、マイクロ波加熱充填層反応器、および対流加熱充填層反応器を含んでよい。
当業者は、過度の計算または実験をせずに、所望のプロセス条件に基づいて反応器に適切な設計構成および材料設備要件を容易に決定することができる。例えば、反応ステップの所望の温度が、反応容器、またはその部分（例えば反応管）を構成するために使用することができる材料を決定し得る。例えば、低温ＲＷＧＳ反応が望まれるとき（例えば約８００℃未満の温度での反応）は、反応器部品は、最高約８００℃の温度に耐えることができるステンレス鋼または他の金属もしくは合金で構成することができる。一方、高温ＲＷＧＳ反応が望まれるとき（例えば約８００℃超の反応）は、反応器部品は、最高約１２００℃の温度に耐えることができる、ニッケル合金など、高グレードの金属または合金で構成することができる。
総合的なプロセス設計は有利に、ＲＷＧＳ反応を推進するのに必要な反応熱（すなわちΔＨｒ）の一部をより低エネルギーのシステム（すなわち第１の低温反応ステップ）から供給することを可能にし、これは、有利により高い温度で機能し、それによってさらなるＣＯ2変換を推進する高温ＲＷＧＳ反応ステップ内の反応に伝達されなければならないエネルギーの量を低減する。したがって、高温で高温ＲＷＧＳ反応ステップを操作することにより、変換反応全体のすべての熱伝達要件を実現する高温ＲＷＧＳ反応ステップに依存することなく、プロセス全体のＣＯ2変換を、より低い温度で達成されるレベルを越えて推進することができる。その結果、高温ＲＷＧＳ反応ステップの特性をより小さい負荷、特に熱伝達負荷に対応するように有利に調整することができ、これは、総合効率を特に資本コスト要件の点で実現する。例えば、低温ＲＷＧＳ反応ステップは、高温ＲＷＧＳ反応ステップの極めて高い温度に耐える必要はない材料で構成される容器中で実施することができる。さらに、ただ１つのＲＷＧＳ反応ステップがプロセスに関与する場合よりも高温熱伝達要件が低いことを考えれば、高温ＲＷＧＳ反応ステップのための反応器設計の規模を縮小することができる。
触媒
上記で示したように、高温（例えば約８００℃超）および低温（例えば約３５０～約８００℃）ＲＷＧＳ反応の両方が触媒的に推進される。しかし、本発明の実施は、触媒が逆水性ガスシフト反応を促進するか、またはさもなければ容易にする限り、特定の触媒系に限定されない。したがって、逆水性ガスシフト触媒を参照することができる。当業者は、反応条件、特に任意の所与のＲＷＧＳ反応のための反応条件が、選択される触媒系に影響し得ることを理解し、当業者は、過度の実験または計算をせずに適切な触媒を容易に選択することができるであろう。
１つまたは複数の実施形態において、固定層触媒系が使用される。当業者が理解するように、この系は、適切な担体材料上に配置された触媒材料を含む。有用な担体材料は、当技術分野において一般に既知であり、反応器（例えば管反応器）中に適切に充填することができる材料を含む。
有用な触媒には高温シフト触媒が含まれ、これは、当技術分野において一般に既知であり、逆シフト反応が起こるより高い温度（例えば一般に４００℃超）において有用である。例示的な高温逆水性ガスシフト触媒は組成的に、酸化鉄、酸化クロム、および任意選択で酸化マグネシウムを含む。別の例は、任意選択で、酸化物に加えて、またはその代わりにカーボネートまたはオキシカーボネートを含み、かつ任意選択で白金を一緒に含む、マンガンならびにセシウムおよび／またはランタン系列金属の酸化物に基づく触媒である。
他の高温シフト触媒には、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許出願公開第２０１７／０１９７８２９号、第２０１５／００８０４８２号、第２０１０／０１０５９６２号、第２００３／０１１３２４４号、および第２００７／０１４２４８２号に開示されたものが含まれる。
水除去法
上記で示したように、本発明の実施は、生成物流からの水の除去のための１つまたは複数のステップを含んでよい。いくつかの技法を使用することができる。例えば、生成物流からの水の凝縮は、生成物流からの熱の除去を含む凝縮法によって達成することができる。
他の実施形態において、水が、生成物流から著しい量の熱エネルギーを除去することなく除去される。例えば、１つまたは複数の実施形態において、水が、膜分離により除去される。これらの膜システムは、膜前後の圧力損失、水除去に影響する透過スイープガスの使用、および／または温度調節を必要とすることがあることを当業者は理解する。他の実施形態において、吸着法が使用されてよい。例えば、固体収着剤、金属酸化物構造体（ＭＯＦ）、およびゼオライト様イミダゾレート構造体（ＺＩＦ）が使用されてよい。これらの吸収剤系は、温度調節および／または圧力調節を必要とすることがあることを当業者は理解するであろう。
１つまたは複数の実施形態において、水は、水蒸気改質反応を介したメタンとの反応（これは、水蒸気メタン改質（ＳＭＲ）と呼ばれることもある）により除去される。
二酸化炭素源
１つまたは複数の実施形態において、二酸化炭素は、様々な点源から得ることができる。１つまたは複数の実施形態において、二酸化炭素流は、燃焼操作および様々な工業的操作などの様々な点源に位置し得る二酸化炭素捕捉プロセスに由来し得る。燃焼プロセスには、石炭またはガス発電所、乗り物の操作、および焼却または廃棄物処理が含まれるが、これらに限定されない。工業的操作には、アルミニウム製錬、アンモニア生産、水素生産、精製、セメント生産、鉄製錬、フェロアロイ生産、鋼生産、石灰生産、およびガラス生産が含まれるが、これらに限定されない。二酸化炭素捕捉技術には、吸収、吸着、膜分離、および深冷分離が含まれ得るが、これらに限定されない。例えば、二酸化炭素は、アミンに基づく技術を使用して吸収することができる。
他の実施形態において、二酸化炭素を大気空気から捕捉することができる（すなわち特定の点源においてではない）。この技法には直接空気捕捉（ＤＡＣ）が含まれ得、これは、周囲空気から直接二酸化炭素を捕捉する。有用な技法には、アミンまたは苛性溶液を使用する液体溶媒吸収が含まれる。他の技法には、アニオン交換ポリマー樹脂、金属有機構造体、吸着、および膜分離が含まれる。
特定の実施形態において、水酸化カリウム溶液を使用するＤＡＣが、二酸化炭素流を供給するために使用される。例えば、有用なＤＡＣプロセスが、Ｋｅｉｔｈら、Ａ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｃａｐｔｕｒｉｎｇ ＣＯ２ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ、Ｊｏｕｌｅ（２０１８）に記載されている。同様のプロセスが、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許出願公開第２０１７／０３５４９２５号、第２０１４／０２７１３７９号、第２０１９／０３４４２１７号、第２０１９／０３５９８９４号、第２０１９／０３３６９０９号にも記載されている。
本発明の逆水性ガスシフト（ＲＷＧＳ）反応プロセスは、魅力的な正味の二酸化炭素消費を達成するように設計することができるため、本発明のプロセスは、直接空気捕捉法と有利に組み合わせて、それによって、総合的に工業的に有用な二酸化炭素消費レベルを実現することができる。
水素源
１つまたは複数の実施形態において、水素流は、水が電気分解を経て、水素および酸素を生産する電気分解プロセスにより供給されてよい。電気分解プロセスのための電気の必要量は、地熱源、ソーラーパワー、風力エネルギー、水力、原子力、廃棄物の燃焼、海洋温度差もしくは運動学的発電などの代替および再生可能エネルギー源から、またはオフピーク電力網供給から供給されてよい。
他の実施形態において、水素流は、改質により、例えば天然ガスの水蒸気改質および天然ガスの自己熱改質により供給されてよい。
他の実施形態において、水素流は、別のプロセスからのオフガスまたは廃ガスから、例えば水素化処理プロセス、水素化分解プロセス、または水素を使用もしくは生産する他の工業プロセスから供給されてよい。
生成物流の使用
１つまたは複数の実施形態において、本発明の実施により生産される一酸化炭素は、様々な燃料および化学薬品を生産するためのビルディングブロックとして使用することができる。
１つまたは複数の実施形態において、本発明の実施により生産される生成物流は、一酸化炭素および水素の混合物を含み、これは、合成ガスまたはシンガスと呼ばれることがある。例えば、一酸化炭素対水素のモル比は、約０．５：１～約５：１以上、他の実施形態において約１：１～約３：１、他の実施形態において約１．５：１～約２．５：１でよい。当業者が理解するであろうように、本発明のプロセス中への二酸化炭素に対する水素の供給速度、ならびに構成されたプロセス（例えば段階の数）、操作条件（例えば段階の温度、水除去）、および生シンガス流の合成後操作は、一酸化炭素対水素の所望のモル比を有する生成物流を供給するように調整することができる。
１つまたは複数の実施形態において、本発明のプロセスにより生産される生成物流は、フィッシャー－トロプシュプロセスに供して、ディーゼル油、ガソリン、ナフサ、ワックス、ＬＰＧ、またはメタンなどの炭化水素を生産することができるシンガス流である。
他の実施形態において、本発明のプロセスにより生産される生成物流は、メタノールの生産（すなわちメタノール合成）または他のアルコール合成において使用されるシンガス流である。
本発明のプロセスを実施するためのシステム（このシステムは一般に、ＲＷＧＳ反応器間に位置する任意選択の加熱および水除去ユニットと共に、直列に置かれたＲＷＧＳ反応器を含む）は、過度の実験または計算をせずに当業者により構成することができる。それに関連して、当業者は、パイプまたは他の導管など、適切な設備を容易に選択して、互いに流体連通している（例えば様々な反応器間で材料を移動させる、またはシステム内である種の材料を再循環させる）、システムの１つもしくは複数の要素を配置し、かつ／または互いに熱連通している（例えば様々なプロセスステップ間で熱を伝達する）、システムの１つもしくは複数の要素を配置することができるであろう。当業者は、本発明の実施にしたがって様々な流れを容易に加熱および冷却し、それらの適切な測定を行うこともできるであろう。
本発明の実施を示すために、以下の実施例がシミュレートされた。しかし、実施例は、本発明の範囲を限定するものと見なされるべきではない。特許請求の範囲が、本発明を定義するのに役立つ。
Ａｓｐｅｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ．製プロセスシミュレータＡｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ（商標）を使用して実施例をシミュレートした。実施例および結果の概要表は、表１０ならびに図９および１０に記載されている。
以下の特定のプロセスの特徴およびパラメータは、すべてのシミュレーションに共通していた：（１）ＲＷＧＳ反応器システムへの混合プロセスフィードは、Ｈ2／ＣＯ比３：１、１００°Ｆ、および４１５ｐｓｉａの生成物シンガスを生産するような圧力（異なる実施例を通じて異なる圧力損失を考慮）の１５００ｌｂｍｏｌ／時間のＣＯ2および４５００ｌｂｍｏｌ／時間のＨ2からなっていた；（２）ＣＯ2は、例えば、工業的な点源排出から捕捉、周囲空気から直接（例えば直接空気捕捉、すなわち「ＤＡＣ」技術を使用して捕捉、パイプライン、トラック、鉄道、船または他の手段を介して調達することができた；（３）Ｈ2は、例えば、水の電気分解、水蒸気メタン改質、部分酸化、熱分解、精製操作を介して生産、パイプライン、トラック、鉄道、船、または他の手段を介して調達することができた（４）生成物シンガスは、４１５ｐｓｉａおよび１００°Ｆで生産する（冷却後）；（５）これらの実施例では、熱を、周囲空気による天然ガスの燃焼によりプロセスに供給する（例えば、フィードを予熱し、熱を供給して、吸熱ＲＷＧＳ反応を推進するため）；（６）前記天然ガスは、以下の組成を有する：９４．０％メタン、３．５％エタン、１．５％プロパン、０．５％窒素、および０．５％二酸化炭素（モル％単位の組成）；（７）熱を供給する代替手段（シミュレートせず）が可能であり、例えば、電気加熱、水素燃料、石炭、油、炭化水素燃料、他の燃料、酸素燃焼を含んでよい；（７）ＣＯ2捕捉は、任意選択で燃焼煙道ガスから含まれてよく、捕捉ＣＯ2は、任意選択でＲＷＧＳ反応器へのフィードとして使用されてよい；（８）ＲＷＧＳ反応器は、ＲＷＧＳ反応がすべてのＲＷＧＳ反応器の出口において平衡に非常に近づくように設計および操作される。
１７４２°Ｆ（９５０℃）における一段階ＲＷＧＳ反応
この実施例の一段階ＲＷＧＳプロセスは、図３に示されている。混合Ｈ2＋ＣＯ2フィードを１０００°Ｆ（５３８℃）まで予熱し、燃焼管型ＲＷＧＳ反応器（設計が周知である、水蒸気およびメタンから水素を生産するための水蒸気－メタン改質装置に設計において類似）に供給する。燃焼管型ＲＷＧＳ反応器中の高価な高ニッケル合金管の操作温度を代表する高い出口温度１７４２°Ｆ（９５０℃）でＲＷＧＳ反応器を操作する。ＲＷＧＳを介したＣＯ2変換率は８０％である。生成物シンガスは、乾燥基準で、２．７５：１のＨ2：ＣＯ比で９４％のＨ2＋ＣＯを含む。２９１ｌｂｍｏｌ／時間の天然ガス燃料の燃焼は、煙道ガス中に含まれる３１０ｌｂｍｏｌ／時間のＣＯ2を生じる。追加の熱および物質収支データは、表１に記載されている。
Figure 2022549356000002
１０００°Ｆ（５３８℃）における一段階ＲＷＧＳ
この実施例の一段階ＲＷＧＳプロセスは、図４に示されている。混合Ｈ2＋ＣＯ2フィードを１０００°Ｆ（５３８℃）まで予熱し、燃焼加熱器型ＲＷＧＳ反応器（設計が周知である、典型的な精製燃焼加熱器に設計において類似）に供給する。燃焼加熱器型ＲＷＧＳ反応器中の低コストステンレス鋼管の操作温度を代表する低い出口温度１０００°Ｆ（５３８℃）でＲＷＧＳ反応器を操作し、代替の低温ＲＷＧＳプロセス構成（図示せず）は、廃熱回収（例えば専用の燃焼なし）および／または断熱反応器（例えば充填層）を含んでよい。この一段階ＲＷＧＳを介したＣＯ2変換率は５４％である。生成物シンガスは、乾燥基準で、４．５８：１のＨ2：ＣＯ比で８７％のＨ2＋ＣＯを含む。１６６ｌｂｍｏｌ／時間の天然ガス燃料の燃焼は、煙道ガス中に含まれる１７７ｌｂｍｏｌ／時間のＣＯ2を生じる。追加の熱および物質収支データは、表２に記載されている。
Figure 2022549356000003
実施例１および２からのデータは、８０％のＣＯ2変換率を示す１７４２°Ｆにおける実施例１対、５４％のＣＯ2変換率を示す１０００°Ｆにおける実施例２、の比較により示されるように、同様の操作条件下の所与のフィード（この場合１５００ｌｂｍｏｌ／時間のＣＯ2および４５００ｌｂｍｏｌ／時間のＨ2）に対する一段階ＲＷＧＳプロセスを通じたＲＷＧＳ反応を介したＣＯ2変換率が、ＲＷＧＳ反応器出口温度の強い関数であることを示す。
範囲４００°Ｆ～２４００°ＦにわたるＲＷＧＳ反応器出口温度で操作される一段階ＲＷＧＳプロセスの追加のシミュレーション結果は、表３および図５に示されている。
Figure 2022549356000004
冷却および凝縮を介したウォーターノックアウトを伴う１７４２°Ｆおよび１７４２°Ｆにおける二段階ＲＷＧＳ
この実施例の二段階ＲＷＧＳプロセスは、図６に示されている。混合Ｈ2＋ＣＯ2フィードを１０００°Ｆまで予熱し、第１の段階の燃焼管型ＲＷＧＳ反応器に供給し、ここで、ＲＷＧＳ反応器を高い出口温度１７４２°Ｆ（９５０℃）で操作する。シンガスを１００°Ｆまで冷却し、第１のＲＷＧＳ反応器段階中のＲＷＧＳ反応により生成される水（第１のＲＷＧＳ反応器段階のシンガス流出物中に存在する）の多くを凝縮および除去する（９９．２％除去）。シンガスを１０００°Ｆまで再び再加熱し、第２の段階の燃焼管型ＲＷＧＳ反応器に供給し、ここで、ＲＷＧＳ反応器を高い出口温度１７４２°Ｆ（９５０℃）で再び操作する。第１および第２の段階のＲＷＧＳ反応器の流出物におけるＲＷＧＳを介した総合ＣＯ2変換率は、（それぞれ）８０％および９５％である。生成物シンガスは、乾燥基準で、２．１６：１のＨ2：ＣＯ比で９８％のＨ2＋ＣＯを含む。
実施例３の二段階ＲＷＧＳ生成物シンガスは、実施例１および２の一段階ＲＷＧＳ生成物シンガスに比べて改善され、より高いＣＯ2変換率、より高いＨ2＋ＣＯ含有量（目標合成反応物）、および２に近いＨ2：ＣＯ比（フィッシャー－トロプシュ合成、メタノール合成、および他の合成反応の典型的な目標Ｈ2：ＣＯ比）を有する。第１の段階中の２９１ｌｂｍｏｌ／時間の天然ガス燃料の燃焼は、第１の段階からの煙道ガス中に含まれる３１０ｌｂｍｏｌ／時間のＣＯ2を生じる。第２の段階中の１８３ｌｂｍｏｌ／時間の天然ガス燃料の燃焼は、第２の段階からの煙道ガス中に含まれる１９５ｌｂｍｏｌ／時間のＣＯ2を生じる。追加の熱および物質収支データは、表４に記載されている。
二段階が、異なるように設計される（冶金および／または構成材料を含む）か、または異なる操作条件で操作されるとき、二（または多）段階のＲＷＧＳ反応器プロセスのさらなる実用的価値が認識される。広範囲の異なる設計および操作条件が可能である。段階の異なる設計（および／または構成材料を含む）、水除去を含む、熱統合を含む、異なるＲＷＧＳ反応器出口温度での段階の操作、および／または組合せが、以下の追加の実施例に示すように特に興味深い。
Figure 2022549356000005
熱統合を含み、段階間水除去を含まない、１０００°Ｆおよび１７４２°Ｆにおける二段階ＲＷＧＳ
この実施例の二段階ＲＷＧＳプロセスは、図７に示されている。混合Ｈ2＋ＣＯ2フィードを１２４９°Ｆまで予熱し、断熱ＲＷＧＳ反応器（例えば充填触媒層）に供給する。ＲＷＧＳ反応の平衡に非常に近づくように十分なＲＷＧＳ触媒を供給し、反応したガスは、１０００°Ｆの第１の段階のＲＷＧＳ反応器を出る。代替の設計（図示せず）は、同様の（または改善された）ＣＯ2変換率を達成するために対流加熱ＲＷＧＳ反応器を使用した可能性がある。第１の段階のＲＷＧＳ反応器流出ガスを第２の段階の燃焼管型ＲＷＧＳ反応器に供給する。第２の段階のＲＷＧＳ反応器を高い出口温度１７４２°Ｆ（９５０℃）で操作する。段階間水除去なしで、総合ＣＯ2変換率の結果は、それぞれ５４％および８０％で、実施例２および１の直列組合せと同様である。実施例１と同様、２９１ｌｂｍｏｌ／時間の天然ガス燃料の燃焼は、煙道ガス中に含まれる３１０ｌｂｍｏｌ／時間のＣＯ2を生じる。追加の熱および物質収支データは、表５に記載されている。
この実施例５のＣＯ2変換率は、実施例１のものと同様であるが、この実施例５の顕著な利益（実施例１に比べて）は、その低温操作および充填層反応器設計に関連する第１のＲＷＧＳ段階のより低コストの設備設計および冶金（または構成材料）にある。より少ない変換が第２の段階中に起こり、高価な高ニッケル合金管を含む費用のかかる燃焼管型ＲＷＧＳ反応器のサイズは著しく小さくなる（実施例１に比べて）。
Figure 2022549356000006
熱統合と、高温膜を使用する５０％段階間水除去とを含む、１０００°Ｆおよび１７４２°Ｆにおける二段階ＲＷＧＳ
この実施例の二段階ＲＷＧＳプロセスは、図７に示されている。この実施例５は、先の実施例４と同様である。ただし、第１のＲＷＧＳ反応器段階中のＲＷＧＳ反応により生成される水（シンガス流出物第１のＲＷＧＳ反応器段階中に存在する）の５０％を、高温膜システムを使用して除去することを除く。第１および第２の段階のＲＷＧＳ反応器の流出物におけるＲＷＧＳを介した総合ＣＯ２変換率は、（それぞれ）５４％および８４％である。生成物シンガスは、乾燥基準で、２．５５：１のＨ2：ＣＯ比で９５％のＨ2＋ＣＯを含む。２８５ｌｂｍｏｌ／時間の天然ガス燃料の燃焼は、煙道ガス中に含まれる３０４ｌｂｍｏｌ／時間のＣＯ２を生じる。追加の熱および物質収支データは、表６に記載されている。
より低コストの設備設計の利益（実施例４において上記で論じた）は、この実施例５にもあてはまる。さらに実施例４に比べて、ＣＯ2変換率は８０％から８４％に増加し、有益な低減が、熱伝達負荷（結果としてより小さい設備になる）、燃料燃焼、および煙道ガス中に含まれるＣＯ2において認められる。実施例１および２の一段階ＲＧＷＳ設計に比べて、コストおよび性能の両方が改善される。
Figure 2022549356000007
熱統合され、かつ高温吸着剤を使用する９０％段階間水除去を含む、１０００°Ｆおよび１７４２°Ｆにおける二段階ＲＷＧＳ
この実施例の二段階ＲＷＧＳプロセスは、図７に示されている。この実施例６は、先の実施例５と同様である。ただし、第１のＲＷＧＳ反応器段階中のＲＷＧＳ反応により生成される水（第１のＲＷＧＳ反応器段階中のシンガス流出物に存在する）の９０％を、高温吸着剤システムを使用して除去することを除く。第１および第２の段階のＲＷＧＳ反応器の流出物におけるＲＷＧＳを介した総合ＣＯ２変換率は、（それぞれ）５４％および８８％である。生成物シンガスは、乾燥基準で、２．３９：１のＨ2：ＣＯ比で９６％のＨ2＋ＣＯを含む。２８０ｌｂｍｏｌ／時間の天然ガス燃料の燃焼は、煙道ガス中に含まれる２９９ｌｂｍｏｌ／時間のＣＯ2を生じる。追加の熱および物質収支データは、表７に記載されている。
より低コストの設備設計の利益（実施例４において上記で論じた）は、この実施例６にもあてはまる。実施例５に比べて、ＣＯ2変換率は８４％から８８％に増加し、有益な低減が、熱伝達負荷（結果としてより小さい設備になる）、燃料燃焼、および煙道ガス中に含まれるＣＯ2において認められる。実施例１および２の一段階ＲＧＷＳ設計に比べて、コストおよび性能の両方が改善される。
Figure 2022549356000008
熱統合と、高温吸着剤を使用する５０％段階間水除去とを含む、１０００°Ｆ、１０００°Ｆ、および１７４２°Ｆにおける三段階ＲＷＧＳ
この実施例の三段階ＲＷＧＳプロセスは、図８に示されている。混合Ｈ2＋ＣＯ2フィードを１２４９°Ｆまで予熱し、断熱ＲＷＧＳ反応器（例えば充填触媒層）に供給する。ＲＷＧＳ反応の平衡に非常に近づくように十分なＲＷＧＳ触媒を供給し、反応したガスは、１０００°Ｆの第１の段階のＲＷＧＳ反応器を出る。第１のＲＷＧＳ反応器段階中のＲＷＧＳ反応により生成される水（シンガス流出物第１のＲＷＧＳ反応器段階中に存在する）の５０％が、高温吸着剤システムを使用して除去される。水が少ない第１の段階のＲＷＧＳ反応器流出ガスを１０４７°Ｆまで再加熱し、第２の段階の断熱ＲＷＧＳ反応器に供給し、やはり、ＲＷＧＳ反応の平衡に非常に近づくように十分なＲＷＧＳ触媒を供給し、反応したガスは、１０００°Ｆの第２の段階のＲＷＧＳ反応器を出る。シンガス流出物第２のＲＷＧＳ反応器段階中に存在する水の５０％が、高温吸着剤システムを使用して除去される。水が少ない第２の段階のＲＷＧＳ反応器流出ガスを第３の段階の燃焼管型ＲＷＧＳ反応器に供給する。第３の段階のＲＷＧＳ反応器を高い出口温度１７４２°Ｆ（９５０℃）で操作する。第１、第２、および第３の段階のＲＷＧＳ反応器の流出物におけるＲＷＧＳを介した総合ＣＯ2変換率は、（それぞれ）５４％、６３％、および８８％である。生成物シンガスは、乾燥基準で、２．４２：１のＨ2：ＣＯ比で９６％のＨ2＋ＣＯを含む。２８１ｌｂｍｏｌ／時間の天然ガス燃料の燃焼は、煙道ガス中に含まれる３００ｌｂｍｏｌ／時間のＣＯ2を生じる。追加の熱および物質収支データは、表８に記載されている。
より低コストの設備設計の利益（実施例４において上記で論じた）は、この実施例７にもあてはまる。二段階の実施例５に比べて、ＣＯ2変換率は８４％から８８％に増加し、有益な低減が、熱伝達負荷（結果としてより小さい設備になる）、燃料燃焼、および煙道ガス中に含まれるＣＯ2において認められる。実施例１および２の一段階ＲＧＷＳ設計に比べて、コストおよび性能の両方が改善される。
追加の段階（例えば４つ、５つ、１００以上）が可能である。大規模なシステムに適用可能でありながら高度に統合された多段階システムの利益は、効率的な、かつ／または先進の製造および組立技術（例えば３Ｄ印刷、エッチング、繰返し部品、工場製造）が、例えば製造コストを最小にするために使用され得る小規模のシステムにおいて特に有利である。
Figure 2022549356000009
熱統合と、高温膜を使用する９０％段階間水除去とを含む、１０００°Ｆ、１０００°Ｆ、および１７４２°Ｆにおける三段階ＲＷＧＳ
この実施例の三段階ＲＷＧＳプロセスは、図８に示されている。この実施例８は、先の実施例７と同様である。ただし、シンガス流出物第１および第２のＲＷＧＳ反応器段階中に存在する水（ＲＷＧＳ反応により生成された）の９０％を、高温膜システムを使用して除去することを除く。第１、第２、および第３の段階のＲＷＧＳ反応器の流出物における総合ＣＯ2変換率は、（それぞれ）５４％、７１％、および９３％である。生成物シンガスは、乾燥基準で、２．２４：１のＨ2：ＣＯ比で９８％のＨ2＋ＣＯを含む。２７７ｌｂｍｏｌ／時間の天然ガス燃料の燃焼は、煙道ガス中に含まれる２９５ｌｂｍｏｌ／時間のＣＯ2を生じる。追加の熱および物質収支データは、表９に記載されている。
より低コストの設備設計の利益（実施例４において上記で論じた）は、この実施例８にもあてはまる。三段階の実施例７に比べて、ＣＯ2変換率は８８％から９３％に増加し、有益な低減が、熱伝達負荷（結果としてより小さい設備になる）、燃料燃焼、および煙道ガス中に含まれるＣＯ2において認められる。二段階の実施例６に比べて、ＣＯ2変換率は８８％から９３％に増加し、有益な低減が、熱伝達負荷（結果としてより小さい設備になる）、燃料燃焼、および煙道ガス中に含まれるＣＯ2において認められる。実施例１および２の一段階ＲＧＷＳ設計に比べて、コストおよび性能の両方が改善される。
Figure 2022549356000010
熱統合と、高温膜を使用する９０％段階間水除去と、煙道ガスからの９０％ ＣＯ２捕捉と、生成物シンガスＨ２／ＣＯ比＝２．０を達成するためのＨ２フィード調節とを含む、１０００°Ｆ、１０００°Ｆ、および１７４２°Ｆにおける三段階ＲＷＧＳ
この実施例の三段階ＲＷＧＳプロセスは、図９に示されている。この実施例９は、先の実施例８と同様である。ただし、ＣＯ2捕捉系（例えばアミン系または他のＣＯ2捕捉系）が煙道ガスに加えられることを除く。煙道ガス中に含まれるＣＯ2の９０％が、煙道ガスから捕捉され、圧縮され（図示せず）、ＲＷＧＳ反応器システムへの新鮮なＣＯ2フィードとブレンドされる。生成物シンガス中で指定の目標Ｈ2：ＣＯ比（これは、この実施例９において２．０である）を達成するために、ＲＷＧＳ反応器システムへのＨ2フィードを調節する。第１、第２、および第３の段階のＲＷＧＳ反応器の流出物における総合ＣＯ2変換率は、（それぞれ）４２％、６３％、および９０％である。生成物シンガスは、乾燥基準で、２．００：１のＨ2：ＣＯ比で９７％のＨ2＋ＣＯを含む。３１７ｌｂｍｏｌ／時間の天然ガス燃料の燃焼は、ＣＯ2捕捉系の前に煙道ガス中に含まれる３３８ｌｂｍｏｌ／時間のＣＯ2およびＣＯ2捕捉系の後に煙道ガス中に含まれる３４ｌｂｍｏｌ／時間のＣＯ2を生じる。追加の熱および物質収支データは、表１０に記載されている。
実施例８に比べて、ＣＯ2捕捉系の後に煙道ガス中に含まれるＣＯ2は、２９５ｌｂｍｏｌ／時間から３４ｌｂｍｏｌ／時間に著しく減少し、生成物シンガス中の含まれるＣＯ＋Ｈ2は、４５００ｌｂｍｏｌ／時間から４９５５ｌｂｍｏｌ／時間に名目上１０％増加し、２．０の目標Ｈ2：ＣＯ比が生成物シンガス中で達成される。この実施例により例示されるように、Ｈ2フィード流、ＣＯ2フィード流、ＣＯ2捕捉および／または再循環流、ならびにＲＷＧＳ反応器システムにおける他の操作パラメータ（例えば温度、圧力、水除去）の調節を使用して、生成物シンガスの生産速度、生成物シンガスのＨ2：ＣＯ比、および生成物シンガス中のＨ2＋ＣＯのモル百分率を含め、生成物シンガスの生産および品質を制御することができる。ＲＷＧＳ反応器システムへの（例えばＲＷＧＳプロセス中のフィードへの、または中間点への）生成物シンガスの一部の再循環、成分の除去および／もしくは添加（例えば生成物シンガスからの）、ならびに／または当技術分野において既知の他の精製方法も使用して、生成物シンガスに影響を与えてよい。
Figure 2022549356000011
実施例シミュレーションの概要が表１０に示されている。水除去（異なる曲線）およびＲＷＧＳ反応器段階の数に応じたＣＯ2変換率（図１０）およびＣＯ2天然ガスだき排出／変換されたＣＯ2（図１１）のプロットが図１０および図１１に示されている。実施例は明らかに、特に水除去がｉｎ ｓｉｔｕで熱統合と共に実施されるときの、段階間水除去を含む多段階のＲＷＧＳ反応器の利益を示す。ＣＯ2排出は、他の加熱手段（例えば電気、Ｈ2燃焼、廃熱統合など）により、かつ／または煙道ガスからのＣＯ2捕捉によりさらに低減および／または回避することができる。
本発明の範囲および趣旨から逸脱しない様々な修正および改変は当業者に明らかになるであろう。本発明は、本明細書に記載の例示的な実施形態に正当に限定されるべきではない。

Claims (33)

  1. シンガスを生産するためのプロセスであって、
    （ｉ）初期反応器内で二酸化炭素の少なくとも一部を水素と反応させて、一酸化炭素、水、未反応の二酸化炭素、および未反応の水素を含む初期生成物流を生産するステップと、
    （ｉｉ）第１の反応器の下流にある反応器内で前記未反応の二酸化炭素および前記未反応の水素の少なくとも一部を反応させ、それによって一酸化炭素、水、未反応の二酸化炭素、および未反応の水素を含む生成物流を生産するステップと
    を含む、プロセス。
  2. 前記二酸化炭素および前記水素が、前記初期反応器内の反応物の少なくとも５０ｍｏｌ％を含む、請求項１に記載のプロセス。
  3. 前記反応器が、前記初期反応器内の反応物の全モル数に対して１０ｍｏｌ％未満のメタンを含む、請求項１または２に記載のプロセス。
  4. 前記初期生成物流が、前記初期反応器を出るとき温度Ｔ１を有し、前記生成物流が、下流反応器を出るとき温度Ｔ２を有し、Ｔ２＞Ｔ１である、請求項１から３のいずれかに記載のプロセス。
  5. Ｔ１が、約３００～約１０００℃であり、Ｔ２が、約５００～約１２００℃である、請求項１から４のいずれかに記載のプロセス。
  6. 前記第１の反応器の下流にある前記反応器が直列の最終反応器であり、前記最終反応器により生産される生成物流が最終生成物流であり、前記プロセスが、前記初期反応器と前記最終反応器の間に位置する１つまたは複数の反応器内で前記初期生成物流内の未反応の二酸化炭素および未反応の水素を反応させるステップをさらに含む、請求項１から５のいずれかに記載のプロセス。
  7. 前記初期反応器と前記最終反応器の間に位置する前記１つまたは複数の反応器が、一酸化炭素、水、未反応の水素、および未反応の二酸化炭素を含む最終中間生成物流を生産し、前記最終中間生成物流内の前記未反応の水素および前記未反応の二酸化炭素が、前記最終反応器内で反応する、請求項１から６のいずれかに記載のプロセス。
  8. （ｉ）前記最終反応器内で前記未反応の二酸化炭素および前記未反応の水素の少なくとも一部を反応させる前記ステップの前に前記初期生成物流から前記水の少なくとも一部を除去するステップ、または（ｉｉ）前記初期反応器と前記最終反応器の間に位置する１つまたは複数の反応器内で未反応の二酸化炭素および未反応の水素を反応させる前記ステップの前に前記中間生成物流から前記水の少なくとも一部を除去するステップをさらに含む、請求項１から７のいずれかに記載のプロセス。
  9. 初期反応器内で二酸化炭素の少なくとも一部を水素と反応させる前記ステップが断熱的に行われる、請求項１から８のいずれかに記載のプロセス。
  10. 熱を前記最終反応器に導入するステップをさらに含む、請求項１から９のいずれかに記載のプロセス。
  11. 前記最終反応器が燃焼管型反応器である、請求項１から１０のいずれかに記載のプロセス。
  12. （ｉ）二酸化炭素を含む流れを供給するステップと、（ｉｉ）水素を含む流れを供給するステップと、（ｉｉｉ）二酸化炭素を含む蒸気を、水素を含む前記流れと合わせて、反応物混合物を生成するステップと、（ｉｖ）任意選択で、前記反応物混合物を加熱して、加熱反応物混合物を生成するステップと、（ｖ）前記反応物混合物および前記加熱反応物混合物のうちの少なくとも１つを前記初期反応器に導入するステップとをさらに含む、請求項１から１１のいずれかに記載のプロセス。
  13. 水素を含む前記流れが、９０ｍｏｌ％超の水素を含み、二酸化炭素を含む前記流れが、９０ｍｏｌ％超の二酸化炭素を含む、請求項１から１２のいずれかに記載のプロセス。
  14. 水素を含む前記流れが、９８ｍｏｌ％超の水素を含み、二酸化炭素を含む前記流れが、９８ｍｏｌ％超の二酸化炭素を含む、請求項１から１３のいずれかに記載のプロセス。
  15. 熱を前記最終反応器に導入する前記ステップが、二酸化炭素を発生させ、かつＣＯ2を含む排出流を生産し、ならびに、前記排出流中に含まれる前記ＣＯ2の少なくとも一部を捕捉してＣＯ2を含む捕捉流を生成するステップをさらに含み、前記捕捉流中に含まれる前記ＣＯ2の少なくとも一部を、前記最終反応器に、または一酸化炭素への変換のための前記最終反応器の上流にあるステップに導入するステップをさらに含む、請求項１から１４のいずれかに記載のプロセス。
  16. 排出ＣＯ2流の少なくとも一部を捕捉する前記ステップが、前記熱を生産するために発生される前記二酸化炭素の少なくとも５０％を捕捉するステップを含む、請求項１から１５のいずれかに記載のプロセス。
  17. 前記排出ＣＯ2流の少なくとも一部を捕捉する前記ステップが、前記熱を生産するために発生される前記二酸化炭素の少なくとも９０％を捕捉するステップを含む、請求項１から１６のいずれかに記載のプロセス。
  18. 前記最終生成物流が、一酸化炭素および水素を含む、請求項１から１７のいずれかに記載のプロセス。
  19. 前記最終生成物流が合成ガス流である、請求項１から１８のいずれかに記載のプロセス。
  20. 前記最終生成物流の少なくとも一部を炭化水素に変換するステップをさらに含む、請求項１から１９のいずれかに記載のプロセス。
  21. 前記最終生成物流の少なくとも一部をメタノールに変換するステップをさらに含む、請求項１から２０のいずれかに記載のプロセス。
  22. 前記最終生成物流の少なくとも一部をアルコールに変換するステップをさらに含む、請求項１から２１のいずれかに記載のプロセス。
  23. 最終逆水性ガスシフト反応を行う前記ステップが、過剰な熱を含む排出流を生産し、ならびに、（ｉ）初期反応器中で前記二酸化炭素の少なくとも一部を水素と反応させる前記ステップの前に、二酸化炭素含有フィード流および前記反応物混合物のうちの少なくとも１つに前記過剰な熱を伝達するステップをさらに含む、請求項１から２２のいずれかに記載のプロセス。
  24. 熱を前記最終反応器に導入する前記ステップが、熱を炭素フリー熱源から導入するステップを含む、請求項１から２３のいずれかに記載のプロセス。
  25. 前記炭素フリー熱源が、電力、原子力、風力、ソーラーパワー、水力、水素の燃焼、および炭素フリー燃料の燃焼のうちの少なくとも１つを含む、請求項１から２４のいずれかに記載のプロセス。
  26. 点源から二酸化炭素を捕捉して、二酸化炭素流を含む捕捉流を生成するステップをさらに含み、二酸化炭素を含む前記捕捉流の少なくとも一部を前記初期反応器に導入するステップをさらに含む、請求項１から２５のいずれかに記載のプロセス。
  27. 前記点源が、二酸化炭素の工業源または発電所である、請求項１から２６のいずれかに記載のプロセス。
  28. 大気空気から二酸化炭素を捕捉して、二酸化炭素を含む直接空気捕捉流を生成するステップをさらに含み、二酸化炭素を含む前記直接空気捕捉流の少なくとも一部を前記初期反応器に導入するステップをさらに含む、請求項１から２７のいずれかに記載のプロセス。
  29. シンガスを生産するためのプロセスであって、
    （ｉ）二酸化炭素を含む反応物流を供給するステップと、
    （ｉｉ）水素を含む反応物流を供給するステップと、
    （ｉｉｉ）二酸化炭素を含む前記反応物流を、水素を含む前記反応物流と合わせて、混合反応物流を生成するステップと、
    （ｉｖ）前記混合反応物流を加熱して、加熱混合反応物流を生成するステップと、
    （ｖ）前記加熱混合反応物流を、逆水性ガスシフト触媒を含む断熱反応器に導入するステップと、
    （ｖｉ）前記断熱反応器内で前記水素および前記二酸化炭素を反応させ、それによって一酸化炭素、水、水素、および二酸化炭素を含む初期生成物流を生成するステップと、
    （ｖｉｉ）前記断熱反応器から前記初期生成物流を除去するステップであって、前記初期生成物流は、前記断熱反応器を出るときに温度Ｔ１を有する、ステップと、
    （ｖｉｉｉ）前記初期生成物流から前記初期生成物流中の前記水の少なくとも一部を除去して、水が少ない初期生成物流を生成するステップと、
    （ｉｘ）前記初期生成物流を、逆水性ガスシフト触媒を含む燃焼管型反応器に導入するステップであって、前記燃焼管型反応器は、生産された二酸化炭素および過剰な熱を含む排出流を生産する、ステップと、
    （ｘ）前記燃焼管型反応器内で前記生成物流を温度Ｔ３まで加熱し、それによって前記初期生成物流内の前記二酸化炭素および前記水素を反応させて、最終生成物流を生成するステップであって、Ｔ３はＴ１以上である、ステップと、
    （ｘｉ）前記過剰な熱の少なくとも一部を、前記混合反応物流を加熱して加熱混合反応物流を生成する前記ステップに送るステップと、
    （ｘｉｉ）前記生産された二酸化炭素の少なくとも一部を、前記断熱反応器または前記燃焼管型反応器に送るステップと
    を含む、プロセス。
  30. シンガスを生産するためのプロセスであって、
    （ｉ）二酸化炭素を含む反応物流を供給するステップと、
    （ｉｉ）水素を含む反応物流を供給するステップと、
    （ｉｉｉ）二酸化炭素を含む前記反応物流を、水素を含む前記反応物流と合わせて、混合反応物流を生成するステップと、
    （ｉｖ）前記混合反応物流を加熱して、加熱混合反応物流を生成するステップと、
    （ｖ）前記加熱混合反応物流を、逆水性ガスシフト触媒を含む初期断熱反応器に導入するステップと、
    （ｖｉ）前記初期断熱反応器内で前記水素および前記二酸化炭素を反応させ、それによって一酸化炭素、水、水素、および二酸化炭素を含む初期生成物流を生成するステップと、
    （ｖｉｉ）前記初期断熱反応器から前記初期生成物流を除去するステップであって、前記初期生成物流は、前記初期断熱反応器を出るときに温度Ｔ１を有する、ステップと、
    （ｖｉｉｉ）前記初期生成物流から前記初期生成物流中の前記水の少なくとも一部を除去して、水が少ない初期生成物流を生成するステップと、
    （ｉｘ）前記水が少ない初期生成物流を加熱して、水が少ない加熱初期生成物流を生成するステップと、
    （ｘ）前記水が少ない加熱初期生成物流を、逆水性ガスシフト触媒を含む下流断熱反応器に導入するステップと、
    （ｘｉ）前記下流断熱反応器内で前記水素および前記二酸化炭素を反応させ、それによって一酸化炭素、水、水素、および二酸化炭素を含む中間生成物流を生成するステップと、
    （ｘｉｉ）前記下流断熱反応器から前記中間生成物流を除去するステップであって、前記中間生成物流は、前記下流断熱反応器を出るときに温度Ｔ２を有する、ステップと、
    （ｘｉｉｉ）前記中間生成物流中の前記水の少なくとも一部を除去して、水が少ない中間生成物流を生成するステップと、
    （ｘｉｖ）任意選択で、前記水が少ない中間生成物流を加熱して、温度Ｔ０２で、水が少ない加熱中間生成物流を生成するステップと、
    （ｘｖ）任意選択で、前記水が少ない加熱中間生成物流を、逆水性ガスシフト触媒を含む下流断熱反応器に導入し、前記水が少ない加熱中間生成物流中の前記二酸化炭素および前記水素を反応させ、それによって最終的に最終中間生成物流を生成するステップと、
    （ｘｖｉ）前記中間生成物流または前記最終中間生成物流を、逆水性ガスシフト触媒を含む燃焼管型反応器に導入するステップであって、前記燃焼管型反応器は、生産された二酸化炭素および過剰な熱を含む排出流を生産する、ステップと、
    （ｘｖｉｉ）前記燃焼管型反応器内で前記中間または最終中間生成物流を温度Ｔ３まで加熱し、それによって前記中間生成物流または前記最終中間生成物流内の前記二酸化炭素および前記水素を反応させて、最終生成物流を生成するステップであって、Ｔ３はＴ２以上でありかつＴ３はＴ１以上である、ステップと、
    （ｘｖｉｉｉ）前記過剰な熱の少なくとも一部を、前記混合反応物流を加熱して加熱混合反応物流を生成する前記ステップに、または前記初期生成物流を加熱して加熱初期生成物流を生成する前記ステップに送るステップと、
    （ｘｉｘ）前記生産された二酸化炭素の少なくとも一部を、前記断熱反応器、前記下流断熱反応器、または前記燃焼管型反応器に送るステップと
    を含む、プロセス。
  31. （ｉ）逆水性ガスシフト触媒を含む初期ＲＷＧＳ反応器であって、一酸化炭素、水、水素、および二酸化炭素を含む初期生成物流を生成する水素と二酸化炭素との反応を容易にするように適合された、初期ＲＷＧＳ反応器と、
    （ｉｉ）前記初期ＲＷＧＳ反応器の下流にある、前記初期生成物流から水を除去するための水除去ユニットと、
    （ｉｉｉ）前記初期ＲＷＧＳ反応器の下流にある、直列に置かれた、任意選択の１つまたは複数の中間ＲＷＧＳ反応器であって、それぞれ水性ガスシフト触媒を含み、中間生成物流を生成して最終的に一酸化炭素、水、水素、および二酸化炭素を含む最終中間生成物流を生成する水素と二酸化炭素との反応を容易にするように適合された、中間ＲＷＧＳ反応器と、
    （ｉｖ）任意選択の、前記中間生成物流および最終中間生成物流から水を除去するための水除去ユニットと、
    （ｖ）前記初期ＲＷＧＳ反応器および前記任意選択の１つまたは複数の中間ＲＷＧＳ反応器の下流にあり、かつそれらに対して直列に置かれた最終ＲＷＧＳ反応器であって、水性ガスシフト触媒を含み、一酸化炭素、水、水素、および二酸化炭素を含む最終生成物流を生成する水素と二酸化炭素との反応を容易にするように適合された、最終ＲＷＧＳ反応器と
    を備えるＲＷＧＳシステム。
  32. 前記最終ＲＷＧＳ反応器と熱連通している加熱源をさらに備え、前記加熱源が、１つまたは複数の上流加熱源と熱連通している排出導管を含む、請求項３１に記載のシステム。
  33. 二酸化炭素捕捉ユニットをさらに備え、前記二酸化炭素捕捉ユニットは、前記排出導管と流体連通しており、かつ前記加熱源を出る排出ガスから二酸化炭素を除去するように適合されている、請求項３１または３２に記載のシステム。
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