KR20110036814A - 지열 공급원과 그 에너지로부터 메탄올과 그 생성물을 독점 제조하는 방법 - Google Patents

지열 공급원과 그 에너지로부터 메탄올과 그 생성물을 독점 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 지열 에너지 공급원으로부터 필요 에너지를 또한 사용하여 유일한 공급원 물질인 지열 공급원으로부터 메탄올과 그 생성물을 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은, 공급원의 열수 또는 증기를 수반하는 이산화탄소를 분리하는 단계와, 물로부터 수소를 생성하는 단계와, 이산화탄소와 수소로부터 추후 메탄올을 제조하는 단계를 포함한다. 메탄올은 디메틸 에테르 또는 다른 생성물을 형성하기 위해 추가 반응할 수 있다.

Description

지열 공급원과 그 에너지로부터 메탄올과 그 생성물을 독점 제조하는 방법{PRODUCING METHANOL AND ITS PRODUCTS EXCLUSIVELY FROM GEOTHERMAL SOURCES AND THEIR ENERGY}
본 발명은, 지열 공급원과 그 에너지만으로 메탄올, 디메틸 에테르 및 유도된 합성 탄화수소를 제조하는 방법에 관한 것이다.
화석 연료는 오늘날 주요 에너지원이고, 또한 다양한 탄화수소와 이들의 유도된 생성물의 원료로서 기여한다. 그러나, 화석 연료 매장량은 감소중이다.
화석 연료에 대한 대안은 지열 에너지 공급원이다. 지열 에너지 공급원은 열수 및 증기를 제공하고, 전기 에너지를 생성하기 위해서뿐만 아니라 난방 목적으로 대안적인 에너지원으로서 점점 더 사용되고 있다. 열수 및 증기는 천연 공급원(geyser)으로 사용 가능하거나, 적절한 지질 구조를 두드리고 (구멍을 뚫고) 그 구조를 통해 외부의 물을 펌프하고(통과시켜서) 얻을 수 있다.
지열 에너지 공급원과 관련 지열 정(well)은 대개 또한 열수 또는 증기를 수반하는 이산화탄소를 배출한다. 지열 에너지 플랜트는, 일반적으로 깨끗하거나 공지 방법에 의해 쉽게 정제될 수 있는, 2 내지 40%의 양으로 부산물로서 이산화탄소를 방출한다. 이산화탄소는 지금까지는 통상 대기 중에 배출되었다. 그러나, 이산화탄소는 쉽게 분리되어 메탄올 및/또는 디메틸 에테르, 유도된 합성 탄화수소와 이들의 생성물의 생산을 위한 탄소 공급원으로서 사용될 수 있다. 필요한 수소는 동일한 지열 에너지 공급원에 의해 생산된 열 또는 전기를 사용하여 물의 분해(전기, 열)로부터 생성된다.
본 발명은, 지열 공급원과 그 에너지만으로 메탄올과 그 생성물을 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 지열 공급원의 수반하는 이산화탄소뿐만 아니라, 열수 또는 증기를 사용하고, 물로부터 수소를 생성하고 수반하는 이산화탄소를 분리하며, 이들을 메탄올과 그 생성물로 변환하는 단계를 포함한다. 이산화탄소, 및 물에 의해 유도된 수소는 공정에 필요한 에너지 그대로 지열 공급원으로부터 독점적으로 얻어진다.
특히, 상기 방법은, 지열 공급원만으로 이산화탄소와 물 또는 증기는 얻는 단계, 물 또는 증기로부터 수소를 생성하는 단계, 공급원의 물 또는 증기를 수반하는 이산화탄소를 분리하는 단계, 및 분리된 이산화탄소와 생성된 수소를 메탄올로 변환하는 단계를 포함한다.
수반하는 이산화탄소는 나노 구조의 고 표면적 지지체 상에 증착된 중합체를 함유하는 폴리아미노와 같은 적절한 흡착제 상에 흡수 또는 흡착에 의해 분리된다. 중합체 함유 폴리아미노는 폴리에틸렌이민이고, 지지체는 융합된 나노 구조의 실리카 또는 알루미나이다.
수소는 전기분해, 촉매 열분해, 또는 지열 공급원에 의해 또한 제공되는 필요 에너지에 의한 임의의 방법에 의해 물로부터 생성된다. 메탄올은 지열 공급원에 의해 제공되는 에너지를 사용하는 임의의 공지 방법에 의해 이산화탄소와 수소로부터 생산된다.
일 실시예에서, 이산화탄소는 임의의 수소화 방법에 의해 메탄올로 변환된다. 또한, 메탄올은 제 1 일산화탄소를 형성하는데 충분한 조건 하에 생산될 수 있고, 그 다음, 일산화탄소는 메틸 포르메이트를 얻는데 충분한 조건 하에 메탄올과 반응하며, 메틸 포르메이트는 메탄올을 독점 생산하는데 충분한 조건 하에 촉매 수소화된다.
추가 실시예에서, 메탄올은 디메틸 에테르를 생산하기 위해 추가 변환될 수 있는데, 상기 에테르는 에틸렌 및/또는 프로필렌을 형성하는데 충분한 조건 하에 산성-염기성 또는 제올라이트 촉매의 존재에서 반응될 수 있다. 에틸렌 또는 프로필렌은 합성 탄화수소, 유도된 화학물질, 중합체 및 이들로부터 유도된 생성물을 생산하는데 충분한 조건 하에 추가 변환된다.
본 발명은, 지열 공급원과 그 에너지만으로 메탄올과 그 생성물을 제조하는 방법을 제공하는 효과를 갖는다.
본 발명은, 수반하는 이산화탄소와 물에 의해 유도된 수소를 제공하는 지열 에너지 공급원뿐만 아니라, 에너지 저장과 운반, 운송 연료 및 유도된 합성 탄화수소 생성물의 제조를 위해 사용될 수 있는 디메틸 에테르와 같은 메탄올로부터 유도된 화합물과 메탄올을 제조하기 위해 필요한 에너지를 사용하는 방법에 관한 것이다.
공급원에 의해 제공된 필요 에너지를 사용하여, 수반하는 이산화탄소 및 물에 의해 유도된 수소를 메탄올 또는 디메틸 에테르로 변환하기 위한 유일한 공급원으로 지열 에너지 공급원을 사용하는 방법은, 필수 연료와 탄화수소 생성물을 제조하기 위해 지열 에너지 공급원을 독점적으로 사용하게 하여 독특하고 상당한 이점을 제공한다. 따라서, 화석 연료의 점진적으로 감소하는 매장량을 대체하는데 필요한 연료와 물질에 대한 기초를 제공한다.
수반하는 이산화탄소는 임의의 적절한 수단에 의해 지열 에너지 공급원으로부터 분리될 수 있다. 이산화탄소 가스를 포획하고 가역적으로 흡착하기 위한 효율적인 공정은 나노 구조의 고 표면적 지지체(예, 용융 실리카 또는 알루미나) 상에 증착된 폴리아미노 중합체(예, 폴리에틸렌이민)를 비제한적으로 포함하는데, 이는 전체 내용이 참고로 본 명세서에 통합된 우리의 국제출원 번호 PCT/US07/74615 (2007년 7월 7일 출원)에 의해 교시되어 있다. 일반적으로, 지지된 아민 흡착제는 구조의 완전한 상태와 증가된 CO2 흡수력을 제공하는, 나노 구조 지지체 상에 증착된 아민 또는 아민/폴리올 조성물을 포함한다. 아민 및 아민/폴리올 조성물을 위한 지지체는 나노 구조의 고형물로 이루어진다. 나노 구조의 지지체는 약 100 nm 미만의 1차 입자 크기를 가질 수 있고, 나노실리카, 훈연(fumed) 또는 침전 산화물, 칼슘 실리케이트, 탄소 나노튜브, 또는 그 혼합물일 수 있다. 아민은 1차, 2차, 또는 3차 아민 또는 알칸올아민, 방향족 아민, 혼합 아민 또는 그의 조합일 수 있다. 예에서, 아민은 흡착제의 약 25% 내지 75 중량%의 양으로 존재한다. 폴리올은, 예를 들어, 글리세롤, 에틸렌 글리콜의 올리고머, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 옥시드, 및 에테르, 그의 변형물 및 그의 혼합물로부터 선택될 수 있고, 흡착제의 약 25 중량% 이하의 양으로 제공될 수 있다. 이산화탄소가 포획된 후, 본 명세서에 기재된 공정에서 사용하기 위한 가열 및/또는 감압을 통해 쉽게 방출될 수 있다.
물 또는 증기는 임의의 적절한 수단으로 지열 에너지 공급원으로부터 얻는다. 맑은 물이 많은 곳에서 이용 가능한 것이 자주는 아니고, 또는 수소를 생성하기 위해 사용될 수 있기 전에 (예, 증류에 의한) 대규모 정제를 필요로 할 수 있기 때문에, 지열 공급원으로부터 얻은 물 또는 증기가 수소 공급원으로서 사용되기에 가장 알맞다. 수소는 전기분해, 또는 촉매 또는 열 분해의 다른 수단을 포함하는 임의의 알맞은 수단에 의해 지열수 또는 지열 증기로부터 생성될 수 있다.
지열 에너지 공급원은 전기를 생산하거나 열 에너지로서 사용되기 위해 에너지의 대안적인 공급원을 또한 제공하는데, 임의의 적절한 수단에 의해 사용될 수 있다. 상기 에너지원은 또한 공급원으로부터 이산화탄소를 분리하고 물로부터 수소를 생성하는 공정에 이용될 수 있다. 전기 에너지는 전기 또는 열 에너지를 생성하기 위해 증기를 터빈에 통과시키거나 증기 또는 열수을 사용하는 임의의 다른 수단에 의해 생성될 수 있다.
이산화탄소, 및 물에 의해 유도된 수소는 미국 특허 번호 5,928,806 및 공동 계류중인 미국 특허 출원 번호 11/402,050 (2006년, 4월 12일 출원, 공개 번호 US2006/0235091-A1)에 기재된 공정에 따라 메탄올 또는 디메틸 에테르를 생산하기 위해 사용될 수 있고, 각 상기 출원의 전체 내용은 참고로 본 명세서에 통합되어 있다. 미국 특허 번호 5,928,806은, 예를 들어, 이산화탄소와 물이 반응하여 산소 및 산화된 탄화수소 또는 산화된 탄화수소의 혼합물을 형성하도록 환원 구역에 이산화탄소, 물 및 전기 에너지를 제공하여 메틸 알콜, 메틸 포르메이트, 포름알데히드 또는 포름산과 같은 산화된 탄화수소를 형성하기 위해 이산화탄소와 물을 환원시키는 방법을 기재하고 있다. 미국 특허 출원 번호 11/402,050는 촉매 수소화에 의해 이산화탄소를 메탄올로 변환시키는 방법을 제공하고, 촉매 수소화에 사용된 촉매는 물의 전기 분해를 포함하는 임의의 적절한 수단으로부터 얻을 수 있다는 것을 개시한다. 미국 특허 출원 번호 11/402,050는 포름알데히드 및 소량의 메탄올의 동반 형성과 함께 포름산 함유 반응 혼합물을 생산하기 위해 이산화탄소를 환원시키는 것을 개시한다. 포름알데히드 및 포름산을 메탄올로 변환하기 위한 처리가 뒤따른다. 포름알데히드를 메탄올로 변환하기 위해 카니짜로-티셴코(Canizzaro-Tischenko) 타입의 화학을 사용하는 것 이외에, 생산된 메탄올의 양은 메탄올을 합성하기 위해 포름알데히드를 포름산(수소 공급원)과 반응시킴으로써 증가될 수 있다. 대안적으로, 포름산은 메탄올과 반응하여 메틸 포르메이트를 형성할 수 있고, 이는 촉매 수소화를 통해 메탄올의 양의 2배를 제공할 것이다. 다른 경로를 통해, 이산화탄소는 탄소와 고온 반응을 통해 일산화탄소를 생성한 다음, 이와 같이 생성된 일산화탄소를 메탄올과 반응시켜 메틸 포르메이트를 형성하고, 촉매 수소화를 통해 메탄올을 형성하는데 사용될 수 있다.
본 발명에 따라 생산된 메탄올 또는 디메틸 에테르는 또한 에너지를 저장하고 운반하는데 편리하다. 메탄올은 또한 우수한 운송 연료이고, 합성 탄화수소와 유도된 물질을 생산하기 위해 쉽게 처리될 수 있다. 이는 또한 디메틸 에테르(메탄올의 탈수에 의해 제조) 또는 디메틸 카보네이트로 변환될 수 있다. 디메틸 카보네이트는 에탄올의 산화 카르보닐화에 의해 생산될 수 있다.
메탄올 또는 디메틸 에테르는 산성-염기성 또는 제올라이트 촉매 존재 하에 변환되어 에틸렌 및/또는 프로필렌을 생성할 수 있고, 이는 중합체를 제조하고 다른 합성 탄화수소, 유도된 물질 및 화학 물질(운송 연료 포함)을 위한 공급 원료로 유용하다. 예를 들어, 에틸렌과 프로필렌은 수화되어 에탄올과 프로판올을 각각 형성할 수 있고, 이는 고급 올레핀, 폴리올레핀, 다양한 합성 탄화수소, 또는 방향족 화합물뿐만 아니라, 이들 화합물로부터 생산된 생성물로 변환될 수 있다. 따라서, 메탄올, 디메틸 에테르, 및 합성 탄화수소 생성물 및 이들로부터 유도된 화합물은 편리하고 안전하게 저장할 수 있는 에너지원과 연료로 유용할 뿐만 아니라, 여러 화학물질, 합성 탄화수소 및 관련 생성물을 위한 출발 물질로 유용하다.
메탄올은, 공기로부터 질소를 사용하여, 질소 함유 영양 염의 존재 하에 수성 매질에서 단백질(예를 들어, 단세포 단백질)을 제조하기 위해 단세포 유기체 또는 미생물의 식품 공급원으로 또한 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 또한 이산화탄소와 물을 사용하여 단백질과 같은 질소 함유 영양 생성물을 생산하기 위한 방법을 제공한다. 이 실시예에서, 대기는 재생 가능 탄소 공급원(즉, 이산화탄소)과 수소 공급원(공기의 수분 함량으로부터 유도된)으로 사용될 뿐만 아니라, 질소 함유 단백질을 제조하기 위한 질소 공급원으로 사용된다. 이와 같이 생산된 단세포 단백질은 인간 또는 동물 영양을 포함하는 임의의 원하는 목적을 위해 사용될 수 있다.
예
다음 예는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하기 위해 제공된다.
예 1
수반하는 이산화탄소는 지열 공급원으로부터 임의의 공지 방법에 의해 분리된다. 지열 에너지 공급원은 천연의 물(증기)(geyser)을 사용하거나, 자연 가열되고 추후 회수될, 적절한 지질 구조에 주입된 외부의 물을 사용할 수 있다.
예 2
지열 공급원으로부터의 물은 전기분해 또는 이와 다른 임의의 분해 방법과 같은 임의의 공지된 방법을 사용하여 수소를 생성하기 위해 사용된다. 수소는 임의의 공지된 방법에 의해 이산화탄소를 메탄올로 화학적으로 변환시키기 위해 사용된다.
예 3
예 1과 예 2의 공정에 필요한 에너지는 임의의 공지된 공정에 의해 지열 에너지 공급원의 열에너지를 전기 에너지로 변환시켜서 유도된다.
본 발명은 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 그 범위가 제한되지 않는다. 본 명세서에 기재된 것 외의, 본 발명의 사상과 범위 내의 다양한 변형은 상기의 기술로부터 당업자에게 분명해질 것이다. 그와 같은 변형은 본 명세서에 기재된 본 발명의 사상 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (10)

  1. 지열 에너지 공급원으로부터 메탄올을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 공급원으로부터 이산화탄소와 물 또는 증기를 얻는 단계와,
    상기 물 또는 증기로부터 수소를 생성하고, 상기 공급원의 상기 물 또는 증기를 수반하는 이산화탄소를 분리하는 단계와,
    분리된 상기 이산화탄소와 생성된 수소를 메탄올로 변환하는 단계를
    포함하고,
    분리된 상기 이산화탄소와 생성된 상기 수소는 상기 지열 공급원으로부터만 얻어지고, 상기 지열 공급원은 메탄올을 제조하는데 필요한 에너지를 제공하는, 메탄올 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 지열 에너지 공급원으로부터의 상기 이산화탄소는 적절한 흡수재 상에 수착(sorption)에 의해 분리되는, 메탄올 제조 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 흡수재는 나노(nano) 구조의 고 표면적 지지체 상에 증착된 중합체를 함유하는 폴리아미노인, 메탄올 제조 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 중합체 함유 폴리아미노는 폴리에틸렌이민이고, 상기 지지체는 용융 실리카 또는 알루미나인, 메탄올 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 수소는 전기분해 또는 촉매 또는 열 분해(thermal cleavage)에 의해 생성되는, 메탄올 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 메탄올은, 동일한 지열 에너지 공급원에 의해 생성된 필요 에너지를 또한 사용하여 지열 공급원의 물 또는 증기로부터 생성된 수소와 상기 분리된 이산화탄소로부터 독점 생산되는, 메탄올 제조 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 메탄올을 형성하는데 충분한 조건 하에 수소를 이용하여 상기 이산화탄소를 환원시키는 단계를 포함하는, 메탄올 제조 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 디메틸 에테르를 생산하는데 충분한 조건 하에 상기 메탄올을 변환시키는 단계를 더 포함하는, 메탄올 제조 방법.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 에틸렌 또는 프로필렌을 형성하는데 충분한 조건 하에 2 작용기의 산성-염기성 또는 제올라이트 촉매 존재시, 생산된 메탄올 또는 디메틸 에테르를 반응시키는 단계를 더 포함하는, 메탄올 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 합성 탄화수소, 유도된 화학물질, 중합체 또는 이로부터 유도된 생성물을 생산하는데 충분한 조건 하에 에틸렌 또는 프로필렌을 변환하는 단계를 더 포함하는, 메탄올 제조 방법.
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