WO2017216272A1 - Verfahren und anlage zur bereitstellung von nachhaltigem polyvinylchlorid (pvc) - Google Patents

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Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a process for providing sustainable polyvinyl chloride (PVC) and an integrated plant for the production of sustainable polyvinyl chloride.
  • PVC polyvinyl chloride
  • renewable "green” energy sources often suffer from a serious drawback, and given the necessary environmental conditions such as solar or wind intensity, the place of power generation is often far from the main energy consuming areas, and wind, solar, water and tidal power become frequent These renewable energy sources often produce too much or too little electricity (eg, based on night / day cycles or changing weather conditions)
  • the majority of cases are connected to the electricity grid and can deliver surplus electricity to it, the supply of power grid with inconsistent energy is associated with economic disadvantages, resulting in higher energy costs and additional power losses
  • An alternative is to store the electrical energy in a chemical carrier, e.g. As hydrogen or methanol.
  • Hydrogen can store and transport energy, including RESP (Remote Excess Sustainable Power), but requires extremely low temperatures and high pressures.
  • Methane can store RESP, but has a lower chemical value compared to methanol and ammonia.
  • salt water industrial water or low-quality water and sources of waste or emissions C0 2 or syngas, low-quality biomass, wood chips, stems, leaves, sticks, garbage, animal and human excretions leading to syngas as well as C0 2 emissions can be gasified.
  • PVC produced from RESP can be remotely manufactured by the present innovation in the vicinity of renewable energy sources, can be sold with an environmental friendliness premium, a reduction of the total cost of chemical plants by using very cost-effective to free starting materials, receipt of C0 2 credits and avoidance of C0 2 taxes and penalties based on decarbonisation contracts.
  • the object of the present invention is therefore to provide a process for the production of PVC, which is based on renewable low-cost educts, covering all process steps while minimizing the emission of water and air pollutants and reduces the required energy and water input.
  • US 2011/0183143 A1 discloses a PVC resin composition with an increased content of renewable carbon.
  • WO 2015/086153 A1 discloses a composite system for producing steel with a blast furnace for pig iron production, a converter for crude steel production and a gas pipeline system for gases, the system operating when pig iron and / or crude steel are produced.
  • the composite system also includes a chemical or biotechnological system connected to the gas piping system and a hydrogen generating system.
  • US 2013/0288143 A1 discloses a fuel cell with a seawater electrolyzer, an integrated plant and methods for producing natron, ammonia, urea and PVC.
  • the process discloses the use of ethylene from a cracking column.
  • the object of the present invention is achieved by a method according to claim 1.
  • Preferred embodiments of the invention are the subject of the corresponding subclaims.
  • Another object of the present invention is to provide a plant for producing sustainable polyvinyl chloride (PVC) according to claim 14.
  • PVC polyvinyl chloride
  • Step a) comprises providing electricity, preferably renewable electricity, and an alkali metal chloride solution, preferably Li, K and / or Na, in a chloroalkali electrolysis cell resulting in Cl 2 , alkali metal hydroxide, preferably NaOH, LiOH and / or KOH, and H 2 leads by electrolysis.
  • alkali metal chloride solution preferably Li, K and / or Na
  • alkali metal hydroxide preferably NaOH, LiOH and / or KOH
  • H 2 leads by electrolysis.
  • chloralkali electrolysis cells eg. B. membrane cell, diaphragm cell or Castner-Kellner method (mercury cell). This creates chlorine z. B. by
  • Step b) In parallel, be encompassed in a preferably alkaline or PEM electrolytic cell by electrolysis in a step b), electricity and feed water or re- cyclatorss water obtained H 2 and 0. 2 Steps a) and b) together provide H 2 , O 2 , alkali metal hydroxide, preferably NaOH, LiOH and / or KOH, and Cl 2 .
  • alkali metal hydroxide preferably NaOH, LiOH and / or KOH, and Cl 2 .
  • the above-mentioned water electrolysis may be necessary to provide a sufficient amount of hydrogen in the later process steps.
  • the method further comprises in a first alternative variant of step c) the synthesis of C0 2 from syngas, the CO was oxidized using the obtained in the preceding process steps 0 2, or thereafter by direct C0 2 entry from sustainable sources or emission sources and Using H 2 obtained in the previous step b).
  • the C0 2 obtained is further used in a catalytic methanol conversion process leading to methanol.
  • This catalytic methanol conversion process can include various types of processes that are well known in the art. Suitable catalysts are u. a. Cu, Sn, Cr, Zn and Al, preferably in the form of the respective oxides. Exemplary process conditions may e.g. B. in the pressure range of 80 bar and temperatures in the range of 230 ° C vary.
  • the production of methanol can also be made from synthesis gas, or alternatively used as starting material a gas mixture of CO and C0. 2
  • methanol may also be provided in step c) alternatively by the use of an available syngas source from an existing process and then the above-mentioned methanol catalytic conversion process leading to methanol.
  • methanol may also be provided in step c) alternatively by a direct gasification step, preferably by a fluidized bed gasification process, e.g.
  • a direct gasification step preferably by a fluidized bed gasification process
  • a fluidized bed gasification process e.g.
  • the high temperature Winkler (HTW) method in which obtained in the preceding process step b) 0 2 for partial oxidation and temperature increase can be used and optionally in the first process step a) obtained Al ka I i meta 11 hy d oxide , preferably NaOH, LiOH and / or KOH, can be used.
  • this oxygen requires no further purification, whereby the process according to the invention eliminates expensive production of oxygen from air.
  • Alkali metal hydroxides preferably NaOH, LiOH and / or KOH, may act as catalysts in the gasification or by providing a basic reaction medium.
  • the by-product of the chloroalkali electrolysis NaOH (or LiOH or KOH) and the oxygen obtained in the electrolysis of water can surprisingly and advantageously be used directly in the carbon precursor processing steps required to produce PVC.
  • the methanol obtained in the above-mentioned process step c) is then used in a catalytic methanol dehydration step d), which leads to ethylene and water.
  • Exemplary reaction conditions can be found, for. In S. Hussain, M. Mazhar, S. Gul, K. Chuang, A. Sanger, Bull. Korean Chem. Soc. 2006, Vol. 27, No. 11 or by a MTO (methanol-to-olefins) method, e.g. Using zeolite-based catalysts.
  • the water can be reused as process water or electrolysis, thereby minimizing the overall input of additional water in the process.
  • "polar" water can be easily separated from “polar” ethylene.
  • the yield of ethylene produced from methanol can be increased by a few steps including metathesis, which will be described later in the present document.
  • the ethylene obtained in the preceding step d) and the Cl 2 obtained in process step a) are combined in the direct chlorination of ethylene dichloride (EDC) in step e). (5) C 2 H 4 + Cl 2 -> C 2 H 4 Cl 2
  • the method optionally comprises a step g).
  • This step g) involves recycling HCl as Cl 2 using an HCl electrolysis reactor and reusing Cl 2 in the direct chlorination of step e).
  • the process may comprise an oxychlorination step:
  • This step allows the further reaction of HCl from the cracking step with O 2 from the water electrolysis and ethylene to produce additional ethylene dichloride.
  • Exemplary oxychlorination conditions can be found in Tarrit et al., US 2011/0183143 Al, paragraph [0053]. Nonetheless, aberrant reaction conditions can be used without departing from the scope of the invention.
  • the resulting C 2 H 4 Cl 2 is fed to the cracking reactor in step f), the water can be reused as process, cooling or electrolysis water.
  • the resulting vinyl chloride monomer (VCM) can be further purified, e.g. By distillation, and in step h) to polyvinyl chloride (PVC), for example by suspension polymerizations, emulsion polymerization and / or bulk polymerization or combinations thereof.
  • PVC polyvinyl chloride
  • PVC is ideal for transportation as it has no health and safety problems under normal conditions.
  • the process according to the invention makes it possible to produce PVC in a continuous mode of operation in comparison with the discontinuous mode of operation, avoids the use of calcium carbide, avoids market fluctuations in the price of ethylene and, in particular, does not produce CO 2 .
  • the manufactured PVC can be transported without safety, health and environmental concerns and sustainably produced in locations with no or low fresh water and bioprocessing capacity.
  • numerous reaction by-products such as water, O 2 , NaOH (or LiOH or KOH) and HCl can be recycled by direct use or reuse in the process described above.
  • the terms "using the O” 2 "j” H “ 2j Cl 2 j H 2 O, HCl or NaOH (or LiOH and / or KOH) obtained in the preceding process steps may include the use of additional O 2j H 2 j Cl 2 j H 2 O, HCl or NaOH (or alkali metal hydroxides, LiOH and / or KOH) from other sources or processes.
  • the catalytic methanol dehydration in step d) comprises a shape-selective conversion of methanol to ethylene using SAPO or similar cagecatalysts, preferably followed by an additional process to increase the ethylene yield.
  • SAPO or similar cagecatalysts preferably followed by an additional process to increase the ethylene yield.
  • additional steps may involve propylene self-metathesis to additional ethylene.
  • the water electrolysis cell comprises an alkaline or PEM (polyelectrolyte multilayer or proton exchange membrane) or HT (high temperature) or SO (solid oxide) water electrolysis cell.
  • PEM polyelectrolyte multilayer or proton exchange membrane
  • HT high temperature
  • SO solid oxide
  • direct C0 2 input from sustainable sources or sources of emissions includes combustion or fermentation of natural or fossil carbon sources.
  • the direct introduction of CO 2 from sustainable sources or emission sources preferably involves gasification (G) of organic material, preferably biomass, waste, manure, lignin, biogas, bioethanol and / or wood chips.
  • the gasification (G) comprises processes based on fluidized bed gasification, direct quenching, high temperature Winkler (HTW) gasifier or Koppers-Totzek.
  • HMW high temperature Winkler
  • oxygen obtained from gas electrolysis is used in gasification (G). This oxygen preferably does not require further purification and avoids expensive production of oxygen from air.
  • the gasification (G) is carried out with partial oxidation (POX) or catalytic partial oxidation (CPOX).
  • POX partial oxidation
  • CPOX catalytic partial oxidation
  • step d in the gasification (G), additional methanol is obtained for use in step d).
  • the water obtained in step d) is recycled and reused in the process.
  • the reuse of water allows the use of the method of the invention in arid areas throughout the world.
  • the electricity in step a) and / or b) is provided by a renewable energy source, preferably solar, wind, geothermal, hydro, tidal and / or biogas.
  • a renewable energy source preferably solar, wind, geothermal, hydro, tidal and / or biogas.
  • the electricity is stored or buffered by a battery unit, more preferably by a redox flow battery, or stored or buffered as Cl 2 , H 2 , alkali metal hydroxide, preferably NaOH, LiOH and / or KOH, and / or O 2 .
  • a battery unit more preferably by a redox flow battery
  • Cl 2 , H 2 , alkali metal hydroxide preferably NaOH, LiOH and / or KOH, and / or O 2
  • storing as a chemical carrier Cl 2 , H 2 , alkali metal hydroxide, preferably NaOH, LiOH and / or KOH, and / or O 2 allows a more flexible use of the energy provided independent of power fluctuations.
  • the inventive chemical energy storage can therefore overcome some of the major disadvantages of renewable energy sources, such as variable wind power or night-day cycles of solar power.
  • the invention further provides a plant or integrated system for producing sustainable polyvinyl chloride (PVC) with an electric power source or compound, a chloralkali electrolysis cell unit, and a water electrolysis unit.
  • PVC polyvinyl chloride
  • the person skilled in the art knows various types of chloralkali electrolysis cells, eg. B. membrane cell, diaphragm cell or Castner-Kellner method (mercury cell).
  • the plant further comprises a storage unit for a gas containing any partial pressure mixtures of CO and C0 2 , or a gas production unit, which can be any partial pressure mixtures of CO and C0 2 generated on.
  • the C0 2 storage unit comprises suitable containers or tanks for gaseous, liquid or solid carbon dioxide.
  • the plant further comprises a methanol synthesis unit or unit which produces methanol by gasification of biomass, as described above in the process of the invention.
  • a methanol synthesis unit or unit which produces methanol by gasification of biomass, as described above in the process of the invention.
  • C0 2 methanol conversion process
  • the plant further comprises an ethylene synthesis unit and optionally an ethylene yield increasing unit including a propylene self-metathesis unit.
  • the plant further comprises an ethylene dichloride (EDC) synthesis unit, a vinyl chloride monomer (VCM) synthesis unit and a PVC polymerization reactor.
  • EDC ethylene dichloride
  • VCM vinyl chloride monomer
  • the system according to a further development of the invention preferably further comprises an HCI recycling unit using HCl electrolysis to Cl 2 and / or a unit for diverting substantially pure oxygen obtained in the process into the PVC process for carrying out oxidations such as oxychlorination , on.
  • the gasification unit comprises fluidized-bed gasification, direct quenching, high-temperature Winkler (HTW) gasifier or gasifier based on Koppers-Totzek.
  • gasification (G) uses oxygen from the electrolysis of water.
  • the methanol synthesis unit has a gasification unit.
  • the gasification unit comprises a high-temperature Winkler (HTW) gasifier for the production of additional methanol directly from biomass.
  • HMW high-temperature Winkler
  • the electrical power is provided by a sustainable and renewable energy source, preferably solar, wind, geothermal, hydro, tidal, and / or biogas.
  • a sustainable and renewable energy source preferably solar, wind, geothermal, hydro, tidal, and / or biogas.
  • the site may be located in remote areas near the sustainable and renewable energy source due to the low required fresh water supply and the high recycle rates of H 2 , 0 2 , HCl and NaOH.
  • the renewable energy source is connected directly to the system.
  • the electrical power is kept stable (buffering) despite fluctuations of the renewable energy source, preferably by a battery unit, more preferably by a redox flow battery, battery-backed or as Cl 2 , H 2 , alkali metal hydroxide, preferably NaOH, LiOH and / or KOH, and / or 0 2 stored or buffered.
  • a battery unit more preferably by a redox flow battery, battery-backed or as Cl 2 , H 2 , alkali metal hydroxide, preferably NaOH, LiOH and / or KOH, and / or 0 2 stored or buffered.
  • FIG. 1 shows a flow chart of some partial steps of the process according to the invention
  • FIG. 2 shows a flow chart of the remaining partial steps of the method according to the invention.
  • Figure 1 shows a zein schematic flow diagram of the method according to the invention.
  • water 10 is supplied via line 11 to a first electrolysis device 12, in which hydrogen 13 is produced, and oxygen 14.
  • a NaCl solution 15 is fed via a line 16 to a second electrolysis device 17, in which a chloroalkali Electrolysis is performed in which hydrogen 18, chlorine 19 and NaOH 21 are produced.
  • the two electrolysis devices 12, 17 can be operated with renewable energy.
  • the other Haupteduct C0 2 can enter the inventive method via different routes.
  • Route A involves the gasification of biomass 20 in which the caustic soda (NaOH) 21 or, alternatively, LiOH or KOH obtained in the saline electrolysis 17 can be used in the gasifier 22.
  • NaOH can serve as a catalyst or as a tool to provide basic media. Any excess NaOH 23 produced in the chloralkali electrolysis can be removed from the system and used or sold elsewhere.
  • synthesis gas 24 contains, for example, the gases carbon monoxide and hydrogen and next to carbon dioxide and water.
  • the gas obtained in Route A as well as in Route B contains not only hydrogen but also carbon monoxide, which can be converted into carbon dioxide and hydrogen in a water gas shift reaction 25 with steam. Subsequently, remaining CO can be eliminated by preferred oxidation (preferential oxidation, PROX) in the device 26.
  • preferred oxidation preferential oxidation, PROX
  • the gas mixture obtained in Route A as well as in Route B after the preferred reaction contains, in addition to carbon dioxide and hydrogen, even small amounts of water.
  • the device 26 for the preferred oxidation of carbon monoxide can also be supplied via the branch line 14 ' oxygen, which was generated in the first electrolyzer 12.
  • the carbon dioxide obtained in the manner described above can be reacted with hydrogen either directly to sustainable ethylene or by way of methanol and subsequent dehydration.
  • the carbon dioxide obtained according to one of the three variants A, B or C can then be passed via the line 29 to a methanol synthesis device 30 in which it is catalytically reacted with hydrogen to form methanol.
  • This methanol is then dehydrated to ethylene in the dehydrator 31 as described above.
  • a further source for the production of additional ethylene for example by obtaining further ethylene by propylene self-metathesis.
  • the ethylene thus obtained is again preferably reacted with the electrolytically recovered chlorine 19 by direct chlorination in the chlorinating apparatus 32 to yield ethylene dichloride.
  • Ethylene dichloride is then reacted in a cracking reactor 33 to give vinyl chloride monomers, from which polyvinyl chloride (PVC) can then be made by polymerization in the reactor 34.
  • PVC polyvinyl chloride
  • the sustainable PVC product 35 produced according to the invention is discharged from the plant.

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Abstract

Verfahren zur Bereitstellung von Polyvinylchlorid (PVC), das folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen von Elektrizität und einer Alkalimetallchloridlösung, vorzugsweise Li, K und/oder Na, in einer Chloralkali-Elektrolysezelle (17) und Erhalten von Cl2 und einem Alkalimetallhydroxid, vorzugsweise NaOH, LiOH und/oder KOH, und H2 durch Elektrolyse; b) Bereitstellen von Elektrizität und Wasser in einer weiteren Elektrolysezelle (12) und Erhalten von H2 und O2; c) Erhalten von CO2 aus Synthesegas, dessen CO unter Verwendung des O2 aus Schritt b) oxidiert wurde, oder durch direkten CO2 -Eintrag aus nachhaltigen Quellen oder Emissionsquellen und anschließendes Verwenden von in Schritt a) und/oder Schritt b) erhaltenem H2 und dem CO2 in einem katalytischen Methanolumwandlungsverfahren und Erhalten von Methanol; d) Verwenden von in Schritt c) erhaltenem Methanol bei einer katalytischen Methanol-Dehydratisierung, die zu Ethylen und Wasser führt; e) Verwenden von in Schritt d) erhaltenem Ethylen und in Schritt a) erhaltenem Cl2 bei der Direktchlorierung von Ethylendichlorid (EDC); f) Einspeisen des Ethylendichlorids (EDC) in einen Crackreaktor zur Herstellung von Vinylchlorid-Monomer (VCM) und HCl; und h) Polymerisieren von Vinylchlorid-Monomer (VCM) und Erhalten von Polyvinylchlorid (PVC). Ziel ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von nachhaltigem PVC, das auf erneuerbaren kostengünstigen Edukten beruht, alle Verfahrensschritte abdeckt und gleichzeitig die Emission von Wasser- und Luftschadstoffen minimiert und den benötigten Energie- und Wassereintrag verringert.

Description

VERFAHREN UND ANLAGE ZUR BEREITSTELLUNG VON NACHHALTIGEM POLYVINYLCHLORID (PVC)
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von nachhaltigem Polyvinylchlorid (PVC) und eine integrierte Anlage zur Herstellung von nachhaltigem Polyvinylchlorid .
Die Verwendung von erneuerbaren„grünen" Energiequellen ist aufgrund von Verbraucherinteresse an erneuerbaren Energien, sinkenden Kosten von Wind- und Sonnenkraft, Besorgnis bezüglich des Klimawandels und Regierungsvorschriften auf der ganzen Welt im Zunehmen begriffen . Diese neuen Energiequellen beginnen insbesondere infolge der niedrigen Kosten von Solarzellen oder Windturbinen eine praktische Alternative zu herkömmlicher Energie auf Kohlenstoffbasis darzustellen.
Nichtsdestotrotz sind erneuerbare„grüne" Energiequellen häufig mit einem schwerwiegenden Nachteil behaftet. In Anbetracht der notwendigen Umweltbedingungen wie Sonnen- oder Windintensität ist der Ort der Energieerzeugung häufig weit von den hauptsächlichen energieverbrauchenden Gebieten entfernt. Wind-, Sonnen-, Wasser- und Gezeitenkraft werden häufig an verwendungsfernen Orten erzeugt. Bei diesen erneuerbaren Energiequellen kommt es regelmäßig vor, dass sie häufig zu viel oder zu wenig Elektrizität erzeugen (z. B. auf der Basis von Nacht/Tag-Zyklen oder sich ändernden Wetterbedingungen). Wenngleich diese erneuerbaren Ressourcen in der Mehrzahl der Fälle an das Stromnetz angeschlossen sind und die überschüssige Elektrizität an dieses abgeben können, ist die Versorgung des Stromnetzes mit unbeständiger Energie mit wirtschaftlichen Nachteilen verbunden. Dies führt zu höheren Energiekosten und zusätzlichen Leistungsverlusten. In vielen Fällen sind selbst hochentwickelte Batteriesysteme nicht in der Lage, große Energiemengen zu puffern, und Batterien können elektrische Leistung speichern, aber nicht leicht transportieren. Eine Alternative besteht in der Speicherung der elektrischen Energie in einem chemischen Träger, z. B. Wasserstoff oder Methanol.
Wasserstoff kann Energie einschließlich RESP (Remote Excess Sustainable Power) speichern und transportieren, erfordert aber extrem niedrige Temperaturen und hohe Drücke. Methan kann RESP speichern, hat aber im Vergleich zu Methanol und Ammoniak einen geringeren chemischen Wert.
Die Menge von RESP auf der Welt ist in den letzten Jahren exponentiell angestiegen und wird Prognosen zufolge bis zum Jahr 2030 weiter zunehmen. Zur Erreichung der Ziele der Pariser Klimakonferenz für die Dekarbonisierung der Welt ist es unbedingt notwendig, nicht nur Energie, sondern auch Chemikalien auf nachhaltige Weise herzustellen. Bei der Herstellung von Brennstoffen und Chemikalien unter Verwendung von rein biologischen Verfahren gibt es jedoch erhebliche Probleme; u . a . werden in der Regel diskontinuierlich arbeitende Reaktoren und CSTR-Reaktoren benötigt, die weniger effizient sind und deren Maßstab sich schlecht vergrößern lässt, es werden komplizierte Kern- und Extraktionsverfahren benötigt, Reaktionen nehmen eine lange Zeit in Anspruch, es wird eine beträchtliche Menge Wasser verbraucht oder unrezyklierbar gemacht, und es werden schöne Quellen von Biomaterialien, wie Zucker, benötigt. So stehen beispielsweise an Orten mit beträchtlicher Chemikalienproduktion wie KSA, Indien, Texas, Katar und Westchina nur begrenztes Frischwasser und begrenzte hochwertige Biomaterialien zur Verfügung. An diesen Produktionsorten gibt es jedoch häufig Salzwasser, Nutzwasser oder Wasser geringer Qualität und Quellen von Abfall- oder Emissions-C02 oder Syngas, Biomasse geringer Qualität, Holzschnitzel, Stängel, Blätter, Stöcke, Müll, tierische und menschliche Ausscheidungen, die zu Syngas sowie C02-Emissionen vergast werden können.
Im Gegensatz zu PET gibt es gegenwärtig kein nachhaltiges PVC-Verfahren. Bei zahlreichen Anwendungen von PVC würde jedoch eine erneuerbare Quelle dieses wichtigen Kunststoffs von Vorteil sein. Ein überraschender technischer Vorteil, der hier beschrieben wird, besteht darin, dass aus RESP erzeugtes PVC durch die vorliegende Innovation in der Nähe von erneuerbaren Energiequellen entfernt hergestellt werden kann, mit einem Umweltfreundlichkeitsaufschlag verkauft werden kann, eine Verringerung der Gesamtkosten für chemische Anlagen durch Verwendung von sehr kostengünstigen bis kostenfreien Ausgangsstoffen, Erhalt von C02-Gutschriften und Vermeidung von C02-Steuern und Strafen beruhend auf Dekarbonisierungsverträgen einschließen kann. Bei herkömmlichen Verfahren zur Synthese von PVC wie dem „Carbid-Verfahren" wird CaC2 als intermediäre Quelle für Acetylen verwendet. CaC2 wird jedoch häufig in einem energieaufwendigen und emissionsreichen Verfahren auf Basis von Kalk und Koks hergestellt. Auf der Basis der Qualität der Kohlenstoffquelle werden weitere Luftschadstoffe wie CO, C02, Kohlenwasserstoffe und SOx in die Atmosphäre und die angrenzende Landschaft emittiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von PVC, das auf erneuerbaren kostengünstigen Edukten beruht, alle Verfahrensschritte abdeckt und gleichzeitig die Emission von Wasser- und Luftschadstoffen minimiert und den benötigten Energie- und Wassereintrag verringert.
Die US 2011/0183143 AI offenbart eine PVC-Harzzusammensetzung mit erhöhtem Gehalt an erneuerbarem Kohlenstoff.
Die WO 2015/086153 AI offenbart ein Verbundsystem zur Herstellung von Stahl mit einem Hochofen zur Roheisenerzeugung, einem Konverter zur Rohstahlerzeugung und einem Gasleitungssystem für Gase, wobei das System arbeitet, wenn Roheisen und/oder Rohstahl erzeugt werden. Gemäß der Erfindung umfasst das Verbundsystem auch ein an das Gasleitungssystem angeschlossenes Chemieoder Biotechnologiesystem sowie ein System zur Wasserstofferzeugung .
Die US 2013/0288143 AI offenbart eine Brennstoffzelle mit einem Meerwasser-Elektrolyseur, eine integrierte Anlage und Methoden zur Herstellung von Erznatron, Ammoniak, Harnstoff und PVC. Das Verfahren offenbart die Verwendung von Ethylen aus einer Crackkolonne. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der entsprechenden Unteransprüche.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Anlage zur Herstellung von nachhaltigem Polyvinylchlorid (PVC) gemäß Anspruch 14. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der entsprechenden Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bereitstellung von Polyvinylchlorid (PVC) umfasst die folgenden Schritte. Schritt a) umfasst das Bereitstellen von Elektrizität, vorzugsweise erneuerbarer Elektrizität, und einer Alkalimetallchloridlösung, vorzugsweise Li, K und/oder Na, in einer Chloralkali- Elektrolysezelle, was zum Erhalt von Cl2, Alkalimetallhydroxid, vorzugsweise NaOH, LiOH und/oder KOH, und H2 durch Elektrolyse führt. Der Fachmann kennt verschiedene Typen von Chloralkali- Elektrolysezellen, z. B. Membranzelle, Diaphragmazelle oder Castner-Kellner-Verfahren (Quecksilberzelle). So entsteht Chlor z. B. durch
(1) 2 NaCI -^ 2 Na+ + CI2 + 2e- und Wasserstoff durch
(2) 2 H20 +2e - -> 2 0H- + H2.
Parallel dazu werden durch Elektrolyse in einem Schritt b), der Elektrizität und Speisewasser oder re- cycliertes Wasser in einer vorzugsweise alkalischen oder PEM-Elektrolysezelle umfasst, H2 und 02 erhalten. Die Schritte a) und b) stellen zusammen H2, 02, Alkalimetallhydroxid, vorzugsweise NaOH, LiOH und/oder KOH, und Cl2 bereit. Die oben erwähnte Wasserelektrolyse kann zur Bereitstellung einer ausreichenden Wasserstoffmenge in den späteren Verfahrensschritten notwendig sein . Das Verfahren umfasst ferner in einer ersten alternativen Variante von Schritt c) die Synthese von C02 aus Syngas, dessen CO unter Verwendung des in den vorhergehenden Verfahrensschritten erhaltenen 02 oxidiert wurde, oder durch direkten C02-Eintrag aus nachhaltigen Quellen oder Emissionsquellen und anschließendes Verwenden von in dem vorhergehenden Schritt b) erhaltenem H2. Das erhaltene bzw. bereitgestellte C02 wird weiter in einem katalytischen Methanolumwandlungsverfahren verwendet, das zu Methanol führt. Dieses katalytische Methanolumwandlungsverfahren kann verschiedene Verfahrenstypen umfassen, die in der Technik gut bekannt sind . Als Katalysatoren eignen sich u. a . Cu, Sn, Cr, Zn und AI, vorzugsweise in Form der jeweiligen Oxide. Beispielhafte Verfahrensbedingungen können z. B. im Druckbereich von 80 bar und Temperaturen im Bereich von 230 °C variieren .
(3) C02 + 3 H2 ^ CH3OH + H20 Alternativ dazu kann die Herstellung von Methanol auch beispielsweise durch katalytische Umsetzung von Kohlenmonoxid mit Wasserstoff gemäß der nachfolgenden Gleichung (3a) erfolgen .
(3a) CO + 2 H2 -> CH3OH
Somit kann die Herstellung des Methanols auch aus Synthesegas erfolgen, oder man verwendet alternativ als Edukt ein Gasgemisch aus CO und C02.
Erfindungsgemäß kann Methanol in Schritt c) auch/alternativ durch die Verwendung einer verfügbaren Syngas-Quelle aus einem bestehenden Verfahren bereitgestellt werden und dann das oben erwähnte katalytische Methanolumwandlungsverfahren, das zu Methanol führt, durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß kann Methanol in Schritt c) auch/alternativ durch einen Direktvergasungsschritt bereitgestellt werden, vorzugsweise durch ein Wirbelschicht-Vergasungsverfahren, z. B. das Hochtempe- ratur-Winkler(HTW)-Verfahren, bei dem in dem vorhergehenden Verfahrensschritt b) erhaltenes 02 zur Partialoxidation und Temperaturerhöhung verwendet werden kann und gegebenenfalls das im ersten Verfahrensschritt a) erhaltene AI ka I i meta 11 hy d roxid , vorzugsweise NaOH, LiOH und/oder KOH, verwendet werden kann . Vorzugsweise erfordert dieser Sauerstoff keine weitere Reinigung, wodurch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine teure Erzeugung von Sauerstoff aus Luft entfällt. Alkalimetallhyd- roxid, vorzugsweise NaOH, LiOH und/oder KOH, kann bei der Vergasung als Katalysator oder durch Bereitstellen eines basischen Reaktionsmediums wirken . Daher können das als Nebenprodukt der Chloralkalielektrolyse anfallende NaOH (oder LiOH oder KOH) und der bei der Wasserelektrolyse anfallende Sauerstoff überraschender weise und hilfreicher weise direkt bei den zur Herstellung von PVC erforderlichen Kohlenstoffausgangsstoffverarbeitungsschritten verwendet werden . Das in dem oben erwähnten Verfahrensschritt c) erhaltene Methanol wird anschließend in einem katalytischen Methanol- Dehydratisierungsschritt d) verwendet, der zu Ethylen und Wasser führt.
Figure imgf000006_0001
Beispielhafte Reaktionsbedingungen finden sich z. B. in S. Hussain, M. Mazhar, S. Gul, K. Chuang, A. Sanger, Bull . Korean Chem. Soc. 2006, Band 27, Nr. 11 oder durch ein MTO(Methanol-To-Olefins)- Verfahren, z. B. unter Verwendung von Katalysatoren auf Zeolith-Basis. Das Wasser kann als Prozesswasser oder bei der Elektrolyse wiederverwendet werden, wodurch der Gesamteintrag an zusätzlichem Wasser bei dem Verfahren minimiert wird . Außerdem kann „polares" Wasser leicht von „polarem" Ethylen getrennt werden . Die Ausbeute an aus Methanol produziertem Ethylen kann durch ein paar Schritte einschließlich Metathese, die in dem vorliegenden Dokument später beschrieben wird, erhöht werden . Das im vorhergehenden Schritt d) erhaltene Ethylen und das in Verfahrensschritt a) erhaltene Cl2 werden bei der Direktchlorierung von Ethylendichlorid (EDC) in Schritt e) vereinigt. (5) C2H4 + Cl2 -> C2H4CI2
Die Reaktion der z. B. durch Metallchloride, Fe, AI, Cu Sb, weiter bevorzugt FeCI3, katalysiert. Beispielhafte Reaktionsbedingungen finden sich in Tarrit et al., US 2011/0183143 AI , Absatz [0041] bis [0052]. Nichtsdestotrotz können abweichende Reaktionsbedingungen verwendet werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Das erzeugte Ethylendichlorid (EDC) wird anschließend in Schritt f) einem Crackreaktor zugeführt, um Vinylchlorid-Monomer (VCM) und HCl herzustellen.
(6) (CH2CI2)2 -> CH2CHCI + HCl
Beispielhafte Crackbedingungen finden sich in Tarrit et al ., US 2011/0183143 AI , Absatz [0068], z. B. bei einer Temperatur zwischen 400°C und 500 °C und einem Druck zwischen 25 und 30 bar. Nichtsdestotrotz können abweichende Reaktionsbedingungen verwendet werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Das Verfahren umfasst gegebenenfalls einen Schritt g). Dieser Schritt g) umfasst das Rezyklieren von HCl als Cl2 unter Verwendung eines HCI-Elektrolysereaktors und das Wiederverwenden von Cl2 bei der Direktchlorierung von Schritt e). Alternativ dazu kann das Verfahren einen Oxychlorierungsschritt umfassen:
(7) C2H4 + 2 HCl +% 02 -> C2H4CI2 + H20
Dieser Schritt erlaubt die weitere Umsetzung von HCl aus dem Crackschritt mit 02 aus der Wasserelektrolyse und Ethylen zur Herstellung von zusätzlichem Ethylendichlorid . Beispielhafte Oxychlorie- rungsbedingungen finden sich in Tarrit et al., US 2011/0183143 AI, Absatz [0053]. Nichtsdestotrotz können abweichende Reaktionsbedingungen verwendet werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen . Das erhaltene C2H4CI2 wird in Schritt f) dem Crackreaktor zugeführt, das Wasser kann als Prozess-, Kühl- oder Elektrolysewasser wiederverwendet werden.
Das erhaltene Vinylchlorid-Monomer (VCM) kann weiter gereinigt, z. B. durch Destillation, und in Schritt h) zu Polyvinylchlorid (PVC) polymerisiert werden, zum Beispiel durch Suspensionspolymerisationen, Emulsionspolymerisation und/oder Massepolymerisation oder Kombinationen davon. PVC ist für den Transport ideal, da es unter normalen Bedingungen keine Gesundheits- und Sicherheitsprobleme aufweist.
Außerdem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung von PVC in kontinuierlicher Fahrweise im Vergleich zur diskontinuierlichen Fahrweise, vermeidet die Verwendung von Calciumcar- bid , vermeidet Marktfluktuationen des Preises von Ethylen und erzeugt insbesondere kein C02. Das hergestellte PVC kann ohne Sicherheits-, Gesundheits- und Umweltbedenken transportiert werden und an Orten mit keiner oder geringer Frischwasser- und Bioverarbeitungskapazität nachhaltig hergestellt werden . In Anbetracht der oben erwähnten Reaktionsschritte ermöglicht das erfindungsgemäße Ver- fahren die Synthese von hochwertigem PVC aus rezyklierten Verbindungen wie Biomasse oder C02 aus technischen Verfahren. Diese Verwendung von natürlich vorkommendem Kohlenstoff kann durch 14C-Kohlenstoff-lsotopenanalyse verifiziert werden. Außerdem können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zahlreiche Reaktionsnebenprodukte wie Wasser, 02, NaOH (oder LiOH oder KOH) und HCl durch direkte Verwendung oder Wiederverwendung bei dem oben beschriebenen Verfahren rezykliert werden .
Tabelle 1 : Qualitativer Vergleich von durch PVC-Verfahren erzeugtem C02:
Figure imgf000008_0001
Gemäß der Lehre der Erfindung können die Begriffe„unter Verwendung des in den vorhergehenden Verfahrensschritten erhaltenen 02 j H2j Cl2 j H20, HCl oder NaOH (ode LiOH und/oder KOH)" die Verwendung von zusätzlichem 02j H2 j Cl2 j H20, HCl oder NaOH (oder Alkalimetallhydroxiden, LiOH und/oder KOH) aus anderen Quellen oder Verfahren einschließen .
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die katalytische Methanol-Dehydratisierung in Schritt d) eine formselektive Umwandlung von Methanol in Ethylen unter Verwendung von SAPO oder ähnlichen Molekülkäfig-Katalysatoren, vorzugsweise gefolgt von einem zusätzlichen Verfahren zur Erhöhung der Ethylen-Ausbeute. Diese zusätzlichen Schritte können eine Propylen-Selbstmetathese zu zusätzlichem Ethylen involvieren.
Vorzugsweise umfasst die Wasserelektrolysezelle eine alkalische oder PEM- (Polyelektrolyt- Mehrschicht- oder Protonenaustauschmembran-) oder HT(Hochtemperatur)- oder SO(Festoxid)- Wasserelektrolysezelle.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst der direkte C02-Eintrag aus nachhaltigen Quellen oder Emissionsquellen eine Verbrennung oder Fermentierung von natürlichen oder fossilen Kohlenstoffquellen. Einschließlich der Partialverbrennung (Partialoxidation) von (erneuerbarem) Biogas aus anaerobem biologischem Abbau zur Herstellung von Syngas und hochwertiger Wärme und Verwendung der Wärme zur Unterstützung des Energiebedarfs des erfindungsgemäßen Verfahrens, vorzugsweise das Syngas-To-Methanol-Verfahren . Vorzugsweise umfasst der direkte C02-Eintrag aus nachhaltigen Quellen oder Emissionsquellen eine Vergasung (G) von organischem Material, vorzugsweise Biomasse, Abfällen, Dung, Lignin, Biogas, Bioethanol und/oder Holzschnitzeln.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vergasung (G) Verfahren auf Basis von Wirbelschichtvergasung, Direct Quench, Hochtemperatur-Winkler(HTW)-Vergaser oder Koppers-Totzek. Wie bei dem Hauptprozess beschrieben, wird bei der Vergasung (G) aus der Wasserelektrolyse erhaltener Sauerstoff verwendet. Dieser Sauerstoff erfordert vorzugsweise keine weitere Reinigung und vermeidet eine teure Erzeugung von Sauerstoff aus Luft.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird bei der Vergasung (G) mit Partialoxidation (POX) oder katalytischer Partialoxidation (CPOX) gearbeitet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform fällt bei der Vergasung (G) zusätzliches Methanol zur Verwendung in Schritt d) an.
Vorzugsweise wird das in Schritt d) erhaltene Wasser rezykliert und bei dem Verfahren wiederverwendet. Die Wiederverwendung von Wasser ermöglicht die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in wasserarmen Gegenden auf der ganzen Welt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Elektrizität in Schritt a) und/oder b) durch eine erneuerbare Energiequelle, vorzugsweise Sonnenkraft, Windkraft, Geothermalkraft, Wasserkraft, Gezeitenkraft und/oder Biogas, bereitgestellt.
Vorzugsweise wird die Elektrizität durch eine Batterieeinheit, weiter bevorzugt durch eine Redox-Flow- Batterie, gespeichert oder gepuffert oder als Cl2, H2, Alkalimetallhydroxid, vorzugsweise NaOH, LiOH und/oder KOH, und/oder 02 gespeichert oder gepuffert. Insbesondere ermöglicht die Speicherung als chemischer Träger Cl2, H2, Alkalimetallhydroxid, vorzugsweise NaOH, LiOH und/oder KOH, und/oder 02 eine flexiblere Verwendung der bereitgestellten Energie unabhängig von Leistungsfluktuationen. Durch die erfindungsgemäße chemische Energiespeicherung können daher einige Hauptnachteile erneuerbarer Energiequellen, wie veränderliche Windkraft oder Nacht-Tag-Zyklen von Sonnenkraft überwunden werden.
Die Erfindung stellt ferner eine Anlage oder ein integriertes System zur Herstellung von nachhaltigem Polyvinylchlorid (PVC) mit einer elektrischen Leistungsquelle oder -Verbindung, einer Chloralkali- Elektrolysezellen-Einheit und einer Wasserelektrolyseeinheit bereit. Der Fachmann kennt verschiedene Typen von Chloralkali-Elektrolysezellen, z. B. Membranzelle, Diaphragmazelle oder Castner-Kellner- Verfahren (Quecksilberzelle). Die Anlage weist ferner eine Speichereinheit für ein Gas, das beliebige Partialdruckgemische von CO und C02 enthält, oder eine Gasherstellungseinheit, die beliebige Partial- druckgemische von CO und C02 erzeugt, auf. Die C02-Speichereinheit umfasst geeignete Behälter oder Tanks für gasförmiges, flüssiges oder festes Kohlendioxid . Die Anlage weist ferner eine Methanolsyntheseeinheit oder eine Einheit, die durch Vergasung von Biomasse Methanol erzeugt, auf, wie oben bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben . In der Methanolsyntheseeinheit kann das in der oben beschriebenen C02-Speicher- oder C02-Herstellungseinheit zur Umwandlung des C02 in Methanol mit Hilfe einer in der Technik gut bekannten Einheit für ein katalytisches Methanolumwandlungsverfahren erhaltene C02 verwendet werden. Die Anlage weist ferner eine Ethylensyntheseeinheit und gegebenenfalls eine Einheit zur Erhöhung der Ethylen-Ausbeute einschließlich einer Propylen- Selbstmetathese-Einheit auf. Die Anlage weist ferner eine Ethylendichlorid(EDC)-Syntheseeinheit, eine Vinylchlorid-Monomer(VCM)-Syntheseeinheit und einen PVC-Polymerisationsreaktor auf.
Die Anlage weist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorzugsweise ferner eine HCI- Rezyklierungseinheit unter Verwendung von HCI-Elektrolyse zu Cl2 und/oder eine Einheit zum Umleiten von bei dem Verfahren anfallendem weitgehend reinem Sauerstoff in dem PVC-Verfahren zur Durchführung von Oxidationen, wie Oxychlorierung, auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vergasungseinheit (GU) Wirbelschichtvergasung, Direct Quench, Hochtemperatur-Winkler(HTW)-Vergaser oder Vergaser auf Basis von Koppers-Totzek. Wie bei dem Hauptverfahren beschrieben, wird bei der Vergasung (G) Sauerstoff aus der Wasserelektrolyse verwendet.
Vorzugsweise weist die Methanolsyntheseeinheit eine Vergasungseinheit auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vergasungseinheit einen Hochtemperatur- Winkler(HTW)-Vergaser zur Herstellung von zusätzlichem Methanol direkt aus Biomasse auf.
Vorzugsweise wird die elektrische Leistung durch eine nachhaltige und erneuerbare Energiequelle, vorzugsweise Sonnenkraft, Windkraft, Geothermalkraft, Wasserkraft, Gezeitenkraft und/oder Biogas, bereitgestellt. Der Anlagenort kann sich aufgrund der geringen benötigten Mengen an Frischwasser und der hohen Rezyklierungsraten von H2, 02, HCl und NaOH in entlegenen Gegenden in der Nähe der nachhaltigen und erneuerbaren Energiequelle befinden .
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erneuerbare Energiequelle direkt an die Anlage angeschlossen.
Vorzugsweise wird die elektrische Leistung trotz Fluktuationen der erneuerbaren Energiequelle als stabiler Ausstoß gehalten (Puffern), vorzugsweise durch eine Batterieeinheit, weiter bevorzugt durch eine Redox-Flow-Batterie, batteriegepuffert oder als Cl2, H2, Alkalimetallhydroxid, vorzugsweise NaOH, LiOH und/oder KOH, und/oder 02 gespeichert oder gepuffert. Überraschenderweise ermöglicht die Kombination der erfindungsgemäßen Anlage mit der erneuerbaren Leistungsquelle die Herstellung von hochwertigem PVC und die Speicherung von ansonsten nicht verwendbaren Energiespitzen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren weiter beschrieben . Die Figuren schränken den Schutzbereich der Erfindung nicht ein .
Figur 1 zeigt ein Fließbild einiger Teilschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 2 zeigt ein Fließbild der übrigen Teilschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zunächst wird auf Figur 1 Bezug genommen, welche ein zein schematisches Fließbild des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt. Als erstes Edukt wird Wasser 10 über die Leitung 11 einer ersten Elektrolysevorrichtung 12 zugeführt, in der Wasserstoff 13 erzeugt wird sowie Sauerstoff 14. Als zweites Edukt wird eine NaCI-Lösung 15 über eine Leitung 16 einer zweiten Elektrolysevorrichtung 17 zugeführt, in der eine Chloralkali-Elektrolyse durchgeführt wird, bei der Wasserstoff 18, Chlor 19 und NaOH 21 erzeugt werden. In dem erfindungsgemäßen Verfahren können die beiden Elektrolysevorrichtungen 12, 17 mit erneuerbarer Energie betrieben werden.
Das andere Hauptedukt C02 kann über verschiedene Routen in das erfindungsgemäße Verfahren eintreten . Route A umfasst die Vergasung von Biomasse 20, bei der das bei der Kochsalzelektrolyse 17 erhaltene Ätznatron (NaOH) 21 oder alternativ LiOH oder KOH verwendet werden kann, in der Vergasungsvorrichtung 22. NaOH kann als Katalysator oder als Werkzeug zur Bereitstellung basischer Medien dienen . Gegebenenfalls bei der Chloralkali-Elektrolyse anfallendes überschüssiges NaOH 23 kann aus dem System abgeführt und anderweitig genutzt oder verkauft werden.
Eine andere Route B zur Bereitstellung von C02 und anschließend Methanol ist gemäß einer alternativen Variante der Erfindung Synthesegas 24. Dieses enthält beispielsweise die Gase Kohlenmonoxid und Wasserstoff und daneben noch Kohlendioxid und Wasser.
Das in Route A wie auch das in Route B erhaltene Gas enthält neben Wasserstoff auch Kohlenmonoxid, welches in einer Wassergas-Shift-Reaktion 25 mit Wasserdampf zu Kohlendioxid und Wasserstoff umgesetzt werden kann . Anschließend kann verbliebenes CO durch bevorzugte Oxidation (Preferential Oxidation, PROX) in der Einrichtung 26 beseitigt werden. Alternativ dazu kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Route C direkt z. B. durch Verbrennung bereitgestelltes C02 27 verwendet werden, welches über die Leitung 28 in die Anlage eingespeist wird. Das in Route A wie auch das in Route B nach der bevorzugten Reaktion erhaltene Gasgemisch enthält neben Kohlendioxid und Wasserstoff noch geringe Mengen an Wasser. Der Einrichtung 26 zur bevorzugten Oxidation von Kohlenmonoxid kann auch über die Zweigleitung 14' Sauerstoff zugeführt werden, welcher in der ersten Elektrolysevorrichtung 12 erzeugt wurde.
Das in der zuvor geschilderten Weise gewonnene Kohlendioxid kann mit Wasserstoff entweder direkt zu nachhaltigem Ethylen umgesetzt werden oder auf dem Umweg über Methanol und anschließende Dehydratisierung .
Wie sich aus Figur 2 in Verbindung mit Figur 1 ergibt, kann das nach einer der drei Varianten A, B oder C gewonnene Kohlendioxid dann über die Leitung 29 zu einer Methanolsynthesevorrichtung 30 geleitet werden, in der es mit Wasserstoff katalytisch zu Methanol umgesetzt wird. Dieses Methanol wird dann wie oben beschrieben in der Dehydratisierungsvorrichtung 31 zu Ethylen dehydratisiert. Man kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren alternativ auch eine weitere Quelle zur Gewinnung von zusätzlichem Ethylen nutzen, indem man beispielsweise weiteres Ethylen durch Propylen-Selbstmetathese gewinnt. Das so gewonnene Ethylen wird wiederum vorzugsweise mit dem elektrolytisch gewonnenen Chlor 19 durch Direktchlorierung in der Chlorierungsvorrichtung 32 zu Ethylendichlorid umgesetzt. Ethylendichlorid wird dann in einem Crack-Reaktor 33 zu Vinylchlorid-Monomeren umgesetzt, aus welchem dann durch Polymerisierung in dem Reaktor 34 Polyvinylchlorid (PVC) hergestellt werden kann. Das erfindungsgemäß hergestellte nachhaltige PVC-Produkt 35 wird aus der Anlage ausgeschleust.
Die oben erwähnten Schritte ermöglichen somit die Herstellung von nachhaltigem Ethylen und PVC.
Bezugszeichenliste
10 Wasser
11 Leitung
12 erste Elektrolysevorrichtung
13 Wasserstoff
14 Sauerstoff
14' Zweigleitung für Sauerstoff
15 Natriumchlorid
16 Leitung
17 zweite Elektrolysevorrichtung
18 Wasserstoff
19 Chlor
20 Biomasse
21 Natriumhydroxid
22 Vergasungsvorrichtung
23 Natriumhydroxid
24 Synthesegas
25 Wassergas-Shift-Reaktion
26 bevorzugte Oxidation
27 Kohlendioxid
28 Leitung
29 Leitung
30 Methanolsynthesevorrichtung
31 Dehydratisierungsvornchtung
32 Chlorierungsvorrichtung
33 Crackreaktor
34 Polymerisierungsreaktor
35 nachhaltiges PVC als Produkt

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bereitstellung von Polyvinylchlorid (PVC), das folgende Schritte umfasst:
a) Bereitstellen von Elektrizität und einer Alkalimetallchloridlösung, vorzugsweise Li, K und/oder Na, in einer Chloralkali-Elektrolysezelle (17) und Erhalten von Cl2 und einem Alkalimetallhydroxid, vorzugsweise NaOH, LiOH und/oder KOH, und H2 durch Elektrolyse;
b) Bereitstellen von Elektrizität und Wasser in einer weiteren Elektrolysezelle (12) und Erhalten von H2 und 02;
c) Erhalten von C02 aus Synthesegas, dessen CO unter Verwendung des 02 aus Schritt b) oxidiert wurde, oder durch direkten C02-Eintrag aus nachhaltigen Quellen oder Emissionsquellen und anschließendes Verwenden von in Schritt a) und/oder Schritt b) erhaltenem H2 und dem C02 in einem katalytischen Methanolumwandlungsverfahren und Erhalten von Methanol;
d) Verwenden von in Schritt c) erhaltenem Methanol bei einer katalytischen Metha- nol-Dehydratisierung, die zu Ethylen und Wasser führt;
e) Verwenden von in Schritt d) erhaltenem Ethylen und in Schritt a) erhaltenem Cl2 bei der Direktchlorierung von Ethylendichlorid (EDC);
f) Einspeisen des Ethylendichlorids (EDC) in einen Crackreaktor zur Herstellung von Vinylchlorid-Monomer (VCM) und HCl;
und
h) Polymerisieren von Vinylchlorid-Monomer (VCM) und Erhalten von Polyvinylchlorid (PVC).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das HCl unter Verwendung eines HCI-Elektrolysereaktors zu Cl2 recycliert wird und Cl2 in Schritt e) verwendet wird oder HCl weiter umgesetzt wird mit aus Schritt b) erhaltenem 02 und in Schritt b) erhaltenem Ethylen zur Herstellung von zusätzlichem Ethylendichlorid (EDC) durch Oxychlorierung zur Verwendung in Schritt f).
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die katalytische Methanol-Dehydratisierung in Schritt d) eine formselektive Umwandlung von Methanol unter Verwendung von SAPO oder ähnlichen Molekülkäfig-Katalysatoren, vorzugsweise einen weiteren Schritt zur Erhöhung der Ethylen- Ausbeute einschließlich Propylen-Selbstmetathese, umfasst.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die weitere Elektrolysezelle (12) eine alkalische, PEM-, HT- oder SO-Wasserelektrolysezelle umfasst.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Synthesegas und Wärme durch Partialoxidation von erneuerbarem Biogas, das durch anaeroben biologischen Abbau hergestellt wird, erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der direkte C02-Eintrag aus nachhaltigen Quellen oder Emissionsquellen eine Verbrennung oder Fermentierung von natürlichen oder fossilen Kohlenstoffquellen umfasst.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der direkte C02-Eintrag aus nachhaltigen Quellen oder Emissionsquellen eine Vergasung (G) von organischem Material, vorzugsweise Biomasse, Abfällen, Dung, Lignin, Biogas, Bioethanol und/oder Holzschnitzeln, umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Vergasung (G) Verfahren auf Basis von Wirbelschichtvergasung, Direct Quench, Hochtemperatur-Winkler(HTW)-Vergaser oder Koppers- Totzek umfasst.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem bei der Vergasung (G) mit Partialoxidation (POX) oder katalytischer Partialoxidation (CPOX) gearbeitet wird .
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, bei dem bei der Vergasung (G) zusätzliches Methanol zur Verwendung in Schritt d) anfällt.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das in Schritt d) erhaltene Wasser rezykliert und bei dem Verfahren wiederverwendet wird .
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Elektrizität in Schritt a) und/oder b) durch eine erneuerbare Energiequelle, vorzugsweise Sonnenkraft, Windkraft, Geothermalkraft, Wasserkraft, Gezeitenkraft und/oder Biogas, bereitgestellt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Elektrizität durch eine Batterieeinheit, weiter bevorzugt durch eine Redox-Flow-Batterie, gespeichert oder gepuffert wird oder als Cl2, H2, Alkali- metallhydroxid, vorzugsweise NaOH, LiOH und/oder KOH, und/oder 02 gespeichert oder gepuffert wird .
14. Anlage zur Herstellung von nachhaltigem Polyvinylchlorid (PVC) mit:
- einer elektrischen Leistungsquelle oder -Verbindung;
- einer Chloralkali-Elektrolysezellen-Einheit (17);
- einer weiteren Elektrolyseeinheit (12) zur Wasserelektrolyse; - einer Speichereinheit für ein Gas, das beliebige Partialdruckgemische von CO und C02 enthält, oder eine Gasherstellungseinheit, die beliebige Partialdruckgemische von CO und C02 erzeugt,
- einer Methanolsyntheseeinheit (30)
- oder einer Einheit, die durch Vergasung von Biomasse Methanol erzeugt;
- einer Ethylensyntheseeinheit (31)
- einer Ethylendichlorid(EDC)-Syntheseeinheit (32);
- einer Vinylchlorid-Monomer(VCM)-Syntheseeinheit (33);
und einem PVC-Polymerisationsreaktor (34).
15. Anlage nach Anspruch 14, wobei diese weiterhin umfasst:
- eine Einheit zur Erhöhung der Ethylen-Ausbeute einschließlich einer Propylen- Selbstmetathese-Einheit und/oder
Einheiten für Wasserrezyklierung und Wasserspeicherung und/oder
- eine HCI-Rezyklierungseinheit unter Verwendung von HCI-Elektrolyse zu Cl2 und/oder
Einheiten zum Umleiten von bei dem Verfahren anfallendem weitgehend reinem Sauerstoff in dem PVC -Verfahren zur Durchführung von Oxidationen.
16. Anlage nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Methanolsyntheseeinheit eine Vergasungseinheit (GU) aufweist.
17. Anlage nach Anspruch 16, wobei die Vergasungseinheit einen Hochtemperatur-Winkler(HTW)- Vergaser zur Herstellung von zusätzlichem Methanol direkt aus Biomasse aufweist.
18. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 17, wobei die elektrische Leistung durch eine nachhaltige und erneuerbare Energiequelle, vorzugsweise Sonnenkraft, Windkraft, Geothermalkraft, Wasserkraft, Gezeitenkraft und/oder Biogas, bereitgestellt wird .
19. Anlage nach Anspruch 18, wobei die erneuerbare Energiequelle direkt an die Anlage angeschlossen ist.
20. Anlage nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei die elektrische Leistung trotz Fluktuationen der erneuerbaren Energiequelle als stabiler Ausstoß gehalten wird (Puffern), vorzugsweise durch eine Batterieeinheit, weiter bevorzugt durch eine Redox-Flow-Batterie, batteriegepuffert wird oder als Cl2, H2, Alkalimetallhydroxid, vorzugsweise NaOH, LiOH und/oder KOH, und/oder 02 gespeichert oder gepuffert wird .
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