способ получения синтез-газа для производства продуктов основного органического синтеза и синтетического топлива
Классы МПК: | C01B3/16 с использованием катализаторов C25B1/02 водорода или кислорода |
Автор(ы): | Серебряков Владимир Николаевич, Кубасов Валерий Николаевич |
Патентообладатель(и): | Серебряков Владимир Николаевич, Кубасов Валерий Николаевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1992-12-10 публикация патента:
27.06.1996 |
Использование: в производстве синтез-газа как основного промежуточного сырья промышленности органического синтеза в производствах метанола, карбоновых кислот и углеводородов. Сущность: промышленные дымовые газы непрерывно пропускают через газоселективные мембраны для выделения диоксида углерода с последующей десорбцией диоксида углерода в среду паров воды, подаваемых в количестве не менее 2,3 моль воды на 1 моль диоксида углерода. Полученную парогазовую смесь доводят до молярного отношения воды к диоксиду углерода, равного 1,0 - 2,3, путем конденсации паров воды при постоянном давлении и температуре. Парогазовую смесь диоксида углерода и паров воды подвергают конверсии путем их восстановления в электролизере с твердым оксидным электролитом при 1120 - 1220 К и напряжении не выше термонейтрального до получения синтез-газа составом H2 : CO = 1,0 - 2,3 на катоде и кислорода на аноде электролизера. Полученный синтез-газ охлаждают путем рекуперативного теплообмена с парогазовой смесью диоксида углерода и паров воды, подаваемых на конверсию в электролизер. Охлажденный газ направляют потребителю. 3 ил. 1
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
Способ получения синтез-газа для производства продуктов основного органического синтеза и синтетического топлива, включающий конверсию углеродсодержащих газов в присутствии паров воды с подводом энергии для поддержания процесса, отличающийся тем, что в качестве источника углеродсодержащих газов используют диоксид углерода промышленных дымовых газов, которые непрерывно пропускают через газоселективные мембраны для выделения диоксида углерода с последующей десорбцией диоксида углерода в среду паров воды, подаваемых в количестве не менее 2,3 моля воды на 1 моль диоксида углерода, полученную парогазовую смесь доводят до молярного отношения воды к диоксиду углерода, равного 1,0 2,3 путем конденсации паров воды при постоянном давлении и температуре, конверсии подвергают полученную парогазовую смесь диоксида углерода и паров воды путем их восстановления в электролизере с твердым оксидным электролитом при температурах от 1120 до 1220К и напряжении не выше термонейтрального до получения синтез-газа составом H2:CO 1,0 2,3 на катоде и кислорода на аноде электролизера, полученный синтез-газ охлаждают путем рекуперативного теплообмена с парогазовой смесью диоксида углерода и паров воды, подаваемых на конверсию в электролизер, охлажденный синтез-газ направляют потребителю.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к химии и технологии органического синтеза, в частности к способам получения синтез-газа (смеси оксида углерода и водорода) как основного промежуточного сырья промышленности органического синтеза в производствах метанола, карбоновых кислот и углеводородов, в том числе синтетического моторного топлива. Требуемый в данных производствах объемный (мольный) состав синтез-газаН2 СО 1,0 2,3 (1). Известен способ получения синтез-газа основанный на использовании в качестве исходного сырья природных запасов углеводородов (нефть, газ) [1]
Сущность известного способа заключается в неполном окислении углерода исходных углеродсодержащих веществ в реакциях конверсии парами воды, например способ высокотемпературной каталитической конверсии метана парами воды [3]
![способ получения синтез-газа для производства продуктов основного органического синтеза и синтетического топлива, патент № 2062750](/images/patents/410/2062750/2062750-2t.gif)
Способ требует подвода высокотемпературной тепловой энергии 206 КДж/моль при 1063 1100 К и осуществляется в присутствии катализаторов при давлении 3 4 МПА. Главным общим недостатком известных способов получения синтез-газа для производства продуктов органического синтеза является потребление природных истощаемых запасов углеводородного сырья (газа, нефти). К числу недостатков относятся также:
необходимость соответствующих дополнительных затрат на разведку, добычу, транспортировку и предварительную подготовку сырья;
необходимость специальных дополнительных неэкономичных операций в технологиях способов для нормирования состава синтез-газа в требующемся диапазоне (Н2 СО 1,0 2,3). С целью устранения указанных недостатков предлагается способ получения синтез-газа, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья использует диоксид углерода промышленных отходящих газов продуктов сгорания. Диоксид углерода извлекает из дымовых газов процессом непрерывной мембранной хемосорбции о десорбцией в среду паров воды, при этом пары воды подают с удельным расходом не менее 2,3 моль H2O на 1 моль сепарируемого диоксида углерода; полученную парогазовую смесь по составу путем конденсации паров воды при постоянном общем давлении и температуре, соответствующей относительному мольному содержанию (парциальному давлению) паров воды в смеси H2O CO2 от 1,0 до 2,3, и подвергают конверсии путем электрохимического катодного восстановления в высокотемпературном электролизере с твердым оксидным электролитом; электролиз ведут при напряжениях не выше термонейтрального (в эндотермическом режиме о подводом тепловой энергии) при 1120 1220 К до получения синтез-газа смеси водорода и оксида углерода с составом Н2 СО от 1,0 до 2,3 на катоде и кислорода на аноде; полученный синтез-газ охлаждают путем рекуперативного теплообмена о исходной парогазовой смесью, подаваемой на конверсию, и направляют потребителю. Существенной особенностью предлагаемого способа получения синтез-газа является то, что в качестве исходного сырья используют окисленные продукты (диоксид углерода) промышленных дымовых газов, загрязняющих земную атмосферу:
продукты сгорания топлив, отработавших свой энергетический потенциал;
газовые отходы металлургии (колошниковый газ), отходы химических и биотехнических производств. Особенностью способа является то, что синтез-газ получают химическим восстановлением окисленного угдеродсодержащего газа диоксида углерода в парогазовой смеси с парами воды, которую образуют путем селективного выделения диоксида углерода из исходных газовых отходов о помощью паров воды, служащей десорбирующим агентом при выделении диоксида углерода и рабочим телом в процессе электролизного получения синтез-газа. Особенности способа позволяют обеспечить:
1. Экономию расхода природных ресурсов нефти и газа на нужды промышленности органического синтеза;
2. Получить средство решения экологической проблемы "тепличного" эффекта путем сокращения загрязнения земной атмосферы диоксидом углерода промышленных газовых отходов. 3. В области энергетики:
получить средство высокоэффективного аккумулирования электроэнергии, получаемой от возобновляемых источников (атомной, гидро-, ветровой и солнечной энергии), в химическую энергию синтетического топлива и эффективное средство передачи этой энергии для нужд мирового транспорта в виде традиционного жидкого моторного топлива (синтетический бензин, метанол), обладающего известными эксплуатационными преимуществами по сравнение о водородом в концепциях атомно-водородной энергетики;
повысить КПД энергостанций любого типа за счет выравнивания суточных графиков нагрузки путем аккумулирования энергии в синтетическое топливо;
4. В области металлургии:
реализовать безкоксовое производство чугуна за счет регенерации диоксида углерода колошниковых газов в синтез-газ наддува печей. На фиг. 1 приведен пример реализации способа для случая "горячих" отходящих газов (Тг > 373 К), где 1 исходный продукт дымовые газы, содержащие диоксид углерода с температурой Тг > 373К; 2 генератор паров воды, получаемых о использованием "бросового" тепла отходящих газов; 3 - теплообменник, уравнивающей температуры отходящих газов и паров воды; 4 - газораспределительный мембранный аппарат сепарации диоксида углерода; 5 - хемоактивные газораспределительные полимерные мембраны, селективно проницаемые для диоксида углерода; 6 газовый выброс в атмосферу; очищенный от диоксида углерода; 7 теплообменник-конденсатор паров воды; 8 термостатирующая рубашка конденсатора; 9 сборник воды; 10 и 11 теплообменники-рекуператоры; 12 высокотемпературный газовый электролизер; 13 электролизная ячейка с твердотельным оксидным электролитом; 14 каталитически активный катод ячейки; 15 каталитически активный анод ячейки; 16 сборник синтез-газа; 17 - сборник кислорода. Исходные дымовые газы 1, содержащие азот (приблизительно 8O объемных), пары воды (
![способ получения синтез-газа для производства продуктов основного органического синтеза и синтетического топлива, патент № 2062750](/images/patents/410/2062043/8776.gif)
CO2+2RNH2
![способ получения синтез-газа для производства продуктов основного органического синтеза и синтетического топлива, патент № 2062750](/images/patents/410/2062638/8644.gif)
где R иммобилизующая химическая группа полимера, обеспечивающая подвижность иона карбамата (RNH2)2 СО2 в мембране. На выходной стороне мембраны под действием пониженного парциального давления газов в среде паров воды подмембранной полости ион карбамата (RNH2)2 СО2 разлагается о выделением СО2 в чистом виде). При этом химически инертные к аминогруппе газы азот, кислород - практически не проникают сквозь мембрану, что обеспечивает коэффициент селективности мембраны по СО2 не менее 100 и концентрирование диоксида углерода до 92 99 при входной концентрации его от 10 до 60 Пары воды подаст через газоразделитель 4 с расходом не менее
![способ получения синтез-газа для производства продуктов основного органического синтеза и синтетического топлива, патент № 2062750](/images/patents/410/2062750/2062750-3t.gif)
![способ получения синтез-газа для производства продуктов основного органического синтеза и синтетического топлива, патент № 2062750](/images/patents/410/2062750/2062750-4t.gif)
nH2O + CО2 + 2 (1+n) е nН2 + СО + (1+n) О2-. Кислород мигрирует через оксидный злектролит и выделяется на аноде:
![способ получения синтез-газа для производства продуктов основного органического синтеза и синтетического топлива, патент № 2062750](/images/patents/410/2062750/2062750-5t.gif)
Процесс электролиза ведут при температуре не ниже 1120 К из условия обеспечения эффективной ионной электропроводности оксидного электролита и не выше 1220 К из условия обеспечения термостойкости и ресурса работы конструкционных и электрохимических материалов и снижения тепловых потерь в окружающую среду, пропорциональных четвертой степени рабочей температуры; при напряжении на элементе не выше термонейтрального Uт (Uт 1,3 В для H2O,Uт 1,45 В для СО2) из условия минимизации затрат электроэнергии и не ниже 0,98 В из условия обеспечения полноты разложения СО2 и Н2О до 98 99 с учетом концентрационного перенапряжения необходимого при этом условии. При работе электролизера о рабочим напряжением на элементе Upаб ниже термонейтрального Uт необходимую дополнительную энергию на разложение смеси "CO2 + H2O" подводят в виде тепловой энергии Q (Uт - Upаб) х 2F теплоносителем 16 при температуре Ттепл
![способ получения синтез-газа для производства продуктов основного органического синтеза и синтетического топлива, патент № 2062750](/images/patents/410/2062043/8805.gif)
![способ получения синтез-газа для производства продуктов основного органического синтеза и синтетического топлива, патент № 2062750](/images/patents/410/2062172/8773.gif)
![способ получения синтез-газа для производства продуктов основного органического синтеза и синтетического топлива, патент № 2062750](/images/patents/410/2062172/8773.gif)
![способ получения синтез-газа для производства продуктов основного органического синтеза и синтетического топлива, патент № 2062750](/images/patents/410/2062172/8773.gif)
![способ получения синтез-газа для производства продуктов основного органического синтеза и синтетического топлива, патент № 2062750](/images/patents/410/2062172/8773.gif)
![способ получения синтез-газа для производства продуктов основного органического синтеза и синтетического топлива, патент № 2062750](/images/patents/410/2062043/8805.gif)
Класс C01B3/16 с использованием катализаторов
Класс C25B1/02 водорода или кислорода