Способ получения синтез-газа для производства продуктов основного органического синтеза и синтетического топлива - RU2062750C1
Код документа: RU2062750C1
Чертежи
Описание
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-газа
Н2 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 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 (≈ 10), и диоксид углерода (от 10 для продуктов сгорания ТЭЦ и до 60 для колошниковых газов металлургии и для биогаза), а также микропримеси попадают на обогрев испарителя генератора 2 паров воды и далее через теплообменник 3 в газоразделительный мембранный аппарат 4. "Сухие" пары воды из испарителя-генератора 2 при атмосферном давлении уравнивает по температуре о отходящими газами 1 в теплообменнике 3 и подают в подмембранную полость газоразделительного аппарата 4, создавая в ней условия пониженного парциального давления газов, в том числе диоксида углерода.
В мембранном аппарате 4 диоксид
углерода отходящих газов сорбируют на поверхности хемоактивной газоразделительной,
например аминосодержащей, мембраны (NH2
-амин):
CO2+2RNH2⇄ (RNH2)2CO2, (3)
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
Парогазовую смесь "CO2 + H2O" подученного осотова предварительно подогревают в теплообменниках-рекуператорах 10, 11 и подвергают электрохимическому восстановлению путем электролиза в высокотемпературном электролизном аппарате 12 с твердотельным оксидным электролитом 13, на основе, например, окислов циркония ZrO2, иттрия Y2O3 иди скандия Sc203.
В процессе
восстановления на катоде 14 получают смесь
водорода и окиси углерода:
nH2O + CО2 + 2 (1+n) е nН2 + СО + (1+n) О2-.
Кислород
мигрирует через оксидный злектролит и выделяется
на аноде:
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≥ 1120 К (F 28,8 а-ч число Фарадея).
На фиг. 2 приведена схема реализации способа в случае "холодных" отходящих газов о температурой Тг≅3ОО К, где 1 газовые отходы, содержащие СО2; 2 испаритель-генератор паров воды; 3 теплообменник "газ-пар"; 4 газоразделительный мембранный аппарат; 5 газоразделительная мембрана; 8 силовая пористая подложка мембраны; 7 газовый выброс в атмосферу; 8 вакуум-насос; 9 конденсатор-теплообменник паров воды; 10 - высокотемпературный электролизер газов; 11 циркуляционный гидронасос теплоносителя.
Остальные элементы схемы аналогичны элементам на фиг.1.
В данной схеме "холодные" (Т2≅3ОО К) дымовые газы подают через теплообменник 3 непосредственно в газоразделительный аппарат, а пары воды генерируют в испарителе 2 при пониженном давлении (Рисп≅ 40 ГПа) и температуре Тисп<300 K, используя тепло конденсации из теплообменника 9.
Процесс сепарации диоксида углерода в аппарате 4 осуществляют через селективную газоразделительную мембрану 5 в подмембранное пространство, заполненное парами воды с пониженным давлением (Р≅ 40 ГПа).
Откачку паров воды и сепарированного диоксида углерода из подмембранного пространства осуществляют вакуум-насосом б, выдерживая требующееся соотношение H2O СО2≥ 2,3. Полученную парогазовую смесь нормируют по составу путем конденсации паров при З54 362 К в конденсаторе-теплообменнике 6 при атмосферном давлении аналогично предыдущей схеме 1. Тепло конденсации паров используют для испарения воды в парогенераторе 2 с помощью контура промежуточного теплоносителя, включающего циркуляционный насос 11.
Восстановление смеси "CO2+H2O" производят в высокотемпературном электролизере 10 аналогично схеме 1.
Общая концепция применения способа в промышленности (фиг.3) заключается в регенерации углеводородных веществ из продуктов сгорания о помощью возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, гидроэнергии, атомной и термоядерной энергии).
В экологическом аспекте при использовании солнечной энергии (в том числе ветровой, гидравлической и т.п. первоисточником которых является солнце) роль способа полностью аналогична роли зеленых растений в регенерации кислорода земной атмосферы с той только разницей, что КПД описываемого технологического процесса в 25 5О раз выше, чем в процессе естественного фотосинтеза. ЫЫЫ2
Реферат
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 H
