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EP3307700A1 - Process and system for chemical synthesis - Google Patents

Process and system for chemical synthesis

Info

Publication number
EP3307700A1
EP3307700A1 EP16745693.8A EP16745693A EP3307700A1 EP 3307700 A1 EP3307700 A1 EP 3307700A1 EP 16745693 A EP16745693 A EP 16745693A EP 3307700 A1 EP3307700 A1 EP 3307700A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
product mixture
energy
synthesis
synthesis reactor
compression
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16745693.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Alexander Tremel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP3307700A1 publication Critical patent/EP3307700A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C29/00—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring
    • C07C29/15—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of oxides of carbon exclusively
    • C07C29/151—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of oxides of carbon exclusively with hydrogen or hydrogen-containing gases
    • C07C29/1512—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of oxides of carbon exclusively with hydrogen or hydrogen-containing gases characterised by reaction conditions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/0005—Catalytic processes under superatmospheric pressure
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C31/00—Saturated compounds having hydroxy or O-metal groups bound to acyclic carbon atoms
    • C07C31/02—Monohydroxylic acyclic alcohols
    • C07C31/04—Methanol
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00539—Pressure

Definitions

  • the present invention relates to a method and a plant for carrying out an exothermic chemical synthesis, in particular the methanol synthesis, in which methanol in a Synthe ⁇ sereaktor from the starting materials hydrogen and a carbon-containing gas is generated ⁇ .
  • reaction products methanol and water are liquid, they can continuously the equilibrium depleted methanol synthesis reaction can be withdrawn.
  • a disadvantage of the process described is that the compression of the educts hydrogen and carbon dioxide to the desired pressure requires a high expenditure of energy, whereby the economic applicability is significantly reduced.
  • the object of the present invention is to provide a synthesis process and an installation for the synthesis which reduce the aforementioned disadvantage.
  • This object is achieved by a Ver ⁇ drive with the features of claim 1 concerning the method.
  • gaseous starting materials are compressed and brought to a working pressure of at least 200 bar, in particular between 250 bar and 500 bar.
  • the starting materials react to give a product mixture which is at least largely liquid in the synthesis reactor.
  • the product mixture which also typically contains small admixtures of the educts in dissolved form, is removed from the synthesis reactor. Furthermore, the product mixture is deprived of mechanical energy by lowering the pressure. This energy is used for the compression of the educts.
  • the plant according to the invention for chemical synthesis ⁇ includes a device for the compression of educts to a working pressure of at least 200 barWeiterhin the system comprises a synthesis reactor, means for supplying the reactants to the synthesis reactor and means for discharging a liquid product mixture from the synthesis reactor. Finally, the plant comprises a device for the removal of mechanical Energy from the product mixture through pressure reduction and transfer of energy to the device for compression.
  • the product mixture can be brought at least partially in the gaseous phase before the removal of energy.
  • the means for removing the energy can beispielswei ⁇ se be a turbine, a screw expander or a piston expander.
  • a reciprocating compressor can be used, initiated in the gaseous parts of the product mixture as a drive gas to remove the energy who ⁇ .
  • the product mixture advantageously operates the compression directly without detour via an intermediate form of energy such as electrical energy.
  • a turbine system In order to remove the energy from the at least partially gas ⁇ shaped product mixture, a turbine system may be used.
  • gaseous parts of the envisionge ⁇ premixture for removal of the energy by the turbine plant directed and thus provided kinetic energy.
  • the Be ⁇ wegungs energie can now be used to generate electrical energy by means of a generator mechanically connected to the turbine system.
  • the electrical energy is then at least partially verwen ⁇ det for compression.
  • the advantage here is that the electrical energy is versatile.
  • the turbine system may be directly connected via a shaft mecha nically ⁇ with a compressor used for the compression of the starting materials.
  • the compression also works without detours via electrical energy.
  • the product mixture can be expanded in a valve to lower pressure. Further, before, during and / or heat from the synthesis reactor or even from the product mixture, at an upstream location, and fed to the product mixture ⁇ Pro after relaxation.
  • the removal of energy from the at least partially gas ⁇ shaped product mixture can also be done in several stages. In this case, after removal of the product mixture, two or more turbine systems are run through. In this case, before passing through each of the turbines, heat can be supplied to the product mixture from the synthesis reactor in order to increase the gaseous fraction of the product mixture and / or to achieve overheating.
  • FIG. 1 shows a plant for the synthesis of methanol with a Kol ⁇ benver Actuallyr
  • Figure 2 shows a plant for the synthesis of methanol with a tur ⁇ binenstrom
  • FIG. 3 shows a plant for methanol synthesis with a multi- stage process for generating electricity.
  • FIG. 1 shows a first exemplary system 10 for
  • the system 10 are fed educts in the form of carbon dioxide 13 and hydrogen 14.
  • the hydrogen 14 comes from an electrolysis plant.
  • water is split into hydrogen and oxygen.
  • electricity from renewable energies is used or surplus electricity that is generated when there is a large supply of renewable energies and at the same time low demand for electricity.
  • the educts are fed to a piston compressor 12 in the first step.
  • the piston compressor 12 brings the educts to ei ⁇ nen working pressure of 300 bar. Under this pressure, the reactants are fed via a feed line into the synthesis reactor 11.
  • the conversion to methanol and water according to the above-mentioned reaction formula 1 takes place. While the educts remain gaseous at the working pressure of 300 bar, the products methanol and water are liquid at this pressure and at the temperatures used of 200 ° C to 300 ° C. They therefore settle in a collection zone 17 and can be removed from there from the synthesis reactor 11.
  • the exact reaction procedure within the synthesis Actors 11 is irrelevant to the invention and will therefore not be further described.
  • the product mixture of methanol, water, by-products and admixtures of the educts is passed in a laxative line 16 to a valve 15, at which the product mixture is expanded to a lower pressure of for example 100 bar.
  • the product mixture may already become partially gaseous.
  • a heat exchanger 18 in Synthe ⁇ sereaktor 11 and a heat exchanger coupled thereto 19 heat is removed from the synthesis reactor 11 and fed to the product mixture behind the valve 15, whereby a further part of the product mixture is gaseous.
  • the gaseous portion of the product mixture will be the reciprocating compressor 12 supplied ⁇ leads and drives there the compaction of the starting materials.
  • the pressure-charged product mixture serves as a drive medium for the compression of the educts via a mechanical piston system. As a result, the product mixture is fed to further processing.
  • the heat exchanger 18 in the synthesis reactor 11 can be designed, for example, as part of the cooling structure, not shown, for the synthesis reactor 11.
  • the cooling structure is used to keep the temperature in the synthesis reactor 11 at the end of the exothermic reaction according to reaction formula 1 in the ge ⁇ desired range. Since heat has to be dissipated anyway, it is advantageous to use these to supply heat to the product mixture and thus to bring larger proportions into the gaseous phase.
  • the methanol synthesis is performed on a work ⁇ pressure, which can be liquid products.
  • DA by the reaction products of the reaction formula 1 are ste ⁇ tig removed from the reaction so that the equilibrium is strongly shifted towards the products.
  • the reaction products do not have to pass through the synthesis Reactor 11 are led to achieve a good implementation.
  • the increased energy expenditure in providing the educts at the working pressure of 300 bar is again absorbed by using energy of the product mixture, which is also under the high working pressure.
  • the waste heat of the synthesis reaction is also advantageously used by being fed to the product mixture.
  • FIG. 1 Another embodiment of the invention is shown in FIG.
  • the system 20 according to Figure 2 corresponds here in ⁇ in parts of the system 10 of the first embodiment.
  • the system 20 of the second exemplary embodiment comprises a further heat exchanger 21, which is arranged in the outgoing line 16 upstream of the valve 15. This takes the product mixture heat and leads them to the valve 15 in the heat exchanger 19 again.
  • the product mixture is supplied in this embodiment, a turbine unit 22 to drive the compression of the educts.
  • the turbine unit 22 is mechanically coupled via a shaft directly to a compressor 23, which brings the educts to the working pressure.
  • the turbine installation 22 can also be used in parallel with the generation of electricity, in that it is additionally connected to a generator, which is not shown in FIG. 2, however.
  • the genes ⁇ rator may also be designed as a motor and thus provide additional electrical energy from an external source for compression. Since the product mixture is under a considerable working pressure, a further improved utilization of the energy can take place, in which a multi-stage process is used.
  • a corresponding system 30 according to a third embodiment ⁇ example of the invention is shown in Figure 3.
  • the plant 30 contains, like the plants 10, 20 already described, a synthesis reactor 11 with collecting area 17 and a heat exchanger 18 on the synthesis reactor 11.
  • a turbine system 22 is similar to the second plant 20 the product ⁇ mixture fed, before heat is conducted from the synthesis reactor 11 by means of the heat exchanger 19 to ⁇ . After passing through the turbine system 22, however, in contrast to the previously described systems 10, 20, the product mixture of a further turbine plant
  • the two-stage process can also be extended to more than two stages .
  • the turbine systems 22, 31 feed it directly or indirectly as described previously, the compres sion ⁇ the starting materials and also useful, for example, an overall erator for generating electrical energy.
  • the compression of the educts can be done in several stages.
  • the product mixture is not brought into the gaseous phase, but instead leads directly to an engine such as a turbine in liquid form ⁇ leads. Due to the high temperature of the product mixture, partial vaporization of the products in the product mixture may occur in the engine. That can be accepted; Alternatively, the product mixture can be cooled before being introduced into the engine but also by means of an intermediate heat exchanger.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

A synthesis process and a system for chemical synthesis are disclosed. The synthesis is carried out at a minimum operating pressure of 200 bar. According to the invention, mechanical energy is tapped from the product mixture of the synthesis and is used for compressing the feedstock to the operating pressure.

Description

Beschreibung description

Verfahren und Anlage für eine chemische Synthese Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anlage zur Durchführung einer exothermen chemischen Synthese, insbesondere der Methanolsynthese, bei der Methanol in einem Synthe¬ sereaktor aus den Edukten Wasserstoff und einem kohlenstoff¬ haltigen Gas erzeugt wird. Method and apparatus for chemical synthesis The present invention relates to a method and a plant for carrying out an exothermic chemical synthesis, in particular the methanol synthesis, in which methanol in a Synthe ¬ sereaktor from the starting materials hydrogen and a carbon-containing gas is generated ¬.

Durch die zunehmende Erzeugung von Strom aus erneuerbaren, fluktuierenden Energiequellen (Solar- und Windenergie) kann es zu Zeiten kommen, in denen die Stromerzeugung den aktuellen Stromverbrauch übersteigt. Unter Verwendung des dann günstig verfügbaren Überschussstroms kann in solchen Zeiten beispielsweise Wasserstoff über eine Wasserstoffelektrolyse hergestellt werden. Zusammen mit einer Kohlenstoffquelle, beispielsweise Kohlendioxid C02 ist dann auch die Herstellung von Syntheseprodukten wie Methanol möglich. Folgende chemi- sehe Reaktion wird dabei verwendet: Increased generation of electricity from renewable, fluctuating energy sources (solar and wind energy) can occur at times when power generation exceeds current power consumption. For example, by using the excess current then conveniently available, hydrogen can be produced via hydrogen electrolysis at such times. Together with a carbon source, such as carbon dioxide C02 then the production of synthesis products such as methanol is possible. The following chemical reaction is used:

C02 + 3 H2 -> CH3OH + H20 (Reaktionsformel 1) C0 2 + 3 H 2 -> CH 3 OH + H 2 O (Reaction Formula 1)

Bei dieser Reaktion liegt das chemische Gleichgewicht weitge- hend auf der linken Seite, so dass sich unter üblichen Reaktionsbedingungen von 200 bis 300 °C und 30 bis 80 bar Druck nur ein sehr geringer Umsatz der Edukte beim Durchgang durch den Reaktor ergibt. Eine Erhöhung des Reaktionsdrucks führt allerdings zu einer Verschiebung des Reaktionsgleichgewichts auf die rechte Seite, wie aus Tidona, B. et al . (2013), "C02 hydrogenation to methanol at pressures up to 950 bar", Jour¬ nal of Supercritical Fluids 78, S. 70-77 bekannt ist. Schon ein Druck von ca. 300 bar führt dazu, dass das Reaktions¬ gleichgewicht nahezu vollständig auf der Seite der Produkte Methanol und Wasser liegt. Somit werden hohe Umsätze beim einfachen Durchgang durch den Synthesereaktor erreicht. Dadurch, dass die Reaktionsprodukte Methanol und Wasser flüssig vorliegen, können sie kontinuierlich der gleichgewichtslimi- tierten Methanol-Synthese-Reaktion entzogen werden. Nachteilig an dem beschriebenen Verfahren ist, dass die Kompression der Edukte Wasserstoff und Kohlendioxid auf den gewünschten Druck einen hohen Energieaufwand erfordert, wodurch die wirt- schaftliche Anwendbarkeit deutlich vermindert wird. In this reaction, the chemical equilibrium is largely on the left side, so that under normal reaction conditions of 200 to 300 ° C and 30 to 80 bar pressure results in only a very low conversion of the reactants in the passage through the reactor. An increase in the reaction pressure, however, leads to a shift of the reaction equilibrium to the right side, as is known from Tidona, B. et al. (2013), "C02 hydrogenation to methanol at Pressures up to 950 bar," Jour nal ¬ of Supercritical Fluids 78, pp 70-77 is known. Even a pressure of approximately 300 bar means that the reaction is ¬ balance almost completely on the side of the products methanol and water. Thus, high conversions are achieved in the simple passage through the synthesis reactor. The fact that the reaction products methanol and water are liquid, they can continuously the equilibrium depleted methanol synthesis reaction can be withdrawn. A disadvantage of the process described is that the compression of the educts hydrogen and carbon dioxide to the desired pressure requires a high expenditure of energy, whereby the economic applicability is significantly reduced.

Auch bei anderen chemischen Syntheseverfahren, bei denen flüssige Produkte unter hohem Druck entstehen, ergibt sich das gleiche Problem. The same problem also arises in other chemical synthesis processes in which liquid products are produced under high pressure.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Syntheseverfahren sowie eine Anlage für die Synthese anzugeben, die den eingangs genannten Nachteil verringern. Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Ver¬ fahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich der Anlage besteht eine Lösung in der Anlage mit den Merkma¬ len von Anspruch 10. Bei dem erfindungsgemäßen Syntheseverfahren werden gasförmige Edukte komprimiert und auf einen Arbeitsdruck von wenigstens 200 bar, insbesondere zwischen 250 bar und 500 bar, gebracht. Im Synthesereaktor reagieren die Edukte zu einem Produktgemisch, das im Synthesereaktor wenigstens weitgehend flüssig vorliegt. Das Produktgemisch, das auch typischerweise geringe Beimengungen der Edukte in gelöster Form enthält, wird aus dem Synthesereaktor abgeführt. Weiterhin wird dem Produktgemisch durch Druckabsenkung mechanische Energie entzogen. Diese Energie wird für die Kompression der Edukte verwendet. The object of the present invention is to provide a synthesis process and an installation for the synthesis which reduce the aforementioned disadvantage. This object is achieved by a Ver ¬ drive with the features of claim 1 concerning the method. With regard to the system, there is a solution in the system with the Merkma ¬ len of claim 10. In the synthesis method of the invention gaseous starting materials are compressed and brought to a working pressure of at least 200 bar, in particular between 250 bar and 500 bar. In the synthesis reactor, the starting materials react to give a product mixture which is at least largely liquid in the synthesis reactor. The product mixture, which also typically contains small admixtures of the educts in dissolved form, is removed from the synthesis reactor. Furthermore, the product mixture is deprived of mechanical energy by lowering the pressure. This energy is used for the compression of the educts.

Die erfindungsgemäße Anlage für die chemische Synthese um¬ fasst eine Einrichtung zur Kompression von Edukten auf einen Arbeitsdruck von wenigstens 200 barWeiterhin umfasst die Anlage einen Synthesereaktor, Mittel zum Zuführen der Edukte zum Synthesereaktor und Mittel zum Abführen eines flüssigen Produktgemischs aus dem Synthesereaktor. Schließlich umfasst die Anlage eine Einrichtung zur Entnahme von mechanischer Energie aus dem Produktgemisch durch Druckabsenkung und Weitergabe der Energie an die Einrichtung zur Kompression. The plant according to the invention for chemical synthesis ¬ includes a device for the compression of educts to a working pressure of at least 200 barWeiterhin the system comprises a synthesis reactor, means for supplying the reactants to the synthesis reactor and means for discharging a liquid product mixture from the synthesis reactor. Finally, the plant comprises a device for the removal of mechanical Energy from the product mixture through pressure reduction and transfer of energy to the device for compression.

Mit dem erfindungsgemäßen Syntheseverfahren und der erfindungsgemäßen Anlage wird vorteilhaft eine Verringerung der Energie erreicht, die von außen zugeführt werden muss. Grund ist, dass wenigstens ein Teil der Energie, die zur Kompressi¬ on der Edukte auf den nötigen Druck erforderlich ist, aus dem Produktgemisch entnommen wird. Der hohe Eingangsdruck der Edukte ist hierfür vorteilhaft, da dem dann flüssigen Pro¬ duktgemisch viel mechanische Energie entnommen werden kann. With the synthesis method according to the invention and the system according to the invention advantageously a reduction of the energy is achieved, which must be supplied from the outside. This is because at least part of the energy that is necessary for Kompressi ¬ on the starting materials to the required pressure, is withdrawn from the product mixture. The high inlet pressure of the starting materials for this is advantageous since the liquid then Pro much mechanical energy can be extracted ¬ product mixture.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei können die Ausführungsform nach den unabhängigen Ansprüchen mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden : Advantageous embodiments of the device according to the invention will become apparent from the dependent claims. The embodiment according to the independent claims can be combined with the features of one of the subclaims or preferably also with those of several subclaims. Accordingly, the following features can additionally be provided:

- Das Produktgemisch kann vor der Entnahme der Energie wenigstens teilweise in die gasförmige Phase gebracht werden. - The product mixture can be brought at least partially in the gaseous phase before the removal of energy.

- Die Einrichtung zur Entnahme der Energie kann beispielswei¬ se eine Turbine, ein Schraubenexpander oder ein Kolbenexpander sein. - The means for removing the energy can beispielswei ¬ se be a turbine, a screw expander or a piston expander.

- Zur Kompression der Edukte kann ein Kolbenverdichter verwendet werden, in den gasförmige Teile des Produktgemischs als Antriebsgas zur Entnahme der Energie eingeleitet wer¬ den. Hierbei betreibt das Produktgemisch vorteilhaft die Verdichtung direkt ohne Umweg über eine zwischengeschaltete Energieform wie beispielsweise elektrische Energie. - For compressing the educts, a reciprocating compressor can be used, initiated in the gaseous parts of the product mixture as a drive gas to remove the energy who ¬ . Here, the product mixture advantageously operates the compression directly without detour via an intermediate form of energy such as electrical energy.

- Zur Entnahme der Energie aus dem wenigstens teilweise gas¬ förmigen Produktgemisch kann auch eine Turbinenanlage verwendet werden. Dabei werden gasförmige Teile des Produktge¬ mischs zur Entnahme der Energie durch die Turbinenanlage geleitet und somit Bewegungsenergie bereitgestellt. Die Be¬ wegungsenergie kann nun genutzt werden, um mittels eines mit der Turbinenanlage mechanisch verbundenen Generators elektrische Energie zu erzeugen. Die elektrische Energie wird dann wenigstens teilweise für die Kompression verwen¬ det. Vorteilhaft ist hierbei, dass die elektrische Energie vielseitig verwendbar ist. - In order to remove the energy from the at least partially gas ¬ shaped product mixture, a turbine system may be used. In this case, gaseous parts of the Produktge ¬ premixture for removal of the energy by the turbine plant directed and thus provided kinetic energy. The Be ¬ wegungsenergie can now be used to generate electrical energy by means of a generator mechanically connected to the turbine system. The electrical energy is then at least partially verwen ¬ det for compression. The advantage here is that the electrical energy is versatile.

- Alternativ kann die Turbinenanlage über eine Welle mecha¬ nisch direkt mit einem Verdichter verbunden sein, der zur Kompression der Edukte verwendet wird. Hierbei funktioniert die Kompression ebenfalls ohne Umwege über elektrische Energie . - Alternatively, the turbine system may be directly connected via a shaft mecha nically ¬ with a compressor used for the compression of the starting materials. Here, the compression also works without detours via electrical energy.

- Zum wenigstens teilweisen Überführen des Produktgemischs in die gasförmige Phase kann das Produktgemisch in einem Ventil zu geringerem Druck entspannt werden. Weiterhin kann vor, während und/oder nach der Entspannung Wärme aus dem Synthesereaktor oder aus dem Produktgemisch selbst, an einer stromaufwärts gelegenen Stelle, entnommen und dem Pro¬ duktgemisch zugeführt werden. - For at least partial transfer of the product mixture in the gaseous phase, the product mixture can be expanded in a valve to lower pressure. Further, before, during and / or heat from the synthesis reactor or even from the product mixture, at an upstream location, and fed to the product mixture ¬ Pro after relaxation.

- Die Entnahme der Energie aus dem wenigstens teilweise gas¬ förmigen Produktgemisch kann auch mehrstufig erfolgen. Dabei werden nach Abführung des Produktgemischs zwei oder mehr Turbinenanlagen durchlaufen. Dabei kann vor dem Durchlaufen jeder der Turbinenanlagen dem Produktgemisch Wärme aus dem Synthesereaktor zugeführt werden, um den gasförmigen Anteil des Produktgemisches zu erhöhen und/oder eine Überhitzung zu erreichen. - The removal of energy from the at least partially gas ¬ shaped product mixture can also be done in several stages. In this case, after removal of the product mixture, two or more turbine systems are run through. In this case, before passing through each of the turbines, heat can be supplied to the product mixture from the synthesis reactor in order to increase the gaseous fraction of the product mixture and / or to achieve overheating.

- Das Verfahren ist besonders geeignet für die - The method is particularly suitable for the

Methanolsynthese, bei der als Edukte ein kohlenstoffhalti¬ ges Gas, insbesondere Kohlendioxid, und Wasserstoff, ver¬ wendet werden. Im Synthesereaktor reagieren die Edukte gemäß der Reaktionsformel 1 zu einem Teil zu Methanol und Wasser . Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor. Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispie¬ len unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils in schematisierter Form Methanol synthesis, in which as educts a kohlenstoffhalti ¬ ges gas, especially carbon dioxide, and hydrogen, ver ¬ are used. In the synthesis reactor react the reactants according to the reaction formula 1 to a part to methanol and water. Further advantageous embodiments will become apparent from the sub-claims not mentioned above. The invention will be described below with reference to preferred Ausführungsbeispie ¬ len with reference to the drawings even further. In each case show in schematic form

Figur 1 eine Anlage für die Methanolsynthese mit einem Kol¬ benverdichter, Figur 2 eine Anlage für die Methanolsynthese mit einer Tur¬ binenanlage, 1 shows a plant for the synthesis of methanol with a Kol ¬ benverdichter, Figure 2 shows a plant for the synthesis of methanol with a tur ¬ binenanlage,

Figur 3 eine Anlage für die Methanolsynthese mit einem mehr¬ stufigen Prozess zur Stromerzeugung. FIG. 3 shows a plant for methanol synthesis with a multi- stage process for generating electricity.

Figur 1 zeigt einer erste beispielhafte Anlage 10 zur FIG. 1 shows a first exemplary system 10 for

Methanolerzeugung. Der Anlage 10 werden Edukte in Form von Kohlendioxid 13 und Wasserstoff 14 zugeführt. Im vorliegenden Beispiel stammt der Wasserstoff 14 aus einer Elektrolyseanla- ge . In der in Figur 1 nicht dargestellten Elektrolyseanlage wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Dabei wird in diesem Beispiel Strom aus erneuerbaren Energien verwendet oder überschüssiger Strom, der bei großem Angebot erneuerbarer Energien bei gleichzeitiger geringer Nachfrage nach Strom anfällt. Methanol production. The system 10 are fed educts in the form of carbon dioxide 13 and hydrogen 14. In the present example, the hydrogen 14 comes from an electrolysis plant. In the electrolysis plant, not shown in Figure 1, water is split into hydrogen and oxygen. In this example, electricity from renewable energies is used or surplus electricity that is generated when there is a large supply of renewable energies and at the same time low demand for electricity.

Die Edukte werden im ersten Schritt einem Kolbenverdichter 12 zugeführt. Der Kolbenverdichter 12 bringt die Edukte auf ei¬ nen Arbeitsdruck von 300 bar. Unter diesem Druck werden die Edukte über eine Zuleitung in den Synthesereaktor 11 geführt. Im Synthesereaktor 11 findet die Umsetzung zu Methanol und Wasser gemäß der eingangs angeführten Reaktionsformel 1 statt. Während die Edukte bei dem Arbeitsdruck von 300 bar gasförmig bleiben, sind die Produkte Methanol und Wasser bei diesem Druck und den verwendeten Temperaturen von 200 °C bis 300 °C flüssig. Sie setzen sich daher in einer Sammelzone 17 ab und können von dort aus dem Synthesereaktor 11 abgeführt werden. Die genaue Reaktionsführung innerhalb des Synthesere- aktors 11 ist für die Erfindung unerheblich und wird deshalb nicht weiter beschrieben. The educts are fed to a piston compressor 12 in the first step. The piston compressor 12 brings the educts to ei ¬ nen working pressure of 300 bar. Under this pressure, the reactants are fed via a feed line into the synthesis reactor 11. In the synthesis reactor 11, the conversion to methanol and water according to the above-mentioned reaction formula 1 takes place. While the educts remain gaseous at the working pressure of 300 bar, the products methanol and water are liquid at this pressure and at the temperatures used of 200 ° C to 300 ° C. They therefore settle in a collection zone 17 and can be removed from there from the synthesis reactor 11. The exact reaction procedure within the synthesis Actors 11 is irrelevant to the invention and will therefore not be further described.

Das Produktgemisch aus Methanol, Wasser, Nebenprodukten und Beimengungen der Edukte wird in einer abführenden Leitung 16 zu einem Ventil 15 geführt, an dem das Produktgemisch auf einen geringeren Druck von beispielsweise 100 bar entspannt wird. Dabei kann das Produktgemisch je nach verbleibender Temperatur und Druck hinter dem Ventil 15 bereits teilweise gasförmig werden. Mittels eines Wärmetauschers 18 im Synthe¬ sereaktor 11 und eines damit gekoppelten Wärmetauschers 19 wird dem Synthesereaktor 11 Wärme entnommen und dem Produktgemisch hinter dem Ventil 15 zugeführt, wodurch ein weiterer Teil des Produktgemischs gasförmig wird. Der gasförmige Teil des Produktgemischs wird nun dem Kolbenverdichter 12 zuge¬ führt und treibt dort die Verdichtung der Edukte. Dabei dient das druckaufgeladene Produktgemisch als Antriebsmedium zur Kompression der Edukte über ein mechanisches Kolbensystem. In der Folge wird das Produktgemisch der weiteren Aufbereitung zugeführt. The product mixture of methanol, water, by-products and admixtures of the educts is passed in a laxative line 16 to a valve 15, at which the product mixture is expanded to a lower pressure of for example 100 bar. Depending on the remaining temperature and pressure behind the valve 15, the product mixture may already become partially gaseous. By means of a heat exchanger 18 in Synthe ¬ sereaktor 11 and a heat exchanger coupled thereto 19 heat is removed from the synthesis reactor 11 and fed to the product mixture behind the valve 15, whereby a further part of the product mixture is gaseous. The gaseous portion of the product mixture will be the reciprocating compressor 12 supplied ¬ leads and drives there the compaction of the starting materials. The pressure-charged product mixture serves as a drive medium for the compression of the educts via a mechanical piston system. As a result, the product mixture is fed to further processing.

Der Wärmetauscher 18 im Synthesereaktor 11 kann dabei beispielsweise als Teil des nicht dargestellten Kühlaufbaus für den Synthesereaktor 11 ausgeführt sein. Der Kühlaufbau wird dafür verwendet, die Temperatur im Synthesereaktor 11 bei Ablauf der exothermen Reaktion gemäß Reaktionsformel 1 im ge¬ wünschten Bereich zu halten. Da dabei ohnehin Wärme abgeführt werden muss, ist es vorteilhaft, diese dazu einzusetzen, dem Produktgemisch Wärme zuzuführen und somit größere Anteile in die gasförmige Phase zu bringen. The heat exchanger 18 in the synthesis reactor 11 can be designed, for example, as part of the cooling structure, not shown, for the synthesis reactor 11. The cooling structure is used to keep the temperature in the synthesis reactor 11 at the end of the exothermic reaction according to reaction formula 1 in the ge ¬ desired range. Since heat has to be dissipated anyway, it is advantageous to use these to supply heat to the product mixture and thus to bring larger proportions into the gaseous phase.

In der beschriebenen Weise werden mehrere Vorteile reali¬ siert: Zum einen wird die Methanolsynthese bei einem Arbeits¬ druck ausgeführt, der die Produkte flüssig werden lässt. Da- durch werden die Reaktionsprodukte der Reaktionsformel 1 ste¬ tig der Reaktion entzogen, wodurch die Gleichgewichtslage stark in Richtung der Produkte verschoben wird. Dadurch müssen die Reaktionsprodukte nicht mehrfach durch den Synthese- reaktor 11 geführt werden, um eine gute Umsetzung zu erreichen. Der erhöhte energetische Aufwand bei der Bereitstellung der Edukte bei dem Arbeitsdruck von 300 bar wird wiederum aufgefangen, indem Energie des Produktgemischs , das ebenfalls unter dem hohen Arbeitsdruck steht, verwendet wird. Gleichzeitig wird auch vorteilhaft die Abwärme der Synthesereaktion verwendet, indem sie dem Produktgemisch zugeführt wird. In the manner described several advantages are reali ¬ Siert: First, the methanol synthesis is performed on a work ¬ pressure, which can be liquid products. DA by the reaction products of the reaction formula 1 are ste ¬ tig removed from the reaction so that the equilibrium is strongly shifted towards the products. As a result, the reaction products do not have to pass through the synthesis Reactor 11 are led to achieve a good implementation. The increased energy expenditure in providing the educts at the working pressure of 300 bar is again absorbed by using energy of the product mixture, which is also under the high working pressure. At the same time, the waste heat of the synthesis reaction is also advantageously used by being fed to the product mixture.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Erfindung ist in Fi- gur 2 dargestellt. Die Anlage 20 gemäß Figur 2 entspricht da¬ bei in Teilen der Anlage 10 des ersten Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zur Anlage 10 umfasst die Anlage 20 des zwei¬ ten Ausführungsbeispiels jedoch einen weiteren Wärmetauscher 21, der in der abführenden Leitung 16 vor dem Ventil 15 ange- ordnet ist. Dieser entnimmt dem Produktgemisch Wärme und führt sie nach dem Ventil 15 im Wärmetauscher 19 wieder zu. Another embodiment of the invention is shown in FIG. The system 20 according to Figure 2 corresponds here in ¬ in parts of the system 10 of the first embodiment. In contrast to the system 10, however, the system 20 of the second exemplary embodiment comprises a further heat exchanger 21, which is arranged in the outgoing line 16 upstream of the valve 15. This takes the product mixture heat and leads them to the valve 15 in the heat exchanger 19 again.

Weiterhin wird das Produktgemisch in diesem Ausführungsbeispiel einer Turbinenanlage 22 zugeführt, um die Kompression der Edukte anzutreiben. Die Turbinenanlage 22 ist mechanisch über eine Welle direkt gekoppelt mit einem Verdichter 23, der die Edukte auf den Arbeitsdruck bringt. Vorteilhaft kann die Turbinenanlage 22 auch parallel zur Erzeugung von Strom genutzt werden, indem sie zusätzlich mit einem Generator ver- bunden wird, der in Figur 2 aber nicht gezeigt ist. Der Gene¬ rator kann auch als Motor ausgeführt sein und damit zusätzlich elektrische Energie aus einer externen Quelle für die Kompression bereitstellen. Da das Produktgemisch unter einem erheblichen Arbeitsdruck steht, kann eine weiter verbesserte Ausnutzung der Energie stattfinden, in dem ein mehrstufiger Prozess verwendet wird. Eine entsprechende Anlage 30 nach einem dritten Ausführungs¬ beispiel für die Erfindung ist in Figur 3 dargestellt. Die Anlage 30 enthält wie die bereits beschriebenen Anlagen 10, 20 einen Synthesereaktor 11 mit Sammelbereich 17 und einen Wärmetauscher 18 am Synthesereaktor 11. Bei der Anlage 30 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist die Zuführung der Edukte zum Synthesereaktor 11 nicht gezeigt . Hier wird ähnlich wie bei der zweiten Anlage 20 das Produkt¬ gemisch einer Turbinenanlage 22 zugeführt, wobei davor Wärme aus dem Synthesereaktor 11 mittels des Wärmetauschers 19 zu¬ geführt wird. Nach Durchtritt durch die Turbinenanlage 22 wird jedoch im Unterschied zu den vorher beschriebenen Anla- gen 10, 20 das Produktgemisch einer weiteren TurbinenanlageFurthermore, the product mixture is supplied in this embodiment, a turbine unit 22 to drive the compression of the educts. The turbine unit 22 is mechanically coupled via a shaft directly to a compressor 23, which brings the educts to the working pressure. Advantageously, the turbine installation 22 can also be used in parallel with the generation of electricity, in that it is additionally connected to a generator, which is not shown in FIG. 2, however. The genes ¬ rator may also be designed as a motor and thus provide additional electrical energy from an external source for compression. Since the product mixture is under a considerable working pressure, a further improved utilization of the energy can take place, in which a multi-stage process is used. A corresponding system 30 according to a third embodiment ¬ example of the invention is shown in Figure 3. The plant 30 contains, like the plants 10, 20 already described, a synthesis reactor 11 with collecting area 17 and a heat exchanger 18 on the synthesis reactor 11. In the system 30 according to the third embodiment, the supply of the educts to the synthesis reactor 11 is not shown. Here, a turbine system 22 is similar to the second plant 20 the product ¬ mixture fed, before heat is conducted from the synthesis reactor 11 by means of the heat exchanger 19 to ¬. After passing through the turbine system 22, however, in contrast to the previously described systems 10, 20, the product mixture of a further turbine plant

31 zugeführt, wobei vor Eintritt in die weitere Turbinenanla¬ ge 31 dem Produktgemisch weitere Wärme aus dem Synthesereaktor 11 mittels eines weiteren Wärmetauschers 32 zugeführt wird . 31, wherein prior to entry into the further Turbinenanla ¬ GE 31 the product mixture further heat from the synthesis reactor 11 by means of a further heat exchanger 32 is supplied.

Der hier zweistufige Prozess kann auch auf mehr als zwei Stu¬ fen ausgedehnt werden. Die Turbinenanlagen 22, 31 speisen dabei direkt oder indirekt wie bereits beschrieben die Kompres¬ sion der Edukte und zweckmäßig auch beispielsweise einen Ge- nerator zur Erzeugung von elektrischer Energie. Auch die Kompression der Edukte kann mehrstufig erfolgen. The two-stage process can also be extended to more than two stages . The turbine systems 22, 31 feed it directly or indirectly as described previously, the compres sion ¬ the starting materials and also useful, for example, an overall erator for generating electrical energy. The compression of the educts can be done in several stages.

In einer vereinfachten Ausführungsform, die nicht in den Figuren gezeigt ist, kann auch ohne das Ventil 15 gearbeitet werden. Das Produktgemisch wird dabei nicht in die gasförmige Phase gebracht, sondern stattdessen direkt einer Kraftmaschine wie beispielsweise einer Turbine in flüssiger Form zuge¬ führt . Durch die hohe Temperatur des Produktgemischs kann es dabei in der Kraftmaschine zu einer teilweisen Verdampfung der Produkte im Produktgemisch kommen. Das kann akzeptiert werden; alternativ kann das Produktgemisch vor dem Einleiten in die Kraftmaschine aber auch mittels eines zwischengeschalteten Wärmetauschers gekühlt werden. In a simplified embodiment, which is not shown in the figures, it is also possible to work without the valve 15. The product mixture is not brought into the gaseous phase, but instead leads directly to an engine such as a turbine in liquid form ¬ leads. Due to the high temperature of the product mixture, partial vaporization of the products in the product mixture may occur in the engine. That can be accepted; Alternatively, the product mixture can be cooled before being introduced into the engine but also by means of an intermediate heat exchanger.

Claims

Patentansprüche claims 1. Verfahren zur chemischen Synthese mit den Schritten: 1. Process for chemical synthesis with the steps: - Kompression von gasförmigen Edukten auf einen Arbeitsdruck von wenigstens 200 bar,  - Compression of gaseous educts to a working pressure of at least 200 bar, - Zuführen der Edukte zu einem Synthesereaktor (11),  Feeding the educts to a synthesis reactor (11), - Abführen eines flüssigen Produktgemischs aus dem Synthese¬ reaktor (11), - discharging a liquid product mixture from the synthesis reactor ¬ (11) - Entnahme von mechanischer Energie aus dem Produktgemisch durch Druckabsenkung und Verwendung der Energie bei der Removal of mechanical energy from the product mixture by pressure reduction and use of energy in the Kompression der Edukte. Compression of the educts. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem vor der Entnahme von Energie das Produktgemisch wenigstens teilweises in die gas- förmige Phase überführt wird. 2. The method according to claim 1, wherein before the removal of energy, the product mixture is at least partially converted into the gaseous phase. 3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem zur Kompression ein Kolbenverdichter (12) verwendet wird, in den wenigstens teil¬ weise gasförmige Teile des Produktgemischs zur Entnahme der Energie eingeleitet werden. 3. The method according to claim 2, wherein for compression, a reciprocating compressor (12) is used, are introduced into the at least partially ¬ gaseous parts of the product mixture for removing the energy. 4. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem zur Entnahme der Energie aus dem wenigstens teilweise gasförmigen Produktgemisch eine Turbinenanlage (22) verwendet wird, wobei wenigstens Teile des Produktgemischs zur Entnahme der Energie durch die Turbinenanlage (22) geleitet werden. 4. The method of claim 1, wherein for removing the energy from the at least partially gaseous product mixture, a turbine plant (22) is used, wherein at least parts of the product mixture are passed to remove the energy through the turbine plant (22). 5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem ein mit der Turbinenanlage (22) verbundener Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet wird und die elektrische Energie wenigstens teilweise für die Kompression verwendet wird. A method according to claim 4, wherein a generator connected to the turbine plant (22) is used to generate electrical energy and the electrical energy is at least partially used for the compression. 6. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem ein mit der Turbinenanlage (22) über eine Welle mechanisch direkt verbundener Verdichter zur Kompression verwendet wird. 6. The method of claim 4, wherein a with the turbine plant (22) via a shaft mechanically directly connected compressor is used for compression. 7. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zum wenigstens teilweisen Überführen des Produktgemischs in die gasförmige Phase das Produktgemisch in einem Ventil (15) zu geringerem Druck entspannt wird und vor, während und/oder nach der Entspannung Wärme aus dem Synthesereaktor (11) entnommen und dem Produktgemisch zugeführt wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein for at least partially transferring the product mixture in the gaseous phase, the product mixture is expanded in a valve (15) to lower pressure and before, during and / or after the relaxation of heat from the synthesis reactor (11) removed and fed to the product mixture. 8. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zur Entnahme der Energie aus dem wenigstens teilweise gasför¬ migen Produktgemisch zwei oder mehr Turbinenanlagen (22, 31) durchlaufen werden. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein for removing the energy from the at least partially gasför ¬ shaped product mixture two or more turbine systems (22, 31) are passed. 9. Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 8, bei dem vor dem Durchlaufen jeder der Turbinenanlagen (22, 31) dem Produktgemisch Wärme aus dem Synthesereaktor (11) zugeführt wird. 9. The method according to claim 4 or 8, wherein prior to passing through each of the turbine plants (22, 31) the product mixture heat from the synthesis reactor (11) is supplied. 10. Methanolsyntheseverfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem als Edukte Wasserstoff und ein kohlen¬ stoffhaltiges Gas verwendet wird und das Produktgemisch Me¬ thanol und Wasser umfasst. 10. methanol synthesis process according to one in which hydrogen and carbon ¬-containing gas is used as the starting materials and includes the product mixture Me ¬ THANOL and water of the preceding claims. 11. Anlage (10) für die chemische Synthese mit: 11. Plant (10) for chemical synthesis with: - einer Einrichtung (12) zur Kompression von Edukten auf einen Arbeitsdruck von wenigstens 200 bar,  a device (12) for compressing educts to a working pressure of at least 200 bar, - einem Synthesereaktor (11),  a synthesis reactor (11), - Mitteln zum Zuführen der Edukte zum Synthesereaktor (11), - Mitteln zum Abführen eines flüssigen Produktgemischs aus dem Synthesereaktor (11),  - means for supplying the reactants to the synthesis reactor (11), - means for removing a liquid product mixture from the synthesis reactor (11), - einer Einrichtung zur Entnahme von mechanischer Energie aus dem Produktgemisch und Weitergabe der Energie an die Einrichtung (12) zur Kompression.  - A device for removing mechanical energy from the product mixture and transfer of energy to the device (12) for compression.
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