ES2982588T3 - Un proceso y un reactor para convertir dióxido de carbono en monóxido de carbono - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a un procedimiento para convertir dióxido de carbono e hidrógeno en una corriente de producto que comprende monóxido de carbono, agua e hidrógeno, comprendiendo el procedimiento la introducción de dióxido de carbono, hidrógeno y oxígeno en un recipiente de reacción y la realización de una reacción de desplazamiento inverso de gas agua a temperatura elevada, en el que (a) no hay catalizador presente en el recipiente de reacción, y (b) al menos una corriente de gas que comprende dióxido de carbono, una corriente de gas rica en hidrógeno y una corriente de gas rica en oxígeno se introducen en el recipiente de reacción en corrientes de alimentación separadas, en el que la corriente de gas rica en hidrógeno se introduce en el recipiente de reacción a una temperatura entre 15 y 450 °C, (c) la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno se introducen en estrecha proximidad una de otra, en el que al menos la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno se introducen en el recipiente de reacción a través de un quemador que comprende canales coaxiales para la introducción separada de las diferentes corrientes de gas, estando situado el quemador en la parte superior del recipiente de reacción, en el que el hidrógeno y el oxígeno en la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno experimentan una reacción de combustión al entrar en el recipiente de reacción, proporcionando así la energía de calentamiento necesaria para el desplazamiento inverso de gas agua. reacción; y (d) la temperatura en el recipiente de reacción se mantiene en el rango de 1000 a 1500 °C variando la relación molar de hidrógeno a oxígeno, que se introducen en el recipiente de reacción en la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno, respectivamente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Un proceso y un reactor para convertir dióxido de carbono en monóxido de carbono
Descripción
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un proceso para convertir dióxido de carbono e hidrógeno en una corriente de producto que comprende monóxido de carbono, agua e hidrógeno. Además, en la presente memoria se describe una unidad de proceso de cambio inverso de agua y gas, adecuada para su uso en dicho proceso.
El proceso y la unidad de proceso son útiles para reducir la huella de carbono de determinadas tecnologías industriales. Además, el proceso y la unidad de proceso son útiles en la producción de gas de síntesis.
Antecedentes de la invención
El aumento de la demanda de energía como resultado del crecimiento económico y el desarrollo mundiales ha contribuido a la liberación de gases de efecto invernadero a la atmósfera. El aumento de la concentración de gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono, ha provocado el calentamiento global. Es imperativo reducir la huella de carbono global para mitigar el calentamiento global y este ha sido considerado como uno de los desafíos más importantes a los que se enfrenta la humanidad en el siglo XXI. La capacidad del sistema terrestre para absorber las emisiones de gases de efecto invernadero ya se ha agotado y, según el acuerdo de París sobre el clima, las emisiones actuales deben detenerse por completo hasta 2070 aproximadamente. Para lograr estas reducciones, el escenario energético mundial debe evolucionar para alejarse de los vectores energéticos convencionales basados en combustibles fósiles y disminuir también la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera. La implementación oportuna de la transición energética requiere múltiples enfoques en paralelo. Por ejemplo, la conservación de la energía, las mejoras en la eficiencia energética y la electrificación desempeñan un papel importante, pero también los esfuerzos por utilizar dióxido de carbono para producir otros compuestos desempeñan un papel importante como sustituto de las materias primas basadas en combustibles fósiles. Por ejemplo, el gas de síntesis (es decir, una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono) puede producirse a partir de dióxido de carbono. El gas de síntesis es un elemento fundamental para producir varios productos químicos y combustibles útiles.
Históricamente, el gas de síntesis se produce normalmente a partir del reformado con vapor usando, por ejemplo, gas natural como materia prima u oxidación parcial de la materia prima de residuos de carbón o petróleo pesado. Todos estos procesos implican la producción de dióxido de carbono como subproducto de las reacciones de reformado con vapor o reacciones de oxidación parcial. Para reducir realmente las concentraciones de dióxido de carbono, la utilización de materias primas a base de combustibles fósiles no es una solución viable. Como alternativa, la reacción de desplazamiento inverso de agua-gas (RWGS) se puede usar para preparar gas de síntesis, usando dióxido de carbono como material de partida. Sin embargo, la reacción del dióxido de carbono con el hidrógeno a través de la reacción RWGS para producir monóxido de carbono y agua es de naturaleza endotérmica. Se debe suministrar suficiente energía térmica a los reactivos (es decir, dióxido de carbono e hidrógeno) para facilitar la reacción RWGS endotérmica. Una cantidad sustancial de monóxido de carbono se produce a partir del dióxido de carbono a temperaturas superiores a 600 °C y alcanza un máximo a temperaturas de aproximadamente 1200 °C. La reacción RWGS a temperaturas más bajas, a aproximadamente 600-1000 °C, requiere catalizadores para permitir la conversión del dióxido de carbono en monóxido de carbono. Estos catalizadores deben soportar altas temperaturas y ser resistentes a los venenos de los catalizadores, tales como los compuestos que contienen azufre.
La patente US-2014/288195 A1 describe un proceso para la conversión termoquímica de una materia prima a base de carbono en gas de síntesis usando HTE (electrólisis a alta temperatura) de agua y RWGS (desplazamiento inverso de agua-gas).
La patente US-2009/313886 A1 describe una reacción RWGS asistida por energía solar, cuyos productos se usan en un proceso de síntesis de combustible de hidrocarburos para crear un combustible de hidrocarburo líquido.
La patente US-2013/034478 A1 describe un reactor RWGS multitubular de lecho fijo para la producción catalítica de CO y H20 a partir de C 02 y H2.
La patente US-3.723.344 describe un método para la producción de gas de oxosíntesis.
La patente US-3.919.114 describe un método para la producción de gas de síntesis.
La patente WO 2015/011114 A1 describe un quemador para la gasificación de un combustible de hidrocarburo que comprende canales coaxiales.
Actualmente, el estado de los desarrollos de RWGS se encuentra a escala de laboratorio (Catalyst Screening and Kinetic Modeling for CO Production by High Pressure and Temperature Reverse Water Gas Shift for Fischer-Tropsch Applications, Francisco Vidal Vázquez, Peter Pfeifer, Juha Lehtonen, Paolo Piermartini, Pekka Simell y Ville Alopaeus, Ind. Eng. Chem. Res.2017, 56, 13262-13272; Kinetic study of the reverse water gas shift reaction in high-temperature, high pressure homogeneous systems, Felipe Bustamante1, Robert Enick, Kurt Rothenberger, Bret Howard, Anthony Cugini, Michael Ciocco y Bryan Morreale, Fuel Chemistry Division Preprints 2002, 47(2), 663). Para la conversión a gran escala de dióxido de carbono, existe la necesidad de poder llevar a cabo la reacción RWGS de manera más eficiente y económica. Lograr una alta conversión selectiva del dióxido de carbono en monóxido de carbono y evitar la formación de subproductos como el metano y el carbono requieren altas temperaturas de alrededor de 1200 °C, lo que requiere la transferencia de calor alto de hornos externos, lo que plantea considerables desafíos de ingeniería a la vez que se amplía a gran escala. Por tanto, es imperativo que se requiera un nuevo proceso RWGS para convertir de manera eficiente el dióxido de carbono en monóxido de carbono a altas temperaturas a gran escala.
El proceso de la presente descripción proporciona una solución a dicha necesidad.
Resumen de la invención
En consecuencia, la presente invención se refiere a un proceso para convertir dióxido de carbono e hidrógeno en una corriente de producto que comprende monóxido de carbono, agua e hidrógeno según la reivindicación 1.
Según el procedimiento actualmente reivindicado, no es necesario el uso de un catalizador, a diferencia de los procedimientos RWGS conocidos en la técnica. Ventajosamente, en el presente proceso, el calor requerido para la reacción de desplazamiento inverso de agua-gas es proporcionado por la combustión de oxígeno e hidrógeno dentro del reactor.
Además, la presente descripción se refiere a una unidad de proceso de desplazamiento inverso de agua-gas que comprende al menos un recipiente de reacción conectado operativamente a una unidad de enfriamiento y que comprende además una línea de introducción de gas conectada a una unidad divisora de agua. Según la presente descripción, el hidrógeno y/u oxígeno utilizados en el proceso RWGS pueden proporcionarse desde una unidad de división de agua, que ventajosamente puede alimentarse mediante fuentes de energía renovables.
Descripción detallada de la descripción
La presente descripción se refiere a un proceso RWGS para convertir una corriente de gas que comprende dióxido de carbono en productos. Según la presente descripción, las corrientes de alimentación al recipiente de reacción de desplazamiento inverso de agua-gas comprenden varias corrientes de gas: al menos una corriente de gas que comprende dióxido de carbono, una corriente de gas rica en hidrógeno y una corriente de gas rica en oxígeno. Opcionalmente, se pueden introducir corrientes de gas adicionales en el recipiente de reacción como corrientes de gas coalimentadas o premezcladas (es decir, premezcladas con cualquiera de las otras corrientes de gas), tales como, pero sin limitarse a, corrientes que comprenden gases de escape o gas natural.
Una corriente de gas que comprende dióxido de carbono en la presente memoria significa una corriente de gas que comprende desde el 1 % hasta el 100 % de dióxido de carbono en volumen. Las fuentes de dióxido de carbono pueden ser diversas, como por ejemplo, pero sin limitarse al dióxido de carbono capturado del aire o de los gases de combustión, gases de escape y similares. La corriente de gas que comprende dióxido de carbono comprende dióxido de carbono y también puede comprender otros gases, por ejemplo, hidrocarburos tales como metano, etano, propano, butano, pentano, gases inertes tales como argón, otros gases tales como nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, monóxido de carbono o combinaciones de todos los gases mencionados. Preferiblemente, la corriente de gas que comprende dióxido de carbono contiene dióxido de carbono en el intervalo del 30 al 100% en volumen, e incluso más preferiblemente del 50 al 100 % en volumen.
La corriente de gas rica en hidrógeno comprende hidrógeno como componente principal, adecuadamente al menos el 35 % en volumen de hidrógeno, y puede comprender opcionalmente otros componentes, tales como oxígeno, nitrógeno, agua o combinaciones de los mismos. Preferiblemente, la corriente de gas rica en hidrógeno comprende hidrógeno de alta pureza normalmente de un 50 % o más en volumen, particularmente un 65 % o más en volumen, y especialmente un 95 % o más en volumen.
La corriente de gas rica en oxígeno comprende oxígeno y, opcionalmente, puede comprender otros componentes, tales como nitrógeno, hidrógeno, agua o combinaciones de los mismos. Preferiblemente, la corriente de gas rica en oxígeno se compone de oxígeno de alta pureza, normalmente del 70 % y más en volumen, particularmente del 80 % y más en volumen, y específicamente del 90 % y más en volumen.
Según la presente descripción, la reacción de desplazamiento inverso de agua-gas en el recipiente de reacción tiene lugar a una temperatura elevada en el intervalo de 1000 a 1500 °C, energía térmica que se requiere para activar suficientemente el dióxido de carbono con hidrógeno y convertirlo en monóxido de carbono y agua. Preferiblemente, la temperatura se mantiene en el intervalo de 1100 a 1300 °C. La presión mantenida en el recipiente del reactor está en el intervalo de 1 bar a 80 bar. Preferiblemente, la presión en el recipiente de reacción es desde 5 hasta 70 bar.
En el proceso según la presente descripción, la corriente de gas rica en hidrógeno se introduce en el recipiente de reacción a una temperatura entre 15 y 450 °C, en particular entre 100 y 300 °C, más particularmente entre 150 y 250 °C, y especialmente entre 220 y 240 °C.
Según la presente descripción, la corriente de gas rica en oxígeno se introduce en el recipiente de reacción a temperatura ambiente o a una temperatura ligeramente elevada. Preferiblemente, la corriente de gas rica en oxígeno se introduce en el recipiente de reacción a una temperatura entre 15 y 450 °C, en particular entre 100 y 300 °C, más particularmente entre 120 y 280 °C, y especialmente entre 220 y 260 °C.
Según la presente descripción, la corriente de gas que comprende dióxido de carbono se introduce en el recipiente de reacción a temperatura ambiente o a una temperatura ligeramente elevada. Preferiblemente, la corriente de gas que comprende dióxido de carbono se introduce en el recipiente de reacción a una temperatura entre 15 y 700 °C, en particular entre 100 y 600 °C, más particularmente entre 150 y 500 °C, y especialmente entre 200 y 450 °C.
Según la presente descripción, cualquier corriente de gas adicional opcional que se introduzca en el recipiente de reacción como corriente de gas coalimentada o premezclada, se introduce a temperatura ambiente o a una temperatura ligeramente elevada. Preferiblemente, la corriente de gas adicional opcional se introduce en el recipiente de reacción a una temperatura entre 15 y 500 °C, en particular entre 50 y 450 °C.
En el proceso según la presente descripción, las corrientes de alimentación al recipiente de reacción con desplazamiento inverso de agua-gas, al menos la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno se introducen en el recipiente de reacción a través de un quemador que comprende canales coaxiales, que pueden tener diferentes anchuras de hendidura, para la introducción por separado de las diferentes corrientes de gas, potencialmente a diferentes velocidades, siendo la relación de estas velocidades de los gases en los canales preferiblemente entre 1-100, más preferiblemente entre 3-40. Preferiblemente, el ángulo del extremo de la punta del quemador es de entre 5-90 grados, preferiblemente entre 20-65 grados, para cada uno de los canales coaxiales. Véanse, por ejemplo, las Figuras 9 y 10. Los quemadores adecuados para este propósito son conocidos en la técnica, tal como se describe en la patente W02015011114. En el proceso según la presente descripción, el quemador está ubicado en la parte superior del recipiente de reacción.
Según la presente descripción, la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno experimentan ventajosamente una reacción exotérmica en la punta del quemador que proporciona la energía térmica requerida para que se produzca la reacción endotérmica de desplazamiento inverso de agua-gas. Dado que esta reacción es exotérmica, la energía térmica excesiva puede dañar el quemador. Para evitar que la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno reaccionen muy cerca de la salida del quemador, parte de la corriente de gas que contiene dióxido de carbono se introduce a través de un canal entre la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno, siendo introducida la corriente de gas rica en oxígeno a través del(los) canal(es) interno(s) del quemador, y la parte restante de la corriente de gas que contiene dióxido de carbono se introduce en un canal exterior del quemador, que está fuera de los canales para la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno, para evitar el sobrecalentamiento del quemador debido a la alta energía térmica causada por la reacción de la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno dentro del recipiente de reacción. Como se describió anteriormente, la temperatura del recipiente de reacción se mantiene a una temperatura elevada en el intervalo de 1000 a 1500 °C, preferiblemente, en el intervalo de 1100 a 1300 °C. La temperatura en el recipiente de reacción se mantiene ajustando el flujo de gas rico en oxígeno al recipiente de reacción.
La corriente de producto a la salida del recipiente de reacción de desplazamiento inverso de agua-gas comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua, dióxido de carbono no convertido o combinaciones de los mismos.
Las diferentes aplicaciones posteriores requieren una razón diferente de hidrógeno a monóxido de carbono en la corriente de productos. La razón de hidrógeno con respecto a monóxido de carbono en volumen en la salida del recipiente de reacción de desplazamiento inverso de agua-gas está en el intervalo de 0,5 a 5, preferiblemente en el intervalo de 1 a 2. La razón del hidrógeno con respecto al dióxido de carbono en volumen en la entrada del recipiente de reacción con desplazamiento inverso de agua-gas varía desde 1 hasta 5, preferiblemente entre 2 y 3,5. La razón de hidrógeno con respecto a dióxido de carbono se ajusta de manera que se obtenga la razón de hidrógeno con respecto a monóxido de carbono requerida en la corriente de producto.
Según la presente descripción, el recipiente de reacción de desplazamiento inverso de agua-gas se precalienta preferiblemente, en particular en el intervalo de desde 25 °C hasta 1100 °C, para iniciar la reacción de desplazamiento inverso de agua-gas. El precalentamiento del recipiente de reacción se puede realizar recirculando alrededor del recipiente de reacción una mezcla de gases calientes que resultan, por ejemplo, de la combustión de gas natural y aire. Alternativamente, se pueden usar otras opciones para el precalentamiento, como el calentamiento eléctrico. En el proceso según la presente descripción, la corriente de producto que sale del recipiente de reacción se enfría con agua para proporcionar una mezcla de productos enfriada que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, vapor y dióxido de carbono no convertido. El proceso de enfriamiento transfiere de ventajosamente la energía térmica de la corriente de producto al agua de refrigeración para producir vapor. La corriente de producto o el vapor producido a partir del agua de refrigeración se usa para precalentar ventajosamente una o más de las corrientes de alimentación seleccionadas de la corriente de gas que comprende dióxido de carbono, una corriente de gas rica en hidrógeno y una corriente de gas rica en oxígeno y, opcionalmente, corrientes de gas adicionales introducidas en el recipiente de reacción como corrientes de gas coalimentadas o premezcladas que entran en el recipiente de reacción. Alternativamente, una o más de las corrientes de alimentación seleccionadas entre la corriente de gas que comprende dióxido de carbono, una corriente de gas rica en hidrógeno y una corriente de gas rica en oxígeno, y opcionalmente corrientes de gas adicionales, pueden precalentarse externamente mediante otras formas de calentamiento, incluyendo calentadores eléctricos. El precalentamiento de una o más de estas corrientes de alimentación aumenta la eficiencia del proceso de desplazamiento inverso de agua-gas.
Según la presente descripción, se puede usar un divisor de agua para producir al menos una parte de la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno. Un divisor de agua es un dispositivo que divide el agua en hidrógeno y oxígeno. Un divisor de agua de este tipo puede ser, entre otros, la electrólisis del agua usando energía eléctrica, la división fotoelectroquímica del agua, la división fotocatalítica del agua, la descomposición térmica del agua y otros métodos conocidos en la técnica de división del agua. Un separador de agua preferido es un electrolizador. Las fuentes de energía para la división del agua se proporcionarán ventajosamente mediante fuentes de energía renovables, tales como la energía solar y/o eólica.
Según la presente descripción, la corriente de gas rica en oxígeno procedente del divisor de agua puede licuarse ventajosamente, almacenarse opcionalmente y regasificarse antes de su uso como alimentación.
Según la presente descripción, la corriente de producto enfriado que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, vapor y dióxido de carbono no convertido se somete a un enfriamiento adicional al menos hasta, y más allá, del punto de rocío para proporcionar una corriente de gas que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, dióxido de carbono no convertido y agua líquida que luego puede separarse de la corriente de gas producto. Los expertos en la técnica conocen los separadores adecuados para este propósito. La corriente de agua líquida así separada se recircula luego de nuevo al divisor de agua.
Siempre que la corriente de producto que comprende monóxido de carbono e hidrógeno producidos mediante el proceso descrito anteriormente, siga comprendiendo dióxido de carbono no convertido, la corriente de producto puede someterse ventajosamente de forma repetida a dichas etapas del proceso para convertir todo el dióxido de carbono presente. En el proceso según la presente descripción, se requieren múltiples etapas para el proceso de desplazamiento inverso de agua-gas si se requiere una conversión adicional del dióxido de carbono no convertido en la corriente de producto. Las múltiples etapas son una repetición de todo el proceso de desplazamiento inverso de agua-gas explicado anteriormente. La corriente de gas producto enfriado que comprende monóxido de carbono, hidrógeno y dióxido de carbono no convertido, así obtenida del primer recipiente de reacción después de someterse a enfriamiento y separación de agua líquida, se alimenta a un segundo recipiente de reacción de desplazamiento inverso de agua-gas junto con una o más corrientes de alimentación seleccionadas entre la corriente de gas rica en hidrógeno y las corrientes de gas ricas en oxígeno del divisor de agua. La corriente de producto que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua, dióxido de carbono no convertido o combinaciones de los mismos, del segundo recipiente de reacción se somete a un enfriamiento adicional y a la separación del agua líquida de la corriente de gas producto enfriado que comprende monóxido de carbono, hidrógeno y dióxido de carbono no convertido. Una o más de las corrientes de alimentación para el segundo recipiente de reacción seleccionadas de la corriente de gas de la corriente de producto que comprende dióxido de carbono, hidrógeno, agua, dióxido de carbono no convertido, corrientes de gas adicionales opcionales introducidas en el recipiente de reacción como corrientes de gas premezclado o de alimentación conjunta, corriente de gas rica en hidrógeno y corriente de gas rica en oxígeno pueden precalentarse ventajosamente usando cualquiera de los métodos de precalentamiento descritos anteriormente.
El proceso de esta descripción puede realizarse ventajosamente en una unidad de proceso de desplazamiento inverso de agua-gas que comprende al menos un recipiente de reacción conectado operativamente a una unidad de enfriamiento y que comprende además una línea de introducción de gas conectada a una unidad divisora de agua. Cuando se requieren múltiples etapas para el proceso de desplazamiento inverso de agua-gas, si se requiere una mayor conversión del dióxido de carbono no convertido en la corriente de producto, esto se realiza preferiblemente en una unidad que comprende al menos dos recipientes de reacción, cada uno de los cuales está conectado operativamente a una unidad de refrigeración, que se colocan en orden consecutivo de una primera unidad de reacción seguida de una unidad de refrigeración y de nuevo seguida de una unidad de reacción seguida de una unidad de refrigeración, y la unidad de proceso comprende además al menos una línea de introducción de gas conectada a una unidad de división de agua.
El proceso, o las etapas del proceso del mismo, y las unidades de proceso de la presente invención pueden integrarse ventajosamente en procesos que requieren gas de síntesis como materia prima.
Descripción de los dibujos
La Figura 1 ilustra una realización de la presente descripción del proceso de desplazamiento inverso de agua-gas, en donde la corriente1de gas que comprende dióxido de carbono, la corriente2de gas rica en hidrógeno y la corriente3de gas rica en oxígeno entran en el reactor RWGS para formar una corriente4de gas producto que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua y posiblemente algo de dióxido de carbono no convertido. Las corrientes de gas adicionales opcionales no se muestran en la Figura 1.
La Figura 2 ilustra otra realización de la presente descripción en donde la corriente1de gas que comprende dióxido de carbono, la corriente2de gas rica en hidrógeno y la corriente3de gas rica en oxígeno entran en el reactor RWGS para formar una corriente4de gas producto que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua y posiblemente algo de dióxido de carbono no convertido. La corriente4de producto se enfría con agua5para formar vapor6.
La Figura 3 ilustra otra realización de la presente descripción en donde una corriente10de gas precalentado que contiene dióxido de carbono, una corriente11de gas rica en hidrógeno precalentado y una corriente12de gas rica en oxígeno precalentado entran en el reactor RWGS para formar una corriente de gas producto4que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua y posiblemente algo de dióxido de carbono no convertido. La corriente4de producto se enfría con agua5para formar vapor6.Uno o ambos de la corriente4de producto enfriado y el vapor6pueden usarse para precalentar una o más de las corrientes de alimentación seleccionadas entre la corriente1de gas que comprende dióxido de carbono, la corriente2de gas rica en hidrógeno y la corriente3de gas rica en oxígeno. En la Figura 3, la corriente 4 de producto enfriado se usa para precalentar la corriente1de gas que comprende dióxido de carbono, y el vapor6se usa para precalentar la corriente2de gas rica en hidrógeno y la corriente3de gas rica en oxígeno.
La Figura 4 ilustra otra realización de la presente descripción en donde una corriente10de gas precalentado que comprende dióxido de carbono, una corriente11de gas rica en hidrógeno precalentado y una corriente12de gas rica en oxígeno precalentado entran en el reactor RWGS para formar una corriente4de gas producto que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua y posiblemente dióxido de carbono no convertido. La corriente4de producto se enfría con agua5para formar vapor6.Uno o ambos de la corriente4de producto enfriado y el vapor6pueden usarse para precalentar una o más de las corrientes de alimentación seleccionadas entre la corriente1de gas que comprende dióxido de carbono, la corriente2de gas rica en hidrógeno y la corriente3de gas rica en oxígeno. En la Figura 4, la corriente 4 de producto enfriado se usa para precalentar la corriente1de gas que comprende dióxido de carbono, y el vapor6se usa para precalentar la corriente2de gas rica en hidrógeno y la corriente3de gas rica en oxígeno. Se usa un divisor de agua para producir al menos parte de la corriente2de gas rico en hidrógeno y la corriente3de gas rico en oxígeno a partir del agua7usando una fuente8de energía. Se extrae la corriente9de gas rico en oxígeno en exceso, que puede utilizarse en otro lugar o ventilarse.
La Figura 5 ilustra otra realización de la presente descripción en donde la corriente10de gas precalentado que comprende dióxido de carbono, la corriente11de gas rica en hidrógeno precalentado y la corriente12de gas rica en oxígeno precalentado entran en el reactor RWGS para formar una corriente 4 de gas producto que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua y posiblemente dióxido de carbono no convertido. La corriente4de producto se enfría con agua5para formar vapor6.Uno o ambos de la corriente4de producto enfriado y el vapor6pueden usarse para precalentar una o más de las corrientes de alimentación seleccionadas entre la corriente1de gas que comprende dióxido de carbono, la corriente2de gas rica en hidrógeno y la corriente3de gas rica en oxígeno. En la Figura 4, la corriente 4 de producto enfriado se usa para precalentar la corriente1de gas que comprende dióxido de carbono, y el vapor6se usa para precalentar la corriente2de gas rica en hidrógeno y la corriente3de gas rica en oxígeno. Se usa un divisor de agua para producir al menos parte de la corriente2de gas rico en hidrógeno y la corriente3de gas rico en oxígeno a partir del agua7usando una fuente8de energía. La corriente4de gas producto enfriado se enfría adicionalmente hasta el punto de rocío y el agua líquida7se separa de la corriente13de gas producto enfriado en un separador. Se extrae la corriente9de gas rico en oxígeno en exceso, que puede utilizarse o ventilarse.
La Figura 6 ilustra otra realización de la presente descripción en donde la corriente10de gas precalentado que comprende dióxido de carbono, la corriente11de gas rica en hidrógeno precalentado y la corriente12de gas rica en oxígeno precalentado entran en el reactor RWGS para formar una corriente4de gas producto que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua y dióxido de carbono no convertido. La corriente4de producto se enfría con agua5para formar vapor6.Uno o ambos de la corriente4de producto enfriado y el vapor6pueden usarse para precalentar una o más de las corrientes de alimentación seleccionadas entre la corriente1de gas que contiene dióxido de carbono, la corriente2de gas rica en hidrógeno y la corriente3de gas rica en oxígeno. Se usa un divisor de agua para producir al menos parte de la corriente2de gas rico en hidrógeno y la corriente3de gas rico en oxígeno a partir del agua7usando una fuente8de energía. La corriente4de gas producto enfriado se enfría adicionalmente hasta el punto de rocío y el agua líquida7se separa de la corriente13de gas producto enfriado en un separador. El dióxido de carbono no convertido en la corriente13de gas producto se convierte además en monóxido de carbono sometiéndolo a una segunda etapa del proceso de desplazamiento inverso de agua-gas. La corriente13de gas producto junto con una corriente2de gas rica en hidrógeno y una corriente3de gas rica en oxígeno entran en el reactor RWGS para formar una corriente4de gas producto que comprende monóxido de carbono, hidrógeno, agua y dióxido de carbono no convertido. La corriente4de producto se enfría con agua5para formar vapor6.Se extrae la corriente9de gas rico en oxígeno en exceso, que puede utilizarse o ventilarse.
La Figura 7 ilustra la conversión total de dióxido de carbono a diferentes temperaturas del reactor RWGS para dos realizaciones diferentes de la presente descripción, tal como se explica en la Figura 1 y la Figura 3.
La Figura 8 ilustra la producción total de monóxido de carbono a diferentes temperaturas del reactor RWGS para dos realizaciones diferentes de la presente descripción, tal como se explica en la Figura 1 y la Figura 3.
La Figura 9 ilustra una realización de un quemador que puede usarse en el proceso según la presente descripción. El quemador ejemplificado contiene cuatro canales coaxialesA, B, CyD,pero también pueden ser posibles más canales. La corriente3de gas rica en oxígeno o la corriente12de gas rica en oxígeno precalentado (es decir, la corriente3/12de gas) entran en el recipiente de reacción a través del canalAdel quemador. Una parte de la corriente1de gas que comprende dióxido de carbono o de la corriente10de gas precalentado que comprende dióxido de carbono (es decir, la corriente1/10de gas) entra ventajosamente en el recipiente de reacción a través del canalBdel quemador. La corriente2de gas rica en hidrógeno o la corriente11de gas rica en hidrógeno precalentado (es decir, la corriente2/11de gas) entran en el recipiente de reacción a través del canalCdel quemador. Otra parte de la corriente1de gas que comprende dióxido de carbono o de la corriente10de gas precalentado que comprende dióxido de carbono (es decir, la corriente1/10de gas) entra en el recipiente de reacción a través del canalDdel quemador.
La Figura 10 ilustra otra realización de un quemador que puede usarse en el proceso según la presente descripción. El quemador contiene cinco canales coaxialesA, B, C, DyE.La corriente3de gas rica en oxígeno o la corriente12de gas rica en oxígeno precalentado (es decir, la corriente3/12de gas) entra en el recipiente de reacción a través de los canalesAyBdel quemador. Una parte de la corriente1de gas que comprende dióxido de carbono o de la corriente10de gas precalentado que comprende dióxido de carbono (es decir, la corriente1/10de gas) entra ventajosamente en el recipiente de reacción a través del canalCdel quemador. La corriente2de gas rica en hidrógeno o la corriente11de gas rica en hidrógeno precalentado (es decir, la corriente2/11de gas) entran en el recipiente de reacción a través del canalDdel quemador. Otra parte de la corriente1de gas que comprende dióxido de carbono o de la corriente10de gas precalentado que comprende dióxido de carbono entra en el recipiente de reacción a través del canalEdel quemador.
En lo sucesivo, la invención se ilustrará adicionalmente mediante el siguiente ejemplo no limitativo.
Ejemplo
El siguiente ejemplo se refiere a los procesos explicados en las diferentes realizaciones de la presente descripción descritos en la Figura 1 y la Figura 3. La tabla 1 ilustra las composiciones de la corriente de producto (el producto principal es el gas de síntesis) en la salida del recipiente de reacción RWGS para diferentes temperaturas del reactor en dos casos diferentes: cuando las corrientes de alimentación no se precalientan (como se ilustra en la Figura 1) y cuando se precalientan (como se ilustra en la Figura 3). La relación entre H2 y CO2 de la alimentación es constante en todos los casos. La temperatura del reactor RWGS se controla ajustando el flujo de oxígeno al reactor. Los resultados de la composición del gas de síntesis se obtuvieron asumiendo que el gas de síntesis en la salida del reactor RWGS está en equilibrio termodinámico en estado estacionario.
La Figura 7 y la Figura 8 ilustran la conversión total de dióxido de carbono y el monóxido de carbono total producidos para diferentes temperaturas del reactor RWGS en dos casos diferentes: cuando las corrientes de alimentación no se precalientan (como se ilustra en la Figura 1) y cuando se precalientan (como se ilustra en la Figura 3).
Tabla 1
Temp. (°C) 1000 1100 1200 1300 1000 1100 1200 1300 Total 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00
Claims (7)
1. Un proceso para convertir dióxido de carbono e hidrógeno en una corriente de producto que comprende monóxido de carbono, agua e hidrógeno, el proceso comprende introducir dióxido de carbono, hidrógeno y oxígeno en un recipiente de reacción y realizar una reacción de desplazamiento inverso de agua-gas a temperatura elevada, en donde
(a) no hay ningún catalizador presente en el recipiente de reacción, y
(b) al menos una corriente de gas que comprende dióxido de carbono, una corriente de gas rica en hidrógeno y una corriente de gas rica en oxígeno se introduce en el recipiente de reacción en corrientes de alimentación separadas, en donde la corriente de gas rica en hidrógeno se introduce en el recipiente de reacción a una temperatura entre 15 y 450 °C,
(c) la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno se introducen muy cerca una de otra, en donde al menos la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno se introducen en el recipiente de reacción a través de un quemador que comprende canales coaxiales para la introducción por separado de las diferentes corrientes de gas, estando situado el quemador en la parte superior del recipiente de reacción, en donde el hidrógeno y el oxígeno en la corriente de gas rica en hidrógeno y de la corriente de gas rica en oxígeno experimentan una reacción de combustión al entrar en el recipiente de reacción, proporcionando así la energía calorífica necesaria para la reacción inversa de desplazamiento de agua-gas; y
(d) la temperatura en el recipiente de reacción se mantiene en el intervalo de 1000 a 1500 °C variando la relación molar de hidrógeno a oxígeno, que se introducen en el recipiente de reacción en la corriente de gas rico en hidrógeno y en la corriente de gas rico en oxígeno, respectivamente;
en donde parte de la corriente de gas que contiene dióxido de carbono se introduce a través de un canal entre la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno, siendo la corriente de gas rica en oxígeno introducida a través del canal interno del quemador, y la parte restante de la corriente de gas que contiene dióxido de carbono se introduce en un canal exterior del quemador, estando fuera de los canales para la corriente de gas rica en hidrógeno y la corriente de gas rica en oxígeno.
2. Un proceso según la reivindicación 1, en donde el recipiente de reacción se precalienta a una temperatura que oscila hasta 1100 °C.
3. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en donde la corriente de producto que sale del recipiente de reacción caliente se enfría con agua para proporcionar una mezcla de productos enfriada que comprende monóxido de carbono e hidrógeno, vapor y opcionalmente dióxido de carbono no convertido.
4. Un proceso según la reivindicación 3, en donde la corriente de producto o el vapor producido después de enfriar la corriente de producto se usa para precalentar una o más de las corrientes de gas de alimentación seleccionadas de la corriente de gas que comprende dióxido de carbono, la corriente de gas rica en hidrógeno, la corriente de gas rica en oxígeno y, opcionalmente, las corrientes de gas adicionales introducidas en el recipiente de reacción como corrientes de gas premezcladas o de coalimentación.
5. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde al menos parte de la corriente de gas rica en hidrógeno y/o al menos parte de la corriente de gas rica en oxígeno en la alimentación se obtiene de un divisor de agua.
6. Un proceso según la reivindicación 5, en donde la corriente de gas rico en oxígeno procedente del separador de agua se licúa y se regasifica antes de su uso como alimentación.
7. Un proceso según la reivindicación 3, en donde el vapor se separa de la mezcla de productos y, a continuación, se enfría aún más hasta el punto de rocío para proporcionar agua líquida que se recicla a un separador de agua para producir hidrógeno y/u oxígeno.
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