WO2014202855A1 - Method of producing formic acid - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a novel process for producing formic acid from CO 2 .
- This process is electrochemical, that is, it uses electric current to make formic acid and oxygen from CO 2 and water. This process is much simpler than current formic acid production processes, so it could be competitive if the price of electricity is not too high.
- This method could advantageously be used to store electrical energy produced intermittently (solar, wind) or surplus (production peaks).
- the US2012 / 0171583 patent uses a fuel cell by injecting hydrogen and CO 2 as fuels, and claims the synthesis of methanol and propanol from CO 2 by means of an aromatic polyamine catalyst deposited on an electrode. gas diffusion.
- the hydrogen brings energy, dissociates at the anode (oxidation) and allows the reduction of C0 2 .
- the novelty of the present invention lies in the generation of formic acid by an electrolytic route in the CO 2 compartment directly in vapor form (i.e. the formic acid is generated at a partial pressure lower than the saturation vapor pressure of formic acid at operating temperature).
- This generation of formic acid directly in the vapor state allows separation facilitated by condensation (in solid or liquid form) of formic acid from the gas stream.
- the C0 2 comes into direct contact with the electrons via the porous electrode, on the metal particles that are the centers of the reaction and with the protons via a solid polymer electrolyte.
- the protons involved in the reduction of C0 2 come directly from water molecules introduced at the anode.
- the first step is electrolysis for the hydrogen generation, its storage under pressure, then in a second stage, a catalytic conversion, in a second process, with specific conditions which generally are not adapted with the conditions of a intermittent process (such as wind power generation or solar generation).
- the process according to the present invention offers the advantage of using only water, C0 2 and electricity for the generation of formic acid by CO 2 reduction.
- the use of high surface area porous electrodes, coupled with the use of metal particles catalyzing the selective formation of formic acid, offers the possibility of producing formic acid under high current density conditions and facilitated separation. .
- Figure 1 shows a formic acid production module showing the anode portion and the cathode portion, the two parts being separated by a porous membrane allowing the passage of H + ions.
- FIG. 2 is a diagram of the process according to the invention in a first variant showing the recovery circuit of formic acid by means of a liquid formic acid loop.
- Figure 3 is a diagram of the process according to the invention in a second variant showing the recycling of residual CO 2 to the electrolytic cell.
- the present invention can be defined as an electrochemical process for producing formic acid from CO 2 and water vapor introduced to the cathode and water vapor introduced to the anode, using one or more electrochemical cells. in parallel or stacked, said method using electrochemical cells whose cathode is composed of a porous conductive solid and an active layer containing dispersed metal nanoparticles and catalyzing the reaction selectively towards formic acid according to the reaction: C0 2 + H 2 0 ⁇ HCOOH + 1 ⁇ 2 0 2
- the water vapor is decomposed at the anode with oxygen and protons H + H 2 0 ⁇ 1 ⁇ 2 0 2 + 2 H + + 2e and,
- the carbon dioxide is reduced directly in the vapor phase under the effect of an electrochemical potential in contact with a porous cathode and with a solid polymer electrolyte, C0 2 + 2H + + 2e ⁇ HCOOH
- the formic acid produced is then separated from the residual CO 2 preferentially by crystallization,
- the catalyst used at the cathode of the electrolytic cell consists of metal particles selected from those which have a selectivity towards formic acid, ie indium, tin, lead, bismuth, cadmium, thallium alone or as a mixture.
- the catalyst used at the cathode of the electrolytic cell is selected from the following metals: indium, tin, lead, bismuth.
- the temperature measured at the level of the electrochemical cell is between 20 ° C. and 160 ° C.
- the pressure in the electrolytic compartment is between 1 and 60 bar, and preferably between 1 and 10 bar.
- the water vapor introduced into the anode is entrained by an inert carrier gas with respect to electro-oxidation.
- the CO 2 introduced to the cathode of the electrolytic cell is driven by an inert carrier gas with respect to electro-reduction.
- the residual CO 2 obtained after exchanger 19a or 19b is recompressed in a compressor and reintroduced with CO 2 at the cathode compartment constituting the charge of the process.
- FIG. 1 represents an electrochemical cell used in the process according to the invention.
- a current is applied between an anode composed of elements 2, 3 and 4 and a cathode composed of elements 6, 7 and 8.
- the elements 2 and 6 are conductive plates, possibly bipolar in the case of stacking of several electrochemical cells. , responsible for distributing the gases and collecting the electric current. They are conventionally encountered in electrolysers (for example for the electrolysis of water) or fuel cells. These conductive plates are machined or stamped so as to distribute the gases in conduits (9, 10) formed in these plates.
- the elements 3 and 7 are diffusion layers of porous conductive material (typically made of carbon fibers), and elements 4 and 8 are the active catalytic layers deposited either on the diffusion layers or on the membrane 5.
- This membrane 5 is a solid polymer electrolyte allowing the transfer of H + ions between the anode and the cathode.
- the active layer 8 of the cathode is composed of a conductive porous material (such as porous carbon) containing nanoparticles of metal.
- the metal particles for the cathode used for the invention are chosen from those which have a selectivity towards formic acid such as indium, tin, lead, bismuth, cadmium, thallium, alone or as a mixture .
- Anode side is sent into the cavity 9 of the water, liquid or preferably in the form of water vapor arriving through the conduit 11.
- the water may be possibly entrained by a gas inert to electrolysis such as nitrogen, so as to have steam water at temperatures below the vaporization temperature of the water at the operating pressure.
- CO 2 gas is sent into the cavity 10 via line 13 at a pressure of between 1 and 60 bar absolute and at a temperature of between 20 ° C. and 160 ° C.
- Oxygen is evolved via line 12, optionally mixed with steam and optionally with an inert carrier gas such as nitrogen, coming from line 11.
- the protons H + under the effect of the current migrate through the solid polymer electrolyte membrane, from the anode compartment to the cathode compartment, and preferentially react on the metal sites of the cathode with the CO 2 to give formic acid which leaves the cell mixed with the CO 2 and any other gases contained in the CO 2 arriving via the conduit 14.
- electrochemical cells may be used in parallel or in stacking, to obtain the desired capacity of formic acid.
- the applied current is optimized so as to guarantee high current densities while limiting the cell voltage to a value less than or equal to 4V, and preferably less than or equal to 3V. In this way, secondary reactions, such as, for example, the generation of hydrogen, are avoided to a minimum.
- the surface density of current is generally between 0.1 and 2A / cm 2, and preferably greater than 0.2 A / cm 2, and more preferably greater than 0.4 A / cm 2. Description of Figure 2
- FIG. 2 represents a first flow diagram of formic acid production process according to the invention.
- Water or water vapor optionally mixed with an inert carrier gas, is introduced via line 11 into the electrochemical cell (or the electrochemical cells in parallel or stacked) denoted 1.
- Outlet 12 contains oxygen (or an oxygen-water mixture and optionally an inert gas, which can be separated by condensation of water).
- the CO 2 is fed through the conduit 15 into the heat exchanger 16 where it is preheated by steam or any other means before being sent via the conduit 13 to the cell or cells 1.
- a mixture C0 2 and formic acid, and any other gases contained in the CO 2 arriving via the conduit 13, and possibly some traces of hydrogen, CO, and water are brought by the conduit 14 to the heat exchanger 17, wherein the mixture is cooled and condensed partially with the aid of cooling water, or air.
- the partially condensed mixture is then sent through line 18 to the heat exchanger 19a or 19b, where it is cooled to around 5 ° C by propane or another compound or refrigerant mixture circulating in line 20a or b . At this temperature, the formic acid crystallizes and is deposited on the walls of the exchanger.
- the residual gas which essentially contains C0 2 , can be discharged via line 21, preferably to a flare, to eliminate any traces of hydrogen, CO, methane or formic acid contained in said residual gas. .
- the elimination of the formic acid crystals is obtained by circulation of liquid formic acid from the storage 22, sucked by the pump 24 through the conduit 23, and then reheated in the heat exchanger 25 with water temperate, or by any other means of heating, before being sent via line 26 into exchanger 19a or b, in which the circulation of refrigerant (20a or b) has been stopped.
- Formic acid circulated at moderate temperature makes it possible to melt the crystallized formic acid deposited in exchanger 19a or 19b and to return it to storage 22 via line 27.
- FIG. 3 represents a second process flow diagram of formic acid production according to the invention in which residual CO 2 emitted by line 21 is recompressed in a compressor 29 to be reintroduced into the input stream 15 at the level of the cell Electrochemical 1.
- This variant is an improvement of the basic version corresponding to Figure 2 which allows not reliberate CO2 to the atmosphere. Water or water vapor is introduced via line 11 into the electrochemical cell (or electrochemical cells in parallel) 1.
- Outlet 12 contains oxygen (or an oxygen-water mixture and optionally an inert gas, which can be separated by condensation of water).
- the CO 2 is fed through the conduit 15 into the heat exchanger 16 in which it is preheated by steam, or any other means, before being sent through the conduit 13 to the cell or cells 1.
- a mixture C0 2 and formic acid is fed through line 14 to the heat exchanger 17, in which the mixture is cooled and condensed partially with the aid of cooling water, or air.
- the partially condensed mixture is then sent through line 18 to the heat exchanger 19a or 19b, where it is cooled to about 5 ° C by propane or another compound or refrigerant mixture, circulating in line 20a. or b.
- the formic acid crystallizes and is deposited on the walls of the exchanger 19a or 19b.
- the flow of the conduit 18 is directed to the other exchanger 19b or 19a, which has been cleared in the meantime of the crystallized formic acid it contains, by circulation of liquid formic acid.
- This liquid formic acid comes from the storage 22, is sucked by the pump 24 through the conduit 23, and is then heated in the heat exchanger 25 with tempered water or by another heating means, before to be sent via line 26 into exchanger 19a or b, in which the circulation of refrigerant (20a or b) has been stopped.
- the formic acid circulated at moderate temperature (25 to 50 ° C.) makes it possible to melt crystallized formic acid on the walls of exchanger 19b or 19a, and to return it to storage via line 27.
- the residual gas which contains for the most part C0 2 , and some traces of formic acid (and possibly a carrier gas), is sent via line 21 to the compressor 29, mixed with the C0 2 feed brought by the conduit 28.
- the gas is returned via the duct 15 to the heat exchanger 16.
- the faradic efficiency is 80%
- the current density is 0.4 A / cm
- the potential difference between the electrodes is 3V.
- the formic acid produced is 10,000 tons / year (1.25 ton / h)
- the oxygen produced is 3,470 tons / year, ie 300 Nm / h
- the amount of C0 2 consumed is 9,560 tonnes / year (1.2 tonnes / h)
- the quantity of water consumed is 3910 tonnes / year (0.49 tonnes / h)
- the electrode area required is 455 m 2
- the water consumption is as follows:
- Cooling water m / h
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Abstract
Description
PROCEDE DE FABRICATION D'ACIDE FORMIQUE PROCESS FOR PRODUCING FORMIC ACID
DOMAINE DE L'INVENTION L'augmentation de la quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, due notamment à la combustion de combustibles fossiles, est aujourd'hui reconnue comme étant un des facteurs majeurs du réchauffement climatique mondial. De nombreuses solutions ont été proposées pour capturer le dioxyde de carbone contenu dans des fumées de combustion, notamment en vue de sa séquestration. Cependant, la séquestration définitive du dioxyde de carbone présente de nombreuses difficultés techniques et génère beaucoup d'inquiétude en raison des risques encourus, notamment ceux liés au relâchement brutal dans l'atmosphère de grandes quantités de dioxyde de carbone stockées par exemple sous la mer ou dans des aquifères, comme cela est déjà arrivé dans le passé avec du dioxyde de carbone d'origine naturelle. Une solution complémentaire à la séquestration du dioxyde de carbone capté consiste à valoriser celui-ci, en le convertissant en un actif chimique valorisable, c'est-à-dire un produit chimique utilisable par l'industrie. FIELD OF THE INVENTION Increasing the amount of carbon dioxide in the atmosphere, due in particular to the burning of fossil fuels, is now recognized as one of the major factors of global warming. Many solutions have been proposed for capturing the carbon dioxide contained in combustion fumes, especially for sequestration. However, the final sequestration of carbon dioxide presents many technical difficulties and generates a lot of concern because of the risks involved, especially those related to the sudden release into the atmosphere of large quantities of carbon dioxide stored for example under the sea or in aquifers, as has happened in the past with naturally occurring carbon dioxide. A complementary solution to the sequestration of captured carbon dioxide is to valorize it, converting it into a valuable chemical asset, that is to say a chemical used by the industry.
La présente invention concerne un nouveau procédé de production d'acide formique à partir de C02. Ce procédé est électrochimique, c'est-à-dire qu'il utilise du courant électrique pour fabriquer de l'acide formique et de l'oxygène à partir de C02 et d'eau. Ce procédé est beaucoup plus simple que les procédés actuels de production d'acide formique, donc pourrait être compétitif dans le cas où le prix de l'électricité n'est pas trop élevé. Ce procédé pourrait avantageusement être utilisé pour stocker de l'énergie électrique produite de manière intermittente (solaire, éolien) ou en surplus (pics de production). The present invention relates to a novel process for producing formic acid from CO 2 . This process is electrochemical, that is, it uses electric current to make formic acid and oxygen from CO 2 and water. This process is much simpler than current formic acid production processes, so it could be competitive if the price of electricity is not too high. This method could advantageously be used to store electrical energy produced intermittently (solar, wind) or surplus (production peaks).
EXAMEN DE L'ART ANTERIEUR EXAMINATION OF THE PRIOR ART
La conversion électrochimique du C02 a été découverte au XIX siècle (Royer, M. E. C.R.Hebd.Seances Acad.Sci.Paris 1870, T70, 731-732). Elle a été proposée dans les années 1980, par exemple dans le brevet US 4,673,473, ou dans l'article de Cook, MacDuff et Sammels (J. Electrochem. Soc. 1988, 135(6), 1470-1471), notamment pour la production d'hydrocarbures. The electrochemical conversion of C0 2 was discovered in the 19th century (Royer, MECRHebd.Seances Acad.Sci.Paris 1870, T70, 731-732). It was proposed in the 1980s, for example in US Patent 4,673,473, or in the article by Cook, MacDuff and Sammels (J. Electrochem Soc., 1988, 135 (6), 1470-1471), in particular for the production of hydrocarbons.
Dans les années 2000, avec les inquiétudes liées au C02, de nouvelles propositions ont été faites. In the 2000s, with concerns about C0 2 , new proposals were made.
A l'échelle d'un procédé électrochimique industriel, une des difficultés est d'obtenir une densité de courant suffisante, et une bonne sélectivité vers le produit désiré. La densité de courant conditionne en effet en grande partie la viabilité économique du procédé. Le brevet US 2012/0228147 fait état dans ce but de l'utilisation d'une cathode métallique massive (indium, plomb, étain, cadmium ou bismuth), et d'un électrolyte aqueux, contenant des aminés aromatiques hétérocycliques telles que la 4-hydroxy pyridine qui interviennent comme catalyseur homogène. Le procédé décrit dans le brevet cité possède certains inconvénients : tout d'abord il est nécessaire de maintenir le pH de la solution aqueuse entre 4,3 et 5,5, gamme de pH à l'intérieur de laquelle une majorité de l'acide formique est sous sa forme basique. At the scale of an industrial electrochemical process, one of the difficulties is to obtain a sufficient current density and a good selectivity towards the desired product. In fact, current density largely determines the economic viability of the process. US Patent 2012/0228147 reports for this purpose the use of a massive metal cathode (indium, lead, tin, cadmium or bismuth), and an aqueous electrolyte, containing heterocyclic aromatic amines such as 4- hydroxy pyridine which act as a homogeneous catalyst. The process described in the patent cited has certain drawbacks: first of all it is necessary to maintain the pH of the aqueous solution between 4.3 and 5.5 pH range within which a majority of the acid formic is in its basic form.
Le bilan matière montre alors qu'on consomme une grande quantité d'une base, ce qui est défavorable. D'autre part le brevet cité mentionne la nécessité de maintenir la concentration d'acide formique inférieure à 500 ppm, ce qui rend la séparation de ce produit quasiment impossible, les équilibres liquide-vapeur C02/H20/acide formique étant fortement défavorables dans ce cas. Le brevet US 2008/223727 décrit un procédé de conversion électrochimique du dioxyde de carbone par alimentation en continu d'un mélange biphasique liquide-gaz contenant du C02 et un électrolyte aqueux. Dans ce cas la sélectivité vers l'acide formique n'est obtenue que pour des pH supérieurs ou égaux à 7. The material balance then shows that we consume a large amount of a base, which is unfavorable. On the other hand the cited patent mentions the need to maintain the concentration of formic acid below 500 ppm, which makes the separation of this product almost impossible, the liquid-vapor equilibria C0 2 / H 2 O / formic acid being strongly unfavorable in this case. US Pat. No. 2008/223727 discloses a process for the electrochemical conversion of carbon dioxide by continuously feeding a biphasic liquid-gas mixture containing CO 2 and an aqueous electrolyte. In this case the selectivity to formic acid is obtained only for pH greater than or equal to 7.
Comme pour le brevet précédemment cité (US 2012/0228147), cette contrainte de pH est un frein au développement de ce type de procédé. En effet l'acide formique possède un pKa = 3,75, ce qui signifie que l'acide formique est obtenu sous sa forme basique et donc qu'une quantité stœchiométrique de base est consommée. Le bilan matière est donc défavorable. As for the aforementioned patent (US 2012/0228147), this pH constraint is a brake on the development of this type of process. Indeed formic acid has a pKa = 3.75, which means that the formic acid is obtained in its basic form and thus a basic stoichiometric amount is consumed. The material balance is therefore unfavorable.
D'autre part, l'acide formique présente avec l'eau un azéotrope qui complique grandement son extraction. C'est la le problème du procédé traditionnel de fabrication de l'acide formique qui nécessite une succession de trois colonnes de distillation pour pouvoir séparer à 95% l'acide formique. On the other hand, formic acid presents with water an azeotrope which greatly complicates its extraction. This is the problem of the traditional method of manufacturing formic acid which requires a succession of three distillation columns to be able to separate 95% formic acid.
Le brevet US2012/0171583 utilise une pile à combustible en injectant de l'hydrogène et du C02 comme combustibles, et revendique la synthèse de méthanol et propanol à partir du C02 au moyen d'un catalyseur de type polyamine aromatique déposé sur une électrode à diffusion de gaz. The US2012 / 0171583 patent uses a fuel cell by injecting hydrogen and CO 2 as fuels, and claims the synthesis of methanol and propanol from CO 2 by means of an aromatic polyamine catalyst deposited on an electrode. gas diffusion.
Dans ce cas, l'hydrogène apporte l'énergie, se dissocie à l'anode (oxydation) et permet la réduction du C02. C'est l'association de particules de platine et une polyamine aromatique qui est revendiquée comme permettant une sélectivité de la réduction du C02 vers les alcools (méthanol, propanol). In this case, the hydrogen brings energy, dissociates at the anode (oxidation) and allows the reduction of C0 2 . It is the combination of platinum particles and an aromatic polyamine which is claimed to allow a selectivity of the reduction of CO 2 to alcohols (methanol, propanol).
Il est connu dans le domaine des procédés catalytiques d'hydrogénation du C02j que la conversion vers les alcools ne peut être réalisée qu'à des températures relativement élevées, typiquement supérieures à 220°C pour activer la réaction (Razali et al. Ren. Sust. Ener. Rev. 16 (2012) 4951). Les catalyseurs employés et les conditions de températures ne permettent en aucun cas la synthèse d'acide formique. En effet ce composé se dégrade thermiquement à des températures supérieures à 170°C environ. It is known in the field of catalytic hydrogenation processes C0 2j that conversion to alcohols can be achieved at relatively high temperatures, typically above 220 ° C to promote the reaction (Razali et al. Ren. Sust Ener, Rev. 16 (2012) 4951). The catalysts employed and the temperature conditions do not allow in any case the synthesis of formic acid. Indeed, this compound degrades thermally at temperatures above about 170 ° C.
Le caractère novateur de la présente invention réside dans la génération d'acide formique par une voie électrolytique dans le compartiment C02 directement sous forme vapeur (c'est-à-dire que l'acide formique est généré à une pression partielle inférieure à la pression de vapeur saturante de l'acide formique à la température de fonctionnement). The novelty of the present invention lies in the generation of formic acid by an electrolytic route in the CO 2 compartment directly in vapor form (i.e. the formic acid is generated at a partial pressure lower than the saturation vapor pressure of formic acid at operating temperature).
Cette génération d'acide formique directement à l'état vapeur autorise une séparation facilitée par condensation (sous forme solide ou liquide) de l'acide formique depuis le flux gazeux. Ce faisant, le C02 entre directement en contact avec les électrons via l'électrode poreuse, sur les particules métalliques qui sont les centres de la réaction et avec les protons via un électrolyte polymère solide. Les protons intervenant dans la réduction du C02 proviennent directement de molécules d'eau introduites à l'anode. This generation of formic acid directly in the vapor state allows separation facilitated by condensation (in solid or liquid form) of formic acid from the gas stream. In doing so, the C0 2 comes into direct contact with the electrons via the porous electrode, on the metal particles that are the centers of the reaction and with the protons via a solid polymer electrolyte. The protons involved in the reduction of C0 2 come directly from water molecules introduced at the anode.
Par opposition, les procédés catalytiques d'hydrogénation du C02 qui utilisent nécessairement de l'hydrogène ayant une faible empreinte carbone, et donc généralement issu de l'électrolyse de l'eau ou comme sous-produit du procédé électrochimique chlore-soude, utilisent nécessairement deux étapes. In contrast, the catalytic hydrogenation processes of C0 2 which necessarily use hydrogen having a low carbon footprint, and therefore generally derived from the electrolysis of water or as a by-product of the electrochemical chlor-alkali process, use necessarily two steps.
La première étape est l'électrolyse pour la génération d'hydrogène, son stockage sous pression, puis dans une deuxième étape, une conversion catalytique, dans un deuxième procédé, avec des conditions spécifiques qui généralement ne sont pas adaptées avec les conditions d'un procédé intermittent (telle la production d'énergie éolienne ou encore solaire). The first step is electrolysis for the hydrogen generation, its storage under pressure, then in a second stage, a catalytic conversion, in a second process, with specific conditions which generally are not adapted with the conditions of a intermittent process (such as wind power generation or solar generation).
Le procédé selon la présente invention offre l'avantage d'utiliser uniquement de l'eau, du C02 et de l'électricité pour la génération d'acide formique par réduction du C02. L'utilisation d'électrodes poreuses à forte surface spécifique, associée à l'utilisation de particules métalliques catalysant la formation sélective d'acide formique, offre la possibilité de produire l'acide formique dans des conditions de densité de courant élevées et de séparation facilitée. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES The process according to the present invention offers the advantage of using only water, C0 2 and electricity for the generation of formic acid by CO 2 reduction. The use of high surface area porous electrodes, coupled with the use of metal particles catalyzing the selective formation of formic acid, offers the possibility of producing formic acid under high current density conditions and facilitated separation. . SUMMARY DESCRIPTION OF THE FIGURES
La figure 1 représente un module de production de l'acide formique montrant la partie anode et la partie cathode, les deux parties étant séparées par une membrane poreuse permettant le passage des ions H+. Figure 1 shows a formic acid production module showing the anode portion and the cathode portion, the two parts being separated by a porous membrane allowing the passage of H + ions.
La figure 2 est un schéma du procédé selon l'invention dans une première variante montrant le circuit de récupération de l'acide formique au moyen d'une boucle d'acide formique liquide. La figure 3 est un schéma du procédé selon l'invention dans une seconde variante montrant le recyclage du C02 résiduel vers la cellule électrolytique. DESCRIPTION SOMMAIRE DE L'INVENTION FIG. 2 is a diagram of the process according to the invention in a first variant showing the recovery circuit of formic acid by means of a liquid formic acid loop. Figure 3 is a diagram of the process according to the invention in a second variant showing the recycling of residual CO 2 to the electrolytic cell. SUMMARY DESCRIPTION OF THE INVENTION
La présente invention peut se définir comme un procédé électrochimique de production d'acide formique à partir de C02 et de vapeur d'eau introduit à la cathode et de vapeur d'eau introduite à l'anode, faisant appel à une ou plusieurs cellules électrochimiques en parallèle ou empilées, ledit procédé utilisant des cellules électrochimiques dont la cathode est composée d'un solide poreux conducteur et d'une couche active contenant des nanoparticules métalliques dispersées et catalysant la réaction sélectivement vers l'acide formique selon la réaction : C02 + H20→ HCOOH + ½ 02 The present invention can be defined as an electrochemical process for producing formic acid from CO 2 and water vapor introduced to the cathode and water vapor introduced to the anode, using one or more electrochemical cells. in parallel or stacked, said method using electrochemical cells whose cathode is composed of a porous conductive solid and an active layer containing dispersed metal nanoparticles and catalyzing the reaction selectively towards formic acid according to the reaction: C0 2 + H 2 0 → HCOOH + ½ 0 2
- à l'anode: la vapeur d'eau étant décomposée à l'anode en oxygène et en protons H+ H20→ ½ 02 + 2 H+ + 2e et, at the anode: the water vapor is decomposed at the anode with oxygen and protons H + H 2 0 → ½ 0 2 + 2 H + + 2e and,
- à la cathode: le dioxyde de carbone est réduit directement en phase vapeur sous l'effet d'un potentiel électrochimique au contact d'une cathode poreuse et d'un électrolyte polymère solide, C02 + 2 H+ + 2e → HCOOH at the cathode: the carbon dioxide is reduced directly in the vapor phase under the effect of an electrochemical potential in contact with a porous cathode and with a solid polymer electrolyte, C0 2 + 2H + + 2e → HCOOH
- l'acide formique produit est ensuite séparé du CO2 résiduel préférentiellement par cristallisation, the formic acid produced is then separated from the residual CO 2 preferentially by crystallization,
procédé dans lequel la densité surfacique de courant est supérieure à 0,1 A/cm2 et préférentiellement comprise entre 0,2 A/cm2 et 2 A/cm2, et la différence de potentiel entre l'anode et la cathode est inférieure à 4 volts. Selon une caractéristique préférée du procédé électrochimique de production d'acide formique selon l'invention, le catalyseur utilisé à la cathode de la cellule électrolytique est constitué de particules métalliques sélectionnées parmi celles qui présentent une sélectivité envers l'acide formique soit l'indium, l'étain, le plomb, le bismuth, le cadmium, le thallium pris seuls ou en mélange. De manière préférée, le catalyseur utilisé à la cathode de la cellule électrolytique est choisi parmi les métaux suivants: l'indium, l'étain, le plomb, le bismuth. method in which the surface density of the current is greater than 0.1 A / cm 2 and preferably between 0.2 A / cm 2 and 2 A / cm 2, and the potential difference between the anode and the cathode is less than 4 volts . According to a preferred characteristic of the electrochemical process for the production of formic acid according to the invention, the catalyst used at the cathode of the electrolytic cell consists of metal particles selected from those which have a selectivity towards formic acid, ie indium, tin, lead, bismuth, cadmium, thallium alone or as a mixture. Preferably, the catalyst used at the cathode of the electrolytic cell is selected from the following metals: indium, tin, lead, bismuth.
Selon une autre caractéristique préférée du procédé électrochimique de production d'acide formique selon l'invention, la température mesurée au niveau de la cellule électrochimique est comprise entre 20°C et 160°C. According to another preferred characteristic of the electrochemical process for the production of formic acid according to the invention, the temperature measured at the level of the electrochemical cell is between 20 ° C. and 160 ° C.
Selon une autre caractéristique préférée du procédé électrochimique de production d'acide formique selon l'invention, la pression dans le compartiment électrolytique est comprise entre 1 et 60 bar, et préférentiellement comprise entre 1 et 10 bar. According to another preferred characteristic of the electrochemical process for producing formic acid according to the invention, the pressure in the electrolytic compartment is between 1 and 60 bar, and preferably between 1 and 10 bar.
Selon une autre caractéristique préférée du procédé électrochimique de production d'acide formique selon l'invention, la vapeur d'eau introduite à l'anode est entraînée par un gaz vecteur inerte vis à vis de l'électro-oxydation. According to another preferred characteristic of the electrochemical process for producing formic acid according to the invention, the water vapor introduced into the anode is entrained by an inert carrier gas with respect to electro-oxidation.
Selon une autre caractéristique préférée du procédé électrochimique de production d'acide formique selon l'invention, le C02 introduit à la cathode de la cellule électrolytique est entraîné par un gaz vecteur inerte vis à vis de l'électro-réduction. Selon une autre caractéristique du procédé électrochimique de production d'acide formique selon l'invention, une boucle d'acide formique liquide circulant à température modérée de 25°C à 50°C permet l'élimination des cristaux d'acide formique formé dans l'échangeur 19a ou 19b, l'acide formique liquide venant du stockage 22, étant aspiré par la pompe 24 à travers le conduit 23, puis réchauffé dans l'échangeur de chaleur 25 à l'aide d'eau tempérée, ou par tout autre moyen de chauffage, avant d'être envoyé par le conduit 26 dans l'échangeur 19 a ou b, dans lequel la circulation de produit réfrigérant (20 a ou b) a été stoppée. According to another preferred characteristic of the electrochemical process for the production of formic acid according to the invention, the CO 2 introduced to the cathode of the electrolytic cell is driven by an inert carrier gas with respect to electro-reduction. According to another characteristic of the electrochemical process for producing formic acid according to the invention, a liquid formic acid loop circulating at a moderate temperature of 25 ° C. to 50 ° C. allows the elimination of the formic acid crystals formed in the exchanger 19a or 19b, the liquid formic acid from the storage 22, being sucked by the pump 24 through the conduit 23, and then reheated in the heat exchanger 25 with tempered water, or by any other heating means, before being sent through the conduit 26 in the exchanger 19 a or b, wherein the circulation of refrigerant (20 a or b) has been stopped.
Enfin dans une variante préférée du procédé selon la présente invention, le C02 résiduel obtenu après l'échangeur 19a ou 19b est recomprimé dans un compresseur et réintroduit avec le C02 au niveau du compartiment cathodique constituant la charge du procédé. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Finally, in a preferred variant of the process according to the present invention, the residual CO 2 obtained after exchanger 19a or 19b is recompressed in a compressor and reintroduced with CO 2 at the cathode compartment constituting the charge of the process. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Le procédé sera mieux compris au vu des figures 1, 2, et 3 décrites ci dessous. Description de la figure 1 The method will be better understood from FIGS. 1, 2 and 3 described below. Description of Figure 1
La figure 1 représente une cellule électrochimique utilisée dans le procédé selon l'invention. Un courant est appliqué entre une anode, composée des éléments 2, 3 et 4 et une cathode composée des éléments 6, 7 et 8. Les éléments 2 et 6 sont des plaques conductrices, éventuellement bipolaires dans le cas d'empilement de plusieurs cellules électrochimiques, chargées de distribuer les gaz et de collecter le courant électrique. On les rencontre classiquement dans les électrolyseurs (par exemple pour l'électrolyse de l'eau) ou les piles à combustibles. Ces plaques conductrices sont usinées ou embouties de manière à distribuer les gaz dans des conduits (9,10) creusés dans ces plaques. FIG. 1 represents an electrochemical cell used in the process according to the invention. A current is applied between an anode composed of elements 2, 3 and 4 and a cathode composed of elements 6, 7 and 8. The elements 2 and 6 are conductive plates, possibly bipolar in the case of stacking of several electrochemical cells. , responsible for distributing the gases and collecting the electric current. They are conventionally encountered in electrolysers (for example for the electrolysis of water) or fuel cells. These conductive plates are machined or stamped so as to distribute the gases in conduits (9, 10) formed in these plates.
Les éléments 3 et 7 sont des couches de diffusion en matériau conducteur poreux (typiquement en fibres de carbone), et les éléments 4 et 8 sont les couches catalytiques actives déposées soit sur les couches de diffusion, soit sur la membrane 5. Cette membrane 5 est un électrolyte polymère solide permettant le transfert des ions H+ entre l'anode et la cathode. The elements 3 and 7 are diffusion layers of porous conductive material (typically made of carbon fibers), and elements 4 and 8 are the active catalytic layers deposited either on the diffusion layers or on the membrane 5. This membrane 5 is a solid polymer electrolyte allowing the transfer of H + ions between the anode and the cathode.
La couche active 8 de la cathode est composée d'un matériau poreux conducteur (tel que du carbone poreux) contenant des nanoparticules de métal. Les particules métalliques pour la cathode utilisées pour l'invention sont choisis parmi celles qui présentent une sélectivité vers l'acide formique tels que l'indium, l'étain, le plomb, le bismuth, le cadmium, le thallium, seuls ou en mélange. The active layer 8 of the cathode is composed of a conductive porous material (such as porous carbon) containing nanoparticles of metal. The metal particles for the cathode used for the invention are chosen from those which have a selectivity towards formic acid such as indium, tin, lead, bismuth, cadmium, thallium, alone or as a mixture .
On envoie du côté anode dans la cavité 9 de l'eau, liquide ou préférentiellement sous forme de vapeur d'eau arrivant par le conduit 11. Lorsque l'on souhaite travailler avec de l'eau vapeur, l'eau peut être éventuellement entraînée par un gaz inerte vis-à-vis de l'électrolyse tel que l'azote, de façon à disposer d'eau vapeur à des températures inférieures à la température de vaporisation de l'eau à la pression de fonctionnement. Du côté cathodique, on envoie du C02 gazeux dans la cavité 10 par le conduit 13, à une pression comprise entre 1 et 60 bar absolu et à une température comprise entre 20°C et 160°C. Anode side is sent into the cavity 9 of the water, liquid or preferably in the form of water vapor arriving through the conduit 11. When it is desired to work with steam water, the water may be possibly entrained by a gas inert to electrolysis such as nitrogen, so as to have steam water at temperatures below the vaporization temperature of the water at the operating pressure. On the cathode side, CO 2 gas is sent into the cavity 10 via line 13 at a pressure of between 1 and 60 bar absolute and at a temperature of between 20 ° C. and 160 ° C.
Du côté anodique, l'eau, sous l'effet du courant, se décompose en oxygène et en protons H+. L'oxygène se dégage par le conduit 12, éventuellement en mélange avec la vapeur d'eau et éventuellement avec un gaz vecteur inerte tel que l'azote, provenant du conduit 11. On the anodic side, the water, under the effect of the current, decomposes into oxygen and H + protons. Oxygen is evolved via line 12, optionally mixed with steam and optionally with an inert carrier gas such as nitrogen, coming from line 11.
Les protons H+ sous l'effet du courant, migrent à travers la membrane en électrolyte polymère solide, depuis compartiment anodique vers le compartiment cathodique, et réagissent préférentiellement sur les sites métalliques de la cathode avec le C02 pour donner de l'acide formique qui quitte la cellule en mélange avec le C02 et les éventuels autres gaz contenus dans le C02 arrivant par le conduit 14. The protons H + under the effect of the current, migrate through the solid polymer electrolyte membrane, from the anode compartment to the cathode compartment, and preferentially react on the metal sites of the cathode with the CO 2 to give formic acid which leaves the cell mixed with the CO 2 and any other gases contained in the CO 2 arriving via the conduit 14.
De façon connue de l'homme du métier de l'électrolyse, plusieurs cellules électrochimiques peuvent être utilisées en parallèle ou en empilement, pour obtenir la capacité désirée d'acide formique. Le courant appliqué est optimisé de façon à garantir des densités de courant élevées tout en limitant la tension de cellule à une valeur inférieure ou égale à 4V, et préférentiellement inférieure ou égale à 3V. De cette manière, on évite au maximum les réactions secondaires, comme par exemple la génération d'hydrogène. In a manner known to those skilled in the art of electrolysis, several electrochemical cells may be used in parallel or in stacking, to obtain the desired capacity of formic acid. The applied current is optimized so as to guarantee high current densities while limiting the cell voltage to a value less than or equal to 4V, and preferably less than or equal to 3V. In this way, secondary reactions, such as, for example, the generation of hydrogen, are avoided to a minimum.
La densité surfacique de courant est généralement comprise entre 0,1 et 2A/cm2, et préférentiellement supérieure à 0,2 A/cm2, et de manière encore préférée supérieure à 0,4 A/cm2. Description de la figure 2 The surface density of current is generally between 0.1 and 2A / cm 2, and preferably greater than 0.2 A / cm 2, and more preferably greater than 0.4 A / cm 2. Description of Figure 2
La figure 2 représente un premier schéma de procédé de production d'acide formique suivant l'invention. L'eau ou la vapeur d'eau, éventuellement en mélange avec un gaz vecteur inerte, est introduite par le conduit 11 dans la cellule électrochimique (ou les cellules électrochimiques en parallèle ou empilées) notée 1. La sortie 12 contient de l'oxygène (ou un mélange oxygène-eau et éventuellement un gaz inerte, qui peut être séparé par condensation de l'eau). FIG. 2 represents a first flow diagram of formic acid production process according to the invention. Water or water vapor, optionally mixed with an inert carrier gas, is introduced via line 11 into the electrochemical cell (or the electrochemical cells in parallel or stacked) denoted 1. Outlet 12 contains oxygen (or an oxygen-water mixture and optionally an inert gas, which can be separated by condensation of water).
Le C02 est amené par le conduit 15 dans l'échangeur de chaleur 16 ou il est préchauffé par de la vapeur d'eau, ou tout autre moyen, avant d'être envoyé par le conduit 13 vers la ou les cellules 1. The CO 2 is fed through the conduit 15 into the heat exchanger 16 where it is preheated by steam or any other means before being sent via the conduit 13 to the cell or cells 1.
En sortie de la ou des cellules électrochimiques 1, un mélange C02 et acide formique, et les éventuels autres gaz contenus dans le C02 arrivant par le conduit 13, et éventuellement quelques traces d'hydrogène, de CO, et d'eau sont amenés par le conduit 14 vers l'échangeur de chaleur 17, dans lequel le mélange est refroidi et condensé partiellement à l'aide d'eau de refroidissement, ou d'air. At the outlet of the electrochemical cell (s) 1, a mixture C0 2 and formic acid, and any other gases contained in the CO 2 arriving via the conduit 13, and possibly some traces of hydrogen, CO, and water are brought by the conduit 14 to the heat exchanger 17, wherein the mixture is cooled and condensed partially with the aid of cooling water, or air.
Le mélange partiellement condensé est ensuite envoyé par le conduit 18 vers l'échangeur de chaleur 19a ou 19b, dans lequel il est refroidi aux alentours de 5°C par du propane ou un autre composé ou mélange réfrigérant circulant dans le conduit 20 a ou b. A cette température, l'acide formique se cristallise et se dépose sur les parois de l'échangeur. The partially condensed mixture is then sent through line 18 to the heat exchanger 19a or 19b, where it is cooled to around 5 ° C by propane or another compound or refrigerant mixture circulating in line 20a or b . At this temperature, the formic acid crystallizes and is deposited on the walls of the exchanger.
Le gaz résiduel, qui contient pour l'essentiel du C02, peut être évacué par le conduit 21, préférentiellement vers une torchère pour éliminer les traces éventuelles d'hydrogène, de CO, de méthane ou d'acide formique contenues dans ledit gaz résiduel. The residual gas, which essentially contains C0 2 , can be discharged via line 21, preferably to a flare, to eliminate any traces of hydrogen, CO, methane or formic acid contained in said residual gas. .
Lorsque la perte de charge est trop élevée dans l'échangeur 19a (respectivement 19b), en raison du dépôt de cristaux d'acide formique, le flux du conduit 18 est dirigé vers l'autre échangeur 19b (respectivement 19 a), qui a été débarrassé entre temps de l'acide formique cristallisé qu'il contient. Les deux échangeurs 19a et 19b fonctionnent donc en alternance l'un étant en position de dépôt des cristaux d'acide formique quand l'autre est en position d'élimination des cristaux). When the pressure drop is too high in the exchanger 19a (respectively 19b), due to the deposition of formic acid crystals, the flow of the conduit 18 is directed to the other exchanger 19b (respectively 19a), which has In the meantime, the crystallized formic acid which it contains has been freed. The two exchangers 19a and 19b therefore operate alternately, one being in the formic acid crystal deposition position when the other is in the crystal removal position).
L'élimination des cristaux d'acide formique est obtenue par circulation d'acide formique liquide venant du stockage 22, aspiré par la pompe 24 à travers le conduit 23, puis réchauffé dans l'échangeur de chaleur 25 à l'aide d'eau tempérée, ou par tout autre moyen de chauffage, avant d'être envoyé par le conduit 26 dans l'échangeur 19 a ou b, dans lequel la circulation de produit réfrigérant (20 a ou b) a été stoppée. The elimination of the formic acid crystals is obtained by circulation of liquid formic acid from the storage 22, sucked by the pump 24 through the conduit 23, and then reheated in the heat exchanger 25 with water temperate, or by any other means of heating, before being sent via line 26 into exchanger 19a or b, in which the circulation of refrigerant (20a or b) has been stopped.
L'acide formique circulé à température modérée (25 à 50°C) permet de faire fondre l'acide formique cristallisé déposé dans l'échangeur 19a ou 19b et de le ramener dans le stockage 22 par le conduit 27. Formic acid circulated at moderate temperature (25 to 50 ° C.) makes it possible to melt the crystallized formic acid deposited in exchanger 19a or 19b and to return it to storage 22 via line 27.
Description de la figure 3 Description of Figure 3
La figure 3 représente un deuxième schéma de procédé de production d'acide formique suivant l'invention dans lequel le C02 résiduel émis par le conduit 21 est recomprimé dans un compresseur 29 pour être réintroduit dans le flux d'entrée 15 au niveau de la cellule électrochimique 1. Cette variante est un perfectionnement de la version de base correspondant à la figure 2 qui permet de ne pas relibérer de C02 à l'atmosphère. L'eau ou la vapeur d'eau est introduite par le conduit 11 dans la cellule électrochimique (ou les cellules électrochimiques en parallèle) 1. FIG. 3 represents a second process flow diagram of formic acid production according to the invention in which residual CO 2 emitted by line 21 is recompressed in a compressor 29 to be reintroduced into the input stream 15 at the level of the cell Electrochemical 1. This variant is an improvement of the basic version corresponding to Figure 2 which allows not reliberate CO2 to the atmosphere. Water or water vapor is introduced via line 11 into the electrochemical cell (or electrochemical cells in parallel) 1.
La sortie 12 contient de l'oxygène (ou un mélange oxygène-eau et éventuellement un gaz inerte, qui peut être séparé par condensation de l'eau). Le C02 est amené par le conduit 15 dans l'échangeur de chaleur 16 dans lequel il est préchauffé par de la vapeur d'eau, ou tout autre moyen, avant d'être envoyé par le conduit 13 vers la ou les cellules 1. Outlet 12 contains oxygen (or an oxygen-water mixture and optionally an inert gas, which can be separated by condensation of water). The CO 2 is fed through the conduit 15 into the heat exchanger 16 in which it is preheated by steam, or any other means, before being sent through the conduit 13 to the cell or cells 1.
En sortie de la ou des cellules électrochimiques 1, un mélange C02 et acide formique est amené par le conduit 14 vers l'échangeur de chaleur 17, dans lequel le mélange est refroidi et condensé partiellement à l'aide d'eau de refroidissement, ou d'air. At the outlet of the electrochemical cell (s) 1, a mixture C0 2 and formic acid is fed through line 14 to the heat exchanger 17, in which the mixture is cooled and condensed partially with the aid of cooling water, or air.
Le mélange partiellement condensé est ensuite envoyé par le conduit 18 vers l'échangeur de chaleur 19 a ou 19b, dans lequel il est refroidi aux alentours de 5°C par du propane ou un autre composé ou mélange réfrigérant, circulant dans le conduit 20 a ou b. The partially condensed mixture is then sent through line 18 to the heat exchanger 19a or 19b, where it is cooled to about 5 ° C by propane or another compound or refrigerant mixture, circulating in line 20a. or b.
A cette température, l'acide formique cristallise et se dépose sur les parois de l'échangeur 19a ou 19b. Lorsque la perte de charge est trop élevée dans l'échangeur en raison des dépôts de cristaux d'acide formique, le flux du conduit 18 est dirigé vers l'autre échangeur 19b ou 19 a, qui a été débarrassé entre temps de l'acide formique cristallisé qu'il contient, par circulation d'acide formique liquide. Cet acide formique liquide provient du stockage 22, est aspiré par la pompe 24 à travers le conduit 23, puis est réchauffé dans l'échangeur de chaleur 25 à l'aide d'eau tempérée ou par un autre moyen de chauffage, avant d'être envoyé par le conduit 26 dans l'échangeur 19 a ou b, dans lequel la circulation de produit réfrigérant (20 a ou b) a été stoppée. L'acide formique circulé à température modérée (25 à 50°C) permet de faire fondre l'acide formique cristallisé sur les parois de l'échangeur 19b ou 19a, et de le ramener dans le stockage par le conduit 27. At this temperature, the formic acid crystallizes and is deposited on the walls of the exchanger 19a or 19b. When the pressure drop is too high in the exchanger because of the deposits of formic acid crystals, the flow of the conduit 18 is directed to the other exchanger 19b or 19a, which has been cleared in the meantime of the crystallized formic acid it contains, by circulation of liquid formic acid. This liquid formic acid comes from the storage 22, is sucked by the pump 24 through the conduit 23, and is then heated in the heat exchanger 25 with tempered water or by another heating means, before to be sent via line 26 into exchanger 19a or b, in which the circulation of refrigerant (20a or b) has been stopped. The formic acid circulated at moderate temperature (25 to 50 ° C.) makes it possible to melt crystallized formic acid on the walls of exchanger 19b or 19a, and to return it to storage via line 27.
Le gaz résiduel, qui contient pour l'essentiel du C02, et quelques traces d'acide formique (et éventuellement un gaz vecteur), est envoyé par le conduit 21 vers le compresseur 29, en mélange avec l'appoint de C02 amené par le conduit 28. The residual gas, which contains for the most part C0 2 , and some traces of formic acid (and possibly a carrier gas), is sent via line 21 to the compressor 29, mixed with the C0 2 feed brought by the conduit 28.
A la sortie du compresseur 29, le gaz est renvoyé par le conduit 15 vers l'échangeur de chaleur 16. At the outlet of the compressor 29, the gas is returned via the duct 15 to the heat exchanger 16.
EXEMPLE SELON L'INVENTION EXAMPLE ACCORDING TO THE INVENTION
Dans cet exemple, le rendement faradique est de 80%, la densité de courant est de 0,4 A/cm et la différence de potentiel entre les électrodes est de 3V. In this example, the faradic efficiency is 80%, the current density is 0.4 A / cm and the potential difference between the electrodes is 3V.
L'acide formique produit est de 10 000 tonnes/an (1,25 tonne/h) The formic acid produced is 10,000 tons / year (1.25 ton / h)
L'oxygène produit est de 3 470 tonnes/an, soit 300 Nm /h The oxygen produced is 3,470 tons / year, ie 300 Nm / h
La quantité de C02 consommée est de 9 560 tonnes/an (1,2 tonne/h ) The amount of C0 2 consumed is 9,560 tonnes / year (1.2 tonnes / h)
La quantité d'eau consommée est de 3910 tonnes/an (0,49 tonne/h) The quantity of water consumed is 3910 tonnes / year (0.49 tonnes / h)
La surface d'électrode nécessaire est de 455 m2 The electrode area required is 455 m 2
La consommation d'utilités est la suivante : The consumption of utilities is as follows:
Électricité : kWh/h Electricity: kWh / h
Cellule 1 5460 Compresseur 29 82 Cell 1 5460 Compressor 29 82
Pompe 24 1 Pump 24 1
Groupe froid 58 Total 5601 kWh/h Cold unit 58 Total 5601 kWh / h
La consommation d'eau est la suivante: The water consumption is as follows:
Vapeur d'eau basse pression (tonne/h) Low pressure water vapor (ton / h)
Échangeur 16 0,4 16 x 0.4 exchanger
Total: 0,4 tonne/h Total: 0.4 tonnes / h
Eau de refroidissement: m /h Cooling water: m / h
On suppose de l'eau à 25°C renvoyée à 35°C. Une partie de l'eau (15,3 m ) est refroidie de 25 à 20°C dans l'échangeur 25 pour réchauffer l'acide formique du stockage qui va permettre de fondre l'acide formique cristallisé dans l'échangeur 19 a ou b Water at 25 ° C returned to 35 ° C is assumed. Part of the water (15.3 m) is cooled from 25 to 20 ° C in the exchanger 25 to heat the formic acid storage which will allow to melt the crystallized formic acid in the exchanger 19 or b
Groupe froid 25 m /h Cold group 25 m / h
3 3
Echangeur 17 27 m /h Exchanger 17 27 m / h
Total 52 m3/h Total 52 m 3 / h
Cet exemple démontre la faisabilité économique du procédé selon l'invention, pour autant que le coût de l'électricité reste dans les valeurs actuelles. This example demonstrates the economic feasibility of the process according to the invention, provided that the cost of electricity remains in the current values.
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