WO2025078241A1 - Water-management for electrolysis-related reverse water-gas shift processes - Google Patents
Water-management for electrolysis-related reverse water-gas shift processes Download PDFInfo
- Publication number
- WO2025078241A1 WO2025078241A1 PCT/EP2024/077719 EP2024077719W WO2025078241A1 WO 2025078241 A1 WO2025078241 A1 WO 2025078241A1 EP 2024077719 W EP2024077719 W EP 2024077719W WO 2025078241 A1 WO2025078241 A1 WO 2025078241A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- water
- rwgs
- ion exchange
- storage tank
- gas phase
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F9/00—Multistage treatment of water, waste water or sewage
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
- C01B3/06—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents
- C01B3/12—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents by reaction of water vapour with carbon monoxide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/02—Treatment of water, waste water, or sewage by heating
- C02F1/04—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/42—Treatment of water, waste water, or sewage by ion-exchange
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
- C02F1/441—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis by reverse osmosis
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/469—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis
- C02F1/4693—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis electrodialysis
- C02F1/4695—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis electrodialysis electrodeionisation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2101/00—Nature of the contaminant
- C02F2101/10—Inorganic compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2301/00—General aspects of water treatment
- C02F2301/08—Multistage treatments, e.g. repetition of the same process step under different conditions
Definitions
- the present invention relates to improved water purification in power-to-liquid systems or processes based on reverse water gas shift reaction in conjunction with water electrolysis for synthesis gas production from carbon dioxide and hydrogen.
- Electrolysis is used in many processes to produce synthetic fuels or chemicals from renewable electricity, known as the power-to-liquid process.
- water is first split into hydrogen and oxygen using renewable electricity.
- the hydrogen is then used to reduce CO2 and, via appropriate synthesis, convert it into methanol, ethanol, other higher-value alcohols, and liquid hydrocarbons or their derivatives.
- a partial reduction of the CO2 to CO2 is first forced via a reverse water gas shift reaction (rWGS), as some synthesis catalysts, such as cobalt-containing systems, are unable to activate CO2 directly as a molecule.
- the first step is therefore to produce a synthesis gas (a mixture of CO2, H2 , and residual CO2).
- the reverse water gas shift reaction requires temperatures of at least 400°C, and preferably even above 700°C, to prevent side reactions such as the formation of methane or carbon.
- steam is added to prevent the formation of solid carbon.
- the water used for evaporation must meet high quality standards, as the catalysts of both the water gas shift reaction and those of the subsequent synthesis catalysts are sensitive to impurities. Impurities include primarily chlorides and Fluorides, as well as other anions.
- the removal of carbonate formers, i.e., the cations magnesium and calcium, is also important for the formation of solid deposits on the surfaces of recuperative heat exchangers or electrical heating systems for water evaporation.
- electrolysis Since electrolysis has similar water quality requirements, it is obvious that both electrolysis and rWGS are supplied with (almost) identical water. In such cases, normal drinking water is often first softened (to remove magnesium) and then freed of most of its ions via reverse osmosis. In electrodeionization, a combination of electrodialysis and ion exchange, residual amounts of conductive salt ions (e.g., sodium and chloride) that are harmful to the electrolysis are removed. Particularly in electrolysis with a polymer electrolyte, a high proportion of water is discharged from the electrolysis process to prevent accumulation on the membranes, meaning only a fraction of the water is used to generate hydrogen.
- conductive salt ions e.g., sodium and chloride
- the return water is often continuously treated using ion exchangers.
- the ion exchanger is usually located in a water storage tank, i.e., it operates alongside the water cycle rather than within it.
- the water quality obtained in this way is, according to current knowledge, sufficient to ensure long-term operation of the electrolysis system.
- silicon dioxide has been proven to deposit in the hot areas of the rWGS reactor during operation of the rWGS, despite the extensive cleaning measures.
- Silicates or free silicon present in drinking water are only partially removed by the cleaning process described above. For example, in a corresponding setup with a storage tank, a concentration of around 0.2 mg/L of silicon was repeatedly detected in the tank. Since similar silicon values were also found in the return flow from the electrolysis, the removal of water via the electrolysis does not lead to a depletion, but rather to an increase in the concentration of silicates.
- the silicates do not deposit in the evaporation process (i.e., in/at the evaporator) upstream of the rWGS, but are transported to the rWGS in the form of siloxanes (formed with hydrocarbons from the return of unconverted synthesis gas from the synthesis step) and are deposited as SiC both in the hot zones and on the catalyst of the rWGS reactor. It has been proven that the catalyst is deactivated, build-up of SiC layers in heat exchange zones and, in extreme cases, can even lead to blockage of channel structures within structured reactors for rWGS.
- the object of the present invention was therefore to overcome the disadvantages of the prior art described above and to provide devices and methods which no longer have these problems, or at least only to a considerably lesser extent, and in particular enable improved removal of silicon or silicon compounds from the water cycle in power-to-liquid systems which are based on water electrolysis and have connected rWGS.
- ambient temperature means a temperature of 20°C. Unless otherwise stated, temperatures are in degrees Celsius (°C).
- Pressure specifications within the scope of the present invention mean absolute pressure specifications, ie x bar means x bar absolute (bar a ) and not x bar gauge.
- the present invention is based on the fact that at least one additional purification stage or at least one additional purification step of the water treated by means of a deionization step according to the prior art is provided between the water storage tank and before introduction into the rWGS.
- a first subject of the present invention is accordingly a device for converting CO2 to hydrocarbons comprising a reverse water gas shift reaction for generating synthesis gas
- the device comprises: a water supply line, in particular for tap water, at least one device for treating the water comprising at least one of a softening device, a reverse osmosis device, an electrodeionization device, preferably, but not necessarily (depending on the initial quality of the supplied water), all three, at least one water storage tank connected downstream of the device for treating the water with a connected ion exchanger unit, which can comprise several individual ion exchangers and which is configured in particular for continuous water treatment, at least one rWGS device, at least one evaporator device which is connected upstream of the at least one rWGS device and evaporates water originating from the water storage tank before it is introduced into the at least one rWGS device, at least one electrolysis device which is preferably configured to be operated with electricity from renewable energies and which, in some variants, is preferably operated at least partially
- the device according to the invention comprises at least one additional device which is arranged between the at least one water storage tank and the water gas inlet into the at least one rWGS device. It is also important that this at least one additional device is separated from one or all of the ion exchanger units assigned to this water tank by at least one water storage tank.
- the at least one additional device is a) at least one ion exchange device, b) at least one gas phase filter device, or c) at least one ion exchange device, and at least one
- liquid water flows through the ion exchange device and gaseous water or a gas mixture containing gaseous water (containing one or more of H 2 , CO 2 , CO and optionally short-chain hydrocarbons) flows through the gas phase device.
- gaseous water or a gas mixture containing gaseous water containing one or more of H 2 , CO 2 , CO and optionally short-chain hydrocarbons
- the at least one ion exchange device is arranged between the at least one water storage tank and the at least one evaporator device upstream of the water gas inlet into the at least one rWGS device.
- the last individual ion exchanger through which the water flows is an acidic ion exchanger. It is further preferred if the ion exchanger through which the fluid flows first is a basic ion exchanger and the ion exchanger through which the fluid flows next is an acidic ion exchanger, and the ion exchangers are flowed through in this order.
- double exchanger cartridges replacement ion exchangers
- other multiple cartridges for example, triple, quadruple, or quintuple exchanger cartridges (triple, quadruple, or quintuple combination ion exchangers), can of course also be used, although it is usually more economical to use double exchanger cartridges (double combination ion exchangers).
- the term "cartridge” should not be interpreted as limiting cartridges in the true sense. Although it is often useful for practical reasons (e.g., interchangeability), Cartridges or cartridge-like containers are used, but individual ion exchangers with corresponding subunits but not designed in a cartridge-like manner serve the same purpose. Corresponding designs of ion exchangers, including multiple ion exchangers, are known to those skilled in the art.
- the at least one gas phase filter device is arranged between the at least one evaporator device upstream of the rWGS and the water gas inlet into the at least one rWGS.
- the at least one gas-phase filter device comprises two or more individual gas-phase filters, which are preferably interconnected such that water can flow through them sequentially, in parallel, or individually.
- all gas-phase filters can be blocked simultaneously; this then allows either the water supply to the rWGS to be blocked, or a diversion around or through the gas-phase filter device allows the water to be directed to the rWGS without further treatment through the gas-phase filter device.
- the present invention relates to a process for removing silicon and silicon compounds from the water circuit of a device for converting CO2 to hydrocarbons, comprising a reverse water gas shift reaction for generating synthesis gas.
- the device on which it is operated comprises at least: a water supply line, in particular for tap water, at least one device for treating the water, comprising at least one of a softening device, a reverse osmosis device, an electrodeionization device, preferably, but not necessarily (depending on the initial quality of the supplied water), all three, at least one water storage tank connected downstream of the device for treating the water, with a connected ion exchanger unit, which may comprise several individual ion exchangers, wherein the device is configured in particular for continuous water treatment, at least one rWGS device, at least one evaporator device connected upstream of the at least one rWGS device and evaporates water originating from the water storage tank before being introduced into the at least one rWGS device, at least one electrolysis device, which is preferably configured to be operated with electricity from renewable energies, and is preferably operated at least
- At least one mixing device for mixing the hydrogen originating from the at least one electrolysis device and the water gas introduced into the at least one rWGS device, wherein this at least one mixing device is arranged upstream of the at least one rWGS device, at the water gas inlet into the at least one rWGS device or within the at least one rWGS device, in preferred Variants designed as a multi-way valve or as described in DE 10 2017 120 814, there for example Figures 1 or 2, optionally at least one return for water discharged from the at least one electrolysis device into the water storage tank, wherein the return comprises a degassing device, this return is preferably implemented in particular in electrolysis with a polymer electrolyte and serves to avoid accumulation on the membranes.
- Gas phase filter device wherein these are separated from the ion exchange unit associated therewith at least by the at least one water storage tank, and wherein the at least one gas phase filter device is arranged downstream of the at least one ion exchange device;
- the ion exchange device is flowed through by liquid water and the gas phase device is flowed through by gaseous water or a gas mixture containing gaseous water (containing one or more of H 2 , CO 2 , CO and optionally short-chain hydrocarbons).
- gaseous water or a gas mixture containing gaseous water containing one or more of H 2 , CO 2 , CO and optionally short-chain hydrocarbons.
- the present invention relates to the use of at least one ion exchange device, at least one gas phase filter device, or at least one ion exchange device and at least one gas phase filter device for separating silicon, silicon compounds, or silicon and silicon compounds from the water circuit of devices for converting CO2 to hydrocarbons, comprising a reverse water gas shift reaction for generating synthesis gas and further comprising an electrolysis device, in addition to any ion exchange units that may be assigned to the water storage tank(s) in the device.
- the first fundamental possibility for achieving the objectives underlying the present invention therefore consists in the installation of at least one additional ion exchange device before the water is introduced into the rWGS.
- the connection of this ion exchange device can be carried out in a conventional and known manner.
- a preferred embodiment of the present invention is one in which the ion exchange device comprises two separate ion exchangers; one possible (but not the only possible) variant of this is illustrated in Figure 5.
- This preferred embodiment of the invention with two or more separate ion exchangers has the advantage, for example, that if one ion exchanger has to be removed for regeneration, continuous operation is still possible because the second stage continues to operate.
- This type of connection allows, for example, one (not switched off) ion exchanger to be operated (i.e., to allow water to flow through it) and to capture silicon and/or silicon compounds, while the second ion exchanger acts as a police filter (redundancy system). It is further preferred if, within the ion exchange device, downstream of each individual ion exchanger, which is preferably a double ion exchanger with, in the direction of flow, first a basic subunit and then an acidic subunit, a measuring device is arranged which is associated with the ion exchanger and measures the conductivity of the flowing fluid, the silicon concentration in the flowing fluid, or both.
- the silicon concentration after an ion exchanger reaches 50 ppb, preferably 35 ppb, particularly preferably 25 ppb, and especially 10 ppb, this is an indicator that the ion exchanger should be replaced. Accordingly, in preferred variants, upon detection of a silicon concentration of 50 ppb, preferably 35 ppb, particularly preferably 25 ppb, and especially 10 ppb, the respective (monitored/measured) ion exchanger is replaced, particularly during ongoing operation, with a second (or more) ion exchangers in the ion exchange device ensuring or taking over silicon removal.
- One method for detecting (or the absence of) silicon on solids, for example, catalysts in subsequent reaction steps, is energy-dispersive analysis in a microprobe apparatus.
- the respective (monitored/measured) ion exchanger is replaced, in particular in the ongoing operation, during which a second (or more) ion exchangers in the ion exchange device ensure or take over the silicon removal.
- the use of acidic ion exchangers is particularly possible. It is preferred if the respective ion exchange device and/or the respective individual ion exchangers contain a series connection of basic and acidic ion exchangers (or subunits) to further improve the retention of silicon and silicon compounds. A purely basic stage is less preferred, since basic ion exchangers can cause undesirable entrainment of cations.
- the second principle possibility to solve the problems underlying the present invention consists in the installation of an additional gas phase filter device downstream of the evaporator and before the introduction of the water (vapor) into the rWGS.
- the separation of silicon and silicon compounds takes place on aluminum oxides or aluminosilicates, which in particular also enable strong reactive adsorption of siloxanes at temperatures between 200-400°C.
- the third principal possibility for achieving the objects underlying the present invention consists in the installation of an additional ion exchange device, as described in detail above, before the water is introduced into the rWGS and an additional gas phase filter device, as described in detail above, downstream of the additional ion exchange device, in which case it is preferred that an evaporator device is arranged between the two additional devices in order to evaporate the water.
- Figure 1 shows a state-of-the-art circuit for water treatment with electrolysis starting from drinking or tap water W, often also called city water, including the option for rWGS. It can be seen that drinking water is extracted and fed to the treatment.
- the treatment in this figure is carried out using three consecutive steps: softening EH, reverse osmosis U/O and electrodeionization ED (each of which Wastewater A can arise). However, not all three steps always take place or not all three devices are always present.
- the treated water is then fed into the water storage tank WV, from where it is passed on to the electrolysis unit EL or the rWGS rW.
- the water coming from the tank enters the circuit from the left (see arrow) and leaves the circuit again on the right (see arrow).
- the water can be cleaned either via open VB-1, VB-3 and VB-8 serially in the sequence of ion exchangers F-1 and F-2 or with open VB-4, VB-2 and VB-6 in the sequence F-2 to F-1.
- the water flows from 1-2 via VB-2 to F-1 and from there via VB-6 towards the outlet (i.e. to the rWGS).
- the other valves are closed.
- the flow direction within the circuit variant shown is always from the left inlet to the right outlet.
- Figure 6 shows a circuit diagram for possible connections of the additional gas-phase filter device according to the invention.
- the circuit diagram shows variants according to the invention that have the same basic structure as shown in Figure 5. The only difference is that gas, rather than liquid, is passed through the gas-phase filter device, and that two gas-phase filters G1 and G2 are now present instead of ion exchangers.
- Figure 7 shows the measured pressure drop and the pressure drop change for the operation of a state-of-the-art rWGS reactor in which no silicon was removed as a function of time.
- Figure 8 shows the pressure curve and the pressure change for the operation of an rWGS reactor operated according to the invention, in which silicon was removed (by means of an ion exchange device), as a function of time.
- the recycle stream or streams Re can not only be fed directly into the RWGS rW and/or into the CO 2 stream (supplied to the rWGS) as indicated in the figures, but can also be fed back in at various points in the process, for example (but not exclusively) into the hydrogen stream coming from the electrolysis device EL, which is preferred in some variants of the present invention.
- An rWGS reactor was operated according to the state of the art—without the inventive water treatment supplement—coupled with a Fischer-Tropsch synthesis including the recycling of residual gas to the rWGS reactor at approximately 750°C and a total pressure of 7 bar. 0.2 mg/Si was detected in the line upstream of the evaporator.
- Figure 7 shows the pressure loss (dp - in bar) and the pressure loss change (dp/dt) for the operation of the state-of-the-art rWGS reactor as a function of time (t - in hours).
- an rWGS reactor according to the present invention with the inventive addition of two individual ion exchangers connected in series in an ion exchange device—was then operated, coupled with a Fischer-Tropsch synthesis including the recycling of residual gas to the rWGS reactor at approximately 750°C and a total pressure of 7 bar. No silicon was found in the line upstream of the evaporator.
- Figure 8 shows the pressure curve (dp - in bar) and the pressure change (dp/dt) for the inventive operation of the rWGS reactor as a function of time (t - in hours).
- the consequence of the absence of silicon is that no increase in pressure loss occurs over the period of approximately 95 hours in steady-state operation (after the second dashed vertical line in the figure). Between the first two dashed vertical lines, a similar operating point as in Figure 7 was approached; after the second dashed line, the throughput through the reactor is increased again by approximately 20%. With increased throughput, the water demand increases and would result in an even faster increase in pressure loss if silicon were present in the water. would be present; however, this is not the case. Nevertheless, no silicon was found on the catalyst.
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
Description
Wassermanagement für mit Elektrolysen verbundene reverse Wassergas- Shift- Prozesse Water management for reverse water gas shift processes associated with electrolysis
Alle in der vorliegenden Anmeldung zitierten Dokumente sind durch Verweis vollumfänglich in die vorliegende Offenbarung einbezogen (= incorporated by reference in their entirety). All documents cited in the present application are incorporated by reference in their entirety into the present disclosure.
Die vorliegende Erfindung betrifft verbesserte Wasseraufreinigung bei Power-to- Liquidsystemen bzw. -verfahren, welche auf reverser Wassergas-Shift-Reaktion in Verbindung mit Wasserelektrolyse zur Synthesegasbereitstellung aus Kohlendioxid und Wasserstoff beruhen. The present invention relates to improved water purification in power-to-liquid systems or processes based on reverse water gas shift reaction in conjunction with water electrolysis for synthesis gas production from carbon dioxide and hydrogen.
Stand der Technik: State of the art:
Bei der Erzeugung von synthetischen Kraftstoffen oder Chemikalien aus erneuerbarem Strom, dem so genannten Power-to-Liquid Verfahren, werden in vielen Verfahrensrouten Elektrolysen eingesetzt. In diesen Elektrolysen wird zunächst Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe des erneuerbaren Stroms zerlegt. Der Wasserstoff wird dann genutzt, um CO2 zu reduzieren und über entsprechende Synthesen in Methanol, Ethanol, andere höherwertige Alkohole sowie flüssige Kohlenwasserstoffe bzw. daraus abgeleitete Folgeprodukte umzuwandeln. In einigen Prozessen wird hierfür zunächst eine Teilreduktion des CO2 zu CO über reverse Wassergas-Shift-Reaktion (rWGS, engl. reverse water gas shift) erzwungen, da einige Synthesekatalysatoren wie zum Beispiel Kobalt-haltige Systeme, nicht in der Lage sind CO2 direkt als Molekül zu aktivieren. Es entsteht also zunächst ein Synthesegas (Mischung aus CO, H2 und Resten an CO2). Für die reverse Wassergas-Shift-Reaktion werden aus thermodynamischer Sicht mindestens 400°C, bevorzugt sogar Temperaturen oberhalb von 700°C benötigt, um Nebenreaktionen wie die Bildung von Methan oder Kohlenstoff zu verhindern. In fast allen Verfahrensvarianten der reversen Wassergas-Shift-Reaktion wird Wasserdampf zugesetzt, um die Bildung festen Kohlenstoffs zu verhindern. Das hierfür eingesetzte Wasser zur Verdampfung muss hohen Qualitätsansprüchen entsprechen, da die Katalysatoren sowohl der Wassergas- Shift-Reaktion als auch die der nachfolgenden Synthesekatalysatoren empfindlich auf Verunreinigungen sind. Zu den Verunreinigungen zählen vor allem Chloride und Fluoride, sowie andere Anionen. Für die Bildung von festen Belägen auf den Oberflächen von rekuperativ arbeitenden Wärmetauschern oder auch elektrischen Heizsystemen für die Wasserverdampfung ist außerdem die Entfernung von Carbonatbildnern, also den Kationen Magnesium und Kalzium, wichtig. Da Elektrolysen ein ähnliches Anforderungsprofil an die Wasserqualität haben, liegt es auf der Hand, dass sowohl Elektrolyse als auch rWGS mit (annähernd) identischem Wasser versorgt werden. Normales Trinkwasser wird in solchen Fällen oft zunächst enthärtet (Entfernung von Magnesium) und dann über eine Umkehrosmose von den meisten Ionen befreit. In der Elektrodeionisation, einer Kombination von Elektrodialyse und lonentausch, werden für die Elektrolyse schädliche Restmengen leitfähiger Salzionen (z.B. Natrium und Chlorid) entfernt. Insbesondere bei Elektrolysen mit einem Polymer- Elektrolyt wird zur Vermeidung von Akkumulation an den Membranen ein hoher Wasseranteil wieder aus dem Elektrolyseprozess ausgeschleust, d.h. nur ein Bruchteil des Wassers wird zur Erzeugung des Wasserstoffs umgesetzt. Damit ein möglichst hoher Nutzungsgrad des aufbereiteten Wassers vorliegt, wird dann oft eine Aufbereitung des Rücklaufwassers kontinuierlich über lonentauscher vorgenommen, wobei der lonentauscher in der Regel einem Wasservorratstank zugeordnet ist, also neben und nicht in dem eigentlichen Wasserkreislauf betrieben wird. Die so erhaltene Wasserqualität ist nach bisherigem Stand des Wissens ausreichend, um einen Langzeitbetrieb der Elektrolyse zu gewährleisten. Electrolysis is used in many processes to produce synthetic fuels or chemicals from renewable electricity, known as the power-to-liquid process. In these electrolysis processes, water is first split into hydrogen and oxygen using renewable electricity. The hydrogen is then used to reduce CO2 and, via appropriate synthesis, convert it into methanol, ethanol, other higher-value alcohols, and liquid hydrocarbons or their derivatives. In some processes, a partial reduction of the CO2 to CO2 is first forced via a reverse water gas shift reaction (rWGS), as some synthesis catalysts, such as cobalt-containing systems, are unable to activate CO2 directly as a molecule. The first step is therefore to produce a synthesis gas (a mixture of CO2, H2 , and residual CO2). From a thermodynamic perspective, the reverse water gas shift reaction requires temperatures of at least 400°C, and preferably even above 700°C, to prevent side reactions such as the formation of methane or carbon. In almost all process variants of the reverse water gas shift reaction, steam is added to prevent the formation of solid carbon. The water used for evaporation must meet high quality standards, as the catalysts of both the water gas shift reaction and those of the subsequent synthesis catalysts are sensitive to impurities. Impurities include primarily chlorides and Fluorides, as well as other anions. The removal of carbonate formers, i.e., the cations magnesium and calcium, is also important for the formation of solid deposits on the surfaces of recuperative heat exchangers or electrical heating systems for water evaporation. Since electrolysis has similar water quality requirements, it is obvious that both electrolysis and rWGS are supplied with (almost) identical water. In such cases, normal drinking water is often first softened (to remove magnesium) and then freed of most of its ions via reverse osmosis. In electrodeionization, a combination of electrodialysis and ion exchange, residual amounts of conductive salt ions (e.g., sodium and chloride) that are harmful to the electrolysis are removed. Particularly in electrolysis with a polymer electrolyte, a high proportion of water is discharged from the electrolysis process to prevent accumulation on the membranes, meaning only a fraction of the water is used to generate hydrogen. To ensure the highest possible utilization rate of the treated water, the return water is often continuously treated using ion exchangers. The ion exchanger is usually located in a water storage tank, i.e., it operates alongside the water cycle rather than within it. The water quality obtained in this way is, according to current knowledge, sufficient to ensure long-term operation of the electrolysis system.
Allerdings kommt es beim Betrieb der rWGS trotz der umfangreichen Reinigungsmaßnahmen nachweislich zur Abscheidung von Siliziumdioxid in den heißen Bereichen des rWGS-Reaktors. Im Trinkwasser vorhandene Silikate oder freies Silizium werden nur bedingt über den oben beschrieben Reinigungsprozess abgeschieden. So wurde in einem entsprechenden Aufbau mit Vorratstank mehrfach eine Konzentration von rund 0,2 mg/L Silizium im Tank nachgewiesen. Da im Rücklauf der Elektrolyse ebenfalls ähnliche Werte an Silizium gefunden wurden, kommt es durch den Entzug von Wasser über die Elektrolyse nicht zur Abreicherung, sondern eher zu einer Aufkonzentration von Silikaten. Die Silikate scheiden sich außerdem nicht im Verdampfungsprozess (also im/am Verdampfer) vor der rWGS ab, sondern werden ggf. in Form von Siloxanen (gebildet mit Kohlenwasserstoffen aus der Rückführung nicht umgesetzten Synthesegases aus dem Syntheseschritt) bis zur rWGS transportiert und sowohl in den heißen Zonen als auch am Katalysator des rWGS-Reaktors als SiC abgeschieden. Es kommt nachweislich zur Deaktivierung des Katalysators, Aufbau von SiC -Schichten in Wärmetauschzonen und kann im Extremfall sogar zur Verstopfung von Kanalstrukturen innerhalb strukturierter Reaktoren für rWGS kommen. However, despite extensive cleaning measures, silicon dioxide has been proven to deposit in the hot areas of the rWGS reactor during operation of the rWGS, despite the extensive cleaning measures. Silicates or free silicon present in drinking water are only partially removed by the cleaning process described above. For example, in a corresponding setup with a storage tank, a concentration of around 0.2 mg/L of silicon was repeatedly detected in the tank. Since similar silicon values were also found in the return flow from the electrolysis, the removal of water via the electrolysis does not lead to a depletion, but rather to an increase in the concentration of silicates. Furthermore, the silicates do not deposit in the evaporation process (i.e., in/at the evaporator) upstream of the rWGS, but are transported to the rWGS in the form of siloxanes (formed with hydrocarbons from the return of unconverted synthesis gas from the synthesis step) and are deposited as SiC both in the hot zones and on the catalyst of the rWGS reactor. It has been proven that the catalyst is deactivated, build-up of SiC layers in heat exchange zones and, in extreme cases, can even lead to blockage of channel structures within structured reactors for rWGS.
Beschreibungen zur Wasseraufreinigung sind zum Beispiel in den Leaflets „Keeping the water ultrapure inside electrolyzers challenges and solutions" oder „Water treatment for green hydrogen" der Eurowater - a Grundfoss Company zu finden.Descriptions of water purification can be found, for example, in the leaflets "Keeping the water ultrapure inside electrolyzers challenges and solutions" or "Water treatment for green hydrogen" from Eurowater - a Grundfoss Company.
Als Stand der Technik können zum Beispiel auch genannt werden US 2019/0359894 Al oder DE 697 21 814 T2. US 2019/0359894 A1 or DE 697 21 814 T2 can also be cited as state of the art.
Es besteht daher ein großes Interesse, Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, womit Silizium bzw. Siliziumverbindungen aus dem Wasserkreislauf aus Power-to-Liquid-Systemen, die auf Wasser-Elektrolyse basieren und angeschlossene rWGS aufweisen, so weit wie möglich zu entfernen. There is therefore great interest in providing devices and methods to remove silicon or silicon compounds from the water cycle of power-to-liquid systems based on water electrolysis and connected rWGS as far as possible.
Insofern besteht ausgehend von dem bekannten Stand der Technik immer noch ein erhebliches Bedürfnis, den bisherigen Stand der Technik zu verbessern. In this respect, based on the known state of the art, there is still a considerable need to improve the current state of the art.
Aufgabe: Task:
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es demgemäß, die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche diese Probleme nicht mehr, oder zumindest nur in erheblich geringerem Maße aufweisen und insbesondere verbesserte Entfernung von Silizium bzw. Siliziumverbindungen aus dem Wasserkreislauf bei Power-to-Liquid- Systemen, die auf Wasser-Elektrolyse basieren und angeschlossene rWGS aufweisen, ermöglichen. The object of the present invention was therefore to overcome the disadvantages of the prior art described above and to provide devices and methods which no longer have these problems, or at least only to a considerably lesser extent, and in particular enable improved removal of silicon or silicon compounds from the water cycle in power-to-liquid systems which are based on water electrolysis and have connected rWGS.
Weitere Aufgaben ergeben sich für den Fachmann bei Betrachtung der Ansprüche und aus der nachfolgenden Beschreibung. Further tasks will become apparent to the person skilled in the art when considering the claims and the following description.
Lösung: Solution:
Diese und weitere Aufgaben, die sich für den Fachmann aus der vorliegenden Beschreibung ergeben, werden durch die in den unabhängigen Ansprüchen dargestellten Gegenstände gelöst. Bevorzugte und besonders vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung dargestellt. These and other objects which will become apparent to the person skilled in the art from the present description are achieved by the subject matter presented in the independent claims. Preferred and particularly advantageous embodiments are presented in the dependent claims and the following description.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung: Detailed description of the invention:
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind alle Mengenangaben, sofern nicht anders angegeben, als Gewichtsangaben zu verstehen. In the context of the present invention, all quantities are to be understood as weights unless otherwise stated.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „Umgebungstemperatur" eine Temperatur von 20°C. Temperaturangaben sind, soweit nicht anders angegeben, in Grad Celsius (°C). In the context of the present invention, the term "ambient temperature" means a temperature of 20°C. Unless otherwise stated, temperatures are in degrees Celsius (°C).
Sofern nichts anderes angegeben wird, werden die angeführten Reaktionen bzw. Verfahrensschritte bei Umgebungsdruck (=Normaldruck/ Atmosphärendruck), d.h. bei 1013 mbar, durchgeführt. Unless otherwise stated, the reactions or process steps listed are carried out at ambient pressure (=normal pressure/atmospheric pressure), i.e. at 1013 mbar.
Druckangaben im Rahmen der vorliegenden Erfindung, solange nichts anderes angegeben ist, bedeuten absolute Druckangaben, d.h. x bar bedeutet x bar absolut (bara) und nicht x bar gauge. Pressure specifications within the scope of the present invention, unless otherwise stated, mean absolute pressure specifications, ie x bar means x bar absolute (bar a ) and not x bar gauge.
Die vorliegende Erfindung beruht darauf, dass mindestens eine zusätzliche Aufreinigungsstufe bzw. mindestens ein zusätzlicher Aufreinigungsschritt des mittels Deionisationsschritt gemäß Stand der Technik behandelten Wassers zwischen Wasservorratstank und vor Einleitung in die rWGS vorgesehen ist. The present invention is based on the fact that at least one additional purification stage or at least one additional purification step of the water treated by means of a deionization step according to the prior art is provided between the water storage tank and before introduction into the rWGS.
Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß eine Vorrichtung zur Umsetzung von CO2 zu Kohlenwasserstoffen umfassend eine reverse Wassergas-Shift- Reaktion zur Erzeugung von Synthesegas, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Wasserzuleitung, insbesondere für Leitungswasser, mindestens eine Vorrichtung zur Aufbereitung des Wassers umfassend mindestens eine von Enthärtungsvorrichtung, Umkehrosmosevorrichtung, Elektrodeionisierungsvorrichtung, bevorzugt, aber nicht notwendigerweise (abhängig von der Ausgangsqualität des zugeleiteten Wassers), alle drei, mindestens einen der Vorrichtung zur Aufbereitung des Wassers nachgeschalteten Wasservorratstank mit angeschlossener lonentauschereinheit, die mehrere einzelne lonentauscher umfassen kann, und die insbesondere zur kontinuierlichen Wasseraufbereitung konfiguriert ist, mindestens eine rWGS-Vorrichtung, mindestens eine Verdampfervorrichtung, die der mindestens einen rWGS- Vorrichtung vorgeschaltet ist und aus dem Wasservorratstank stammendes Wasser vor Einleitung in die mindestens eine rWGS-Vorrichtung verdampft, mindestens eine Elektrolysevorrichtung, die bevorzugt konfiguriert ist, mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben zu werden, und die in manchen Varianten bevorzugt zumindest zum Teil, insbesondere vollständig, mit aus dem Wasservorratstank stammendem Wasser betrieben wird, wobei die Vorrichtung so konfiguriert ist, dass zumindest ein Teil des in der mindestens einen Elektrolysevorrichtung erzeugten Wasserstoffs in die mindestens eine rWGS-Vorrichtung(en) geleitet wird, wobei die mindestens eine Elektrolysevorrichtung in bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung so gesteuert wird, dass die vollständige, für die rWGS benötigte Menge Wasserstoff, aus der mindestens einen Elektrolysevorrichtung stammt, also keine zusätzliche Wasserstoffquelle benötigt wird, optional, in bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, mindestens eine Mischvorrichtung zum Vermischen des aus der mindestens einen Elektrolysevorrichtung stammenden Wasserstoffs und des in die mindestens eine rWGS-Vorrichtung eingeleiteten Wasserdampfs, wobei diese mindestens eine Mischvorrichtung vor der mindestens einen rWGS-Vorrichtung, am Wasserdampf-Eintritt in die mindestens eine rWGS-Vorrichtung oder innerhalb der mindestens einen rWGS-Vorrichtung, angeordnet ist, in bevorzugten Varianten ausgestaltet als Mehrwegeventil oder wie in DE 10 2017 120 814 beschrieben, dort zum Beispiel Figuren 1 oder 2, optional mindestens einen Rücklauf für aus der mindestens einen Elektrolysevorrichtung ausgeschleustes Wasser in den Wasservorratstank, wobei der Rücklauf optional eine Entgasungsvorrichtung umfasst, dieser Rücklauf wird bevorzugt insbesondere bei Elektrolysen mit einem Polymer- Elektrolyt verwirklicht und dient zur Vermeidung von Akkumulation an den Membranen. A first subject of the present invention is accordingly a device for converting CO2 to hydrocarbons comprising a reverse water gas shift reaction for generating synthesis gas, wherein the device comprises: a water supply line, in particular for tap water, at least one device for treating the water comprising at least one of a softening device, a reverse osmosis device, an electrodeionization device, preferably, but not necessarily (depending on the initial quality of the supplied water), all three, at least one water storage tank connected downstream of the device for treating the water with a connected ion exchanger unit, which can comprise several individual ion exchangers and which is configured in particular for continuous water treatment, at least one rWGS device, at least one evaporator device which is connected upstream of the at least one rWGS device and evaporates water originating from the water storage tank before it is introduced into the at least one rWGS device, at least one electrolysis device which is preferably configured to be operated with electricity from renewable energies and which, in some variants, is preferably operated at least partially, in particular completely, with water originating from the water storage tank, wherein the device is configured such that at least a portion of the hydrogen generated in the at least one electrolysis device is fed into the at least one rWGS device(s), wherein the at least one electrolysis device is controlled in preferred embodiments of the present invention such that the complete amount of hydrogen required for the rWGS originates from the at least one electrolysis device, thus no additional hydrogen source is required, optionally, in preferred embodiments of the present invention, at least one mixing device for mixing the hydrogen originating from the at least one electrolysis device and the water vapor introduced into the at least one rWGS device, wherein this at least one mixing device is connected upstream of the at least one rWGS device, at the water vapor inlet into the at least one rWGS device or within the at least one rWGS device, is arranged, in preferred variants designed as a multi-way valve or as described in DE 10 2017 120 814, there for example Figures 1 or 2, optionally at least one return for water discharged from the at least one electrolysis device into the water storage tank, wherein the return optionally comprises a degassing device, this return is preferably implemented in particular in electrolysis with a polymer electrolyte and serves to avoid accumulation on the membranes.
Im Unterschied zum Stand der Technik umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine zusätzliche Vorrichtung, die zwischen dem mindestens einen Wasservorratstank und der Wassergas-Einleitung in die mindestens eine rWGS- Vorrichtung angeordnet ist. Wichtig ist dabei auch, dass diese mindestens eine zusätzliche Vorrichtung durch zumindest den mindestens einen Wasservorratstank von einer, bzw. allen, diesem Wassertank zugeordneten lonentauschereinheit(en) getrennt, ist. In contrast to the prior art, the device according to the invention comprises at least one additional device which is arranged between the at least one water storage tank and the water gas inlet into the at least one rWGS device. It is also important that this at least one additional device is separated from one or all of the ion exchanger units assigned to this water tank by at least one water storage tank.
Die erfindungsgemäß mindestens eine zusätzliche Vorrichtung ist a) mindestens eine lonentauschervorrichtung, b) mindestens eine Gasphasenfiltervorrichtung, oder c) mindestens eine lonentauschervorrichtung, und mindestens eineThe at least one additional device according to the invention is a) at least one ion exchange device, b) at least one gas phase filter device, or c) at least one ion exchange device, and at least one
Gasphasenfiltervorrichtung, wobei die mindestens eine Gasphasenfiltervorrichtung stromabwärts der mindestens einen lonentauschervorrichtung angeordnet ist). Gas phase filter device, wherein the at least one gas phase filter device is arranged downstream of the at least one ion exchange device).
In bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung wird die lonentauschervorrichtung von flüssigem Wasser durchströmt und die Gasphasenvorrichtung von gasförmigem Wasser bzw. einem gasförmiges Wasser enthaltenden Gasgemisch (enthaltend eines oder mehrere von H2, CO2, CO und gegebenenfalls kurzkettige Kohlenwasserstoffe). In preferred embodiments of the present invention, liquid water flows through the ion exchange device and gaseous water or a gas mixture containing gaseous water (containing one or more of H 2 , CO 2 , CO and optionally short-chain hydrocarbons) flows through the gas phase device.
In bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ist die mindestens eine lonentauschervorrichtung zwischen dem mindestens einen Wasservorratstank und der mindestens einen der Wassergas-Einleitung in die mindestens eine rWGS-Vorrichtung vorgeschalteten Verdampfervorrichtung angeordnet. In preferred embodiments of the present invention, the at least one ion exchange device is arranged between the at least one water storage tank and the at least one evaporator device upstream of the water gas inlet into the at least one rWGS device.
In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung umfasst die mindestens eine lonentauschervorrichtung zwei oder mehr individuelle lonentauscher, wobei diese insbesondere so verschaltet sind, dass sie nacheinander, parallel oder jeweils einzeln durchströmt werden können. In manchen Varianten können auch alle lonentauscher gleichzeitig gesperrt werden; dadurch kann dann entweder die Wasserversorgung zur rWGS gesperrt werden, oder aber eine Umleitung um die lonentauschervorrichtung herum, oder durch sie hindurch, erlaubt es das Wasser ohne weitere Aufbereitung durch die lonentauschervorrichtung zur rWGS zu leiten. In further preferred embodiments of the present invention, the at least one ion exchange device comprises two or more individual ion exchangers, which are particularly interconnected such that water can flow through them sequentially, in parallel, or individually. In some variants, all ion exchangers can be blocked simultaneously; this then either blocks the water supply to the rWGS, or a diversion around or through the ion exchange device allows the water to be directed to the rWGS without further treatment through the ion exchange device.
In weiteren Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn zumindest der zuletzt durchströmte individuelle lonentauscher ein saurer lonentauscher ist. Weiter bevorzugt ist es, wenn der zuerst durchströmte lonentauscher ein basischer lonentauscher ist und der danach durchströmte lonentauscher ein saurer lonentauscher und die lonentauscher in dieser Reihenfolge durchströmt werden. In besonders bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind auch die individuellen lonentauscher jeweils Kombinationsionentauscher bzw. Doppeltauscherkartuschen aus zwei sauren Subeinheiten bzw. Einzelkartuschen oder einer, in Strömungsrichtung zuerst angeordneten, basischen Kartusche (Subeinheit) und einer, in Strömungsrichtung zuletzt angeordneten, sauren Kartusche (Subeinheit), wobei letztere Anordnung (zuerst basisch, zuletzt sauer) insbesondere bevorzugt ist. Am allermeisten bevorzugt ist es erfindungsgemäß, wenn in der erfindungsgemäßen lonentauschervorrichtung zwei, oder mehr, individuelle lonentauscher angeordnet werden, welche jeweils Doppeltauscherkartuschen (Doppel- Kombinationsionentauscher) sind, umfassend in Strömungsrichtung zuerst eine basische lonentauscherkartusche (basische Subeinheit) und in Strömungsrichtung zuletzt eine saure lonentauscherkartusche (basische Subeinheit) aufweisen. In further embodiments of the present invention, it is preferred if at least the last individual ion exchanger through which the water flows is an acidic ion exchanger. It is further preferred if the ion exchanger through which the fluid flows first is a basic ion exchanger and the ion exchanger through which the fluid flows next is an acidic ion exchanger, and the ion exchangers are flowed through in this order. In particularly preferred variants of the present invention, the individual ion exchangers are also combination ion exchangers or double exchanger cartridges consisting of two acidic subunits or individual cartridges, or a basic cartridge (subunit) arranged first in the flow direction and an acidic cartridge (subunit) arranged last in the flow direction, the latter arrangement (basic first, acidic last) being particularly preferred. Most preferably, according to the invention, two or more individual ion exchangers are arranged in the ion exchange device according to the invention, each of which is a double exchanger cartridge (double combination ion exchanger), comprising first a basic ion exchanger cartridge (basic subunit) in the flow direction and last an acidic ion exchanger cartridge (basic subunit) in the flow direction.
Typischerweise werden kommerziell erhältliche lonentauscherharze in Form runder Perlen geliefert. Beispiele für basische lonentauscherharze sind z.B. Lewatit® ASB 1 P, ein hochwertiges, gelförmiges, stark basisches (Typ I) Anionenaustauscherharz, welches auf Grundlage eines vernetzten Styrol-Divinylbenzol-Polymers hergestellt wird. Ein Beispiel für ein stark saures lonentauscherharz ist Lewatit® C 249, ein gelförmiger Kationenaustauscher mit heterodisperser Kornverteilung, basierend auf einem Styrol-Divinylbenzol-Copolymerisat. Lewatit® C 249 kann sowohl in Einzelfilter- Schaltungen sowie auch als Kationenkomponente in Mischbetten eingesetzt werden. Lewatit® ASB 1 und Lewatit® C 429 sind kommerziell erhältliche Beispiele für im Rahmen der vorliegenden Erfindung (bevorzugt) einsetzbare lonentauscherharze; dem Fachmann sind ähnliche Produkte anderer Hersteller bekannt. Commercially available ion exchange resins are typically supplied in the form of round beads. Examples of basic ion exchange resins include Lewatit® ASB 1 P, a high-quality, gel-like, strongly basic (Type I) anion exchange resin produced from a crosslinked styrene-divinylbenzene polymer. An example of a strongly acidic ion exchange resin is Lewatit® C 249, a gel-like cation exchanger with a heterodisperse particle size distribution based on a styrene-divinylbenzene copolymer. Lewatit® C 249 can be used both in single-filter circuits and as a cation component in mixed beds. Lewatit® ASB 1 and Lewatit® C 429 are commercially available examples of ion exchange resins that can be used (preferably) in the context of the present invention; similar products from other manufacturers are known to those skilled in the art.
Anstelle der Doppeltauscherkartuschen (Kombinationsionentauscher) können selbstverständlich auch weitere Mehrfachkartuschen, zum Beispiel Dreifach-, Vierfach-, Fünffachtauscherkartuschen (Dreifach-, Vierfach-, Fünffach-Kombinationsionentauscher), eingesetzt werden, wobei es meist ökonomischer ist, Doppeltauscherkartuschen (Zweifach-Kombinationsionentauscher) einzusetzen. Zu berücksichtigen ist, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Begriff „Kartusche" nicht auf Kartuschen im eigentlichen Sinne limitierend auszulegen ist. Zwar ist es aus praktischen Gründen (zum Beispiel Austauschbarkeit) oft sinnvoll Kartuschen oder kartuschenartige Behälter zu verwenden, jedoch erfüllen individuelle lonentauscher, die entsprechende Subeinheiten aufweisen, aber nicht auf kartuschenartig ausgeführt sind, den gleichen Zweck. Dem Fachmann sind entsprechende Ausgestaltungen von lonentauschern, auch Mehrfachionentauschern, bekannt. Instead of double exchanger cartridges (combination ion exchangers), other multiple cartridges, for example, triple, quadruple, or quintuple exchanger cartridges (triple, quadruple, or quintuple combination ion exchangers), can of course also be used, although it is usually more economical to use double exchanger cartridges (double combination ion exchangers). It should be noted that, within the scope of the present invention, the term "cartridge" should not be interpreted as limiting cartridges in the true sense. Although it is often useful for practical reasons (e.g., interchangeability), Cartridges or cartridge-like containers are used, but individual ion exchangers with corresponding subunits but not designed in a cartridge-like manner serve the same purpose. Corresponding designs of ion exchangers, including multiple ion exchangers, are known to those skilled in the art.
Weiterhin ist es im Rahmen die vorliegende Erfindung bevorzugt, wenn die mindestens eine Gasphasenfiltervorrichtung zwischen der mindestens einen der Wassergas- Einleitung in die der rWGS vorgeschalteten Verdampfervorrichtung und der Wassergas-Einleitung in die mindestens eine rWGS angeordnet ist. Furthermore, it is preferred within the scope of the present invention if the at least one gas phase filter device is arranged between the at least one evaporator device upstream of the rWGS and the water gas inlet into the at least one rWGS.
In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung umfasst die mindestens eine Gasphasenfiltervorrichtung zwei oder mehr individuelle Gasphasenfilter, die bevorzugt so verschaltet sind, dass sie nacheinander, parallel oder jeweils einzeln durchströmt werden können. In manchen Varianten können auch alle Gasphasenfilter gleichzeitig gesperrt werden; dadurch kann dann entweder die Wasserversorgung zur rWGS gesperrt werden, oder aber eine Umleitung um die Gasphasenfiltervorrichtung herum, oder durch sie hindurch, erlaubt es das Wasser ohne weitere Aufbereitung durch die Gasphasenfiltervorrichtung zur rWGS zu leiten. In further preferred embodiments of the present invention, the at least one gas-phase filter device comprises two or more individual gas-phase filters, which are preferably interconnected such that water can flow through them sequentially, in parallel, or individually. In some variants, all gas-phase filters can be blocked simultaneously; this then allows either the water supply to the rWGS to be blocked, or a diversion around or through the gas-phase filter device allows the water to be directed to the rWGS without further treatment through the gas-phase filter device.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn die mindestens eine Gasphasenfiltervorrichtung Aluminiumoxidfilter oder Aluminosilikatfilter oder Aluminiumoxidfilter und Aluminosilikatfilter umfasst. Es ist weiter bevorzugt, wenn die Gasphasenfiltervorrichtung so konfiguriert ist, dass sie bei Temperaturen zwischen 200°C und 400°C betrieben wird. Within the scope of the present invention, it is preferred if the at least one gas-phase filter device comprises an alumina filter or aluminosilicate filter, or an alumina filter and aluminosilicate filter. It is further preferred if the gas-phase filter device is configured to operate at temperatures between 200°C and 400°C.
Weiterhin ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Entfernung von Silizium und Siliziumverbindungen aus dem Wasserkreislauf einer Vorrichtung zur Umsetzung von CO2 zu Kohlenwasserstoffen umfassend eine reverse Wassergas-Shift- Reaktion zur Erzeugung von Synthesegas. Furthermore, the present invention relates to a process for removing silicon and silicon compounds from the water circuit of a device for converting CO2 to hydrocarbons, comprising a reverse water gas shift reaction for generating synthesis gas.
Bevorzugt ist es dabei, wenn dieses Verfahren mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere wie oben (und weiter unten) beschrieben, betrieben wird Für das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Vorrichtung, auf der es betrieben wird, zumindest: eine Wasserzuleitung, insbesondere für Leitungswasser, mindestens eine Vorrichtung zur Aufbereitung des Wassers umfassend mindestens eine von Enthärtungsvorrichtung, Umkehrosmosevorrichtung, Elektrodeionisierungsvorrichtung, bevorzugt, aber nicht notwendigerweise (abhängig von der Ausgangsqualität des zugeleiteten Wassers), alle drei, mindestens einen der Vorrichtung zur Aufbereitung des Wassers nachgeschalteten Wasservorratstank mit angeschlossener lonentauschereinheit, die mehrere einzelne lonentauscher umfassen kann, wobei die insbesondere zur kontinuierlichen Wasseraufbereitung konfiguriert ist, mindestens eine rWGS-Vorrichtung, mindestens eine Verdampfervorrichtung, die der mindestens einen rWGS- Vorrichtung vorgeschaltet ist und aus dem Wasservorratstank stammendes Wasser vor Einleitung in die mindestens eine rWGS-Vorrichtung verdampft, mindestens eine Elektrolysevorrichtung, die bevorzugt konfiguriert ist, mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben zu werden, und bevorzugt zumindest zum Teil, insbesondere vollständig, mit aus dem Wasservorratstank stammendem Wasser betrieben wird, wobei die Vorrichtung so konfiguriert ist, dass zumindest ein Teil des in der mindestens einen Elektrolysevorrichtung erzeugten Wasserstoffs in die mindestens eine rWGS-Vorrichtung(en) geleitet wird, wobei die mindestens eine Elektrolysevorrichtung in bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung so gesteuert wird, dass die vollständige, für die rWGS benötigte Menge Wasserstoff, aus der mindestens einen Elektrolysevorrichtung stammt, also keine zusätzliche Wasserstoffquelle benötigt wird, optional, in bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, mindestens eine Mischvorrichtung zum Vermischen des aus der mindestens einen Elektrolysevorrichtung stammenden Wasserstoffs und des in die mindestens eine rWGS-Vorrichtung eingeleiteten Wassergases, wobei diese mindestens eine Mischvorrichtung vor der mindestens einen rWGS-Vorrichtung, am Wassergas-Eintritt in die mindestens eine rWGS-Vorrichtung oder innerhalb der mindestens einen rWGS-Vorrichtung, angeordnet ist, in bevorzugten Varianten ausgestaltet als Mehrwegeventil oder wie in DE 10 2017 120 814 beschrieben, dort zum Beispiel Figuren 1 oder 2, optional mindestens einen Rücklauf für aus der mindestens einen Elektrolysevorrichtung ausgeschleustes Wasser in den Wasservorratstank, wobei der Rücklauf eine Entgasungsvorrichtung umfasst, dieser Rücklauf wird bevorzugt insbesondere bei Elektrolysen mit einem Polymer-Elektrolyt verwirklicht und dient zur Vermeidung von Akkumulation an den Membranen.It is preferred if this method is operated with a device according to the invention, in particular as described above (and further below). For the method according to the invention, the device on which it is operated comprises at least: a water supply line, in particular for tap water, at least one device for treating the water, comprising at least one of a softening device, a reverse osmosis device, an electrodeionization device, preferably, but not necessarily (depending on the initial quality of the supplied water), all three, at least one water storage tank connected downstream of the device for treating the water, with a connected ion exchanger unit, which may comprise several individual ion exchangers, wherein the device is configured in particular for continuous water treatment, at least one rWGS device, at least one evaporator device connected upstream of the at least one rWGS device and evaporates water originating from the water storage tank before being introduced into the at least one rWGS device, at least one electrolysis device, which is preferably configured to be operated with electricity from renewable energies, and is preferably operated at least partially, in particular completely, with water originating from the water storage tank, wherein the device is configured such that at least part of the hydrogen generated in the at least one electrolysis device is converted into the at least one rWGS device(s) is conducted, wherein the at least one electrolysis device is controlled in preferred embodiments of the present invention such that the complete amount of hydrogen required for the rWGS originates from the at least one electrolysis device, i.e. no additional hydrogen source is required, optionally, in preferred embodiments of the present invention, at least one mixing device for mixing the hydrogen originating from the at least one electrolysis device and the water gas introduced into the at least one rWGS device, wherein this at least one mixing device is arranged upstream of the at least one rWGS device, at the water gas inlet into the at least one rWGS device or within the at least one rWGS device, in preferred Variants designed as a multi-way valve or as described in DE 10 2017 120 814, there for example Figures 1 or 2, optionally at least one return for water discharged from the at least one electrolysis device into the water storage tank, wherein the return comprises a degassing device, this return is preferably implemented in particular in electrolysis with a polymer electrolyte and serves to avoid accumulation on the membranes.
Wesentlich für das erfindungsgemäß Verfahren ist dabei, dass es, im Unterschied zum Stand der Technik, umfasst: What is essential for the method according to the invention is that, in contrast to the prior art, it comprises:
A) zusätzliches Anordnen zwischen dem mindestens einen Wasservorratstank (WV) und der Wassergas-Einleitung in die mindestens eine rWGS-Vorrichtung von a) mindestens einer lonentauschervorrichtung, b) mindestens einer Gasphasenfiltervorrichtung, oder c) mindestens einer lonentauschervorrichtung und mindestens einerA) additionally arranging between the at least one water storage tank (WV) and the water gas inlet into the at least one rWGS device a) at least one ion exchange device, b) at least one gas phase filter device, or c) at least one ion exchange device and at least one
Gasphasenfiltervorrichtung, wobei diese zumindest durch den mindestens einen Wasservorratstank von der diesem zugeordneten lonentauschereinheit getrennt sind, und wobei die mindestens eine Gasphasenfiltervorrichtung stromabwärts der mindestens einen lonentauschervorrichtung angeordnet ist; und Gas phase filter device, wherein these are separated from the ion exchange unit associated therewith at least by the at least one water storage tank, and wherein the at least one gas phase filter device is arranged downstream of the at least one ion exchange device; and
B) Durchleiten des aus dem mindestens einen Wasservorratstank kommenden Wassers durch die mindestens eine lonentauschervorrichtung oder durch die mindestens eine Gasphasenfiltervorrichtung, oder durch die mindestens eine lonentauschervorrichtung und die mindestens eine Gasphasenfiltervorrichtung, und in der oder den Vorrichtung(en) Abtrennen von Silizium oder Siliziumverbindungen oder Silizium und Siliziumverbindungen aus dem durchgeleiteten Wasser. B) Passing the water coming from the at least one water storage tank through the at least one ion exchange device or through the at least one gas phase filter device, or through the at least one ion exchange device and the at least one gas phase filter device, and separating silicon or silicon compounds or silicon and silicon compounds from the water passed through in the device(s).
In bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die lonentauschervorrichtung von flüssigem Wasser durchströmt und die Gasphasenvorrichtung von gasförmigem Wasser bzw. gasförmiges Wasser enthaltenden Gasgemisch (enthaltend eines oder mehrere von H2, CO2, CO und gegebenenfalls kurzkettige Kohlenwasserstoffe). Im Übrigen sind die oben für die Vorrichtung angeführten bevorzugten Ausgestaltungen analog auch auf das erfindungsgemäß Verfahren anzuwenden. In preferred embodiments of the process according to the invention, the ion exchange device is flowed through by liquid water and the gas phase device is flowed through by gaseous water or a gas mixture containing gaseous water (containing one or more of H 2 , CO 2 , CO and optionally short-chain hydrocarbons). Furthermore, the preferred embodiments mentioned above for the device are also applicable analogously to the method according to the invention.
Nicht zuletzt ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Verwendung mindestens einer lonentauschervorrichtung, mindestens einer Gasphasenfiltervorrichtung, oder mindestens einer lonentauschervorrichtung und mindestens einer Gasphasenfiltervorrichtung zur Abtrennung von Silizium, Siliziumverbindungen, oder Silizium und Siliziumverbindungen aus dem Wasserkreislauf von Vorrichtungen zur Umsetzung von CO2 zu Kohlenwasserstoffen umfassend eine reverse Wassergas-Shift- Reaktion zur Erzeugung von Synthesegas und weiterhin umfassend eine Elektrolysevorrichtung, zusätzlich zu in der Vorrichtung dem/den Wasservorratstank(s) eventuell zugeordneten lonentauschereinheiten. Last but not least, the present invention relates to the use of at least one ion exchange device, at least one gas phase filter device, or at least one ion exchange device and at least one gas phase filter device for separating silicon, silicon compounds, or silicon and silicon compounds from the water circuit of devices for converting CO2 to hydrocarbons, comprising a reverse water gas shift reaction for generating synthesis gas and further comprising an electrolysis device, in addition to any ion exchange units that may be assigned to the water storage tank(s) in the device.
Die erste prinzipielle Möglichkeit, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben zu lösen, besteht demgemäß in der Installation mindestens einer zusätzlichen lonentauschervorrichtung vor dem Einleiten des Wassers in die rWGS. Die Verschaltung dieser lonentauschervorrichtung kann auf übliche und bekannte Art und Weise ausgeführt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ist eine, bei der die lonentauschervorrichtung zwei separate lonentauscher umfasst, eine mögliche (aber nicht die ausschließlich mögliche) Variante davon ist in Figur 5 illustriert. The first fundamental possibility for achieving the objectives underlying the present invention therefore consists in the installation of at least one additional ion exchange device before the water is introduced into the rWGS. The connection of this ion exchange device can be carried out in a conventional and known manner. A preferred embodiment of the present invention is one in which the ion exchange device comprises two separate ion exchangers; one possible (but not the only possible) variant of this is illustrated in Figure 5.
Diese erfindungsgemäß bevorzugte Ausführungsform mit zwei - oder mehr - separaten lonentauschern hat, zum Beispiel den Vorteil, dass wenn ein lonentauscher zur Regeneration entfernt werden muss, dennoch ein kontinuierlicher Betrieb möglich ist, da die zweite Stufe noch weiterarbeitet. Die in der erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform gewählte Verschaltung, der separaten lonentauscher, dahingehend, dass diese wählbar in Reihe oder parallelgeschaltet sein können und insbesondere noch zusätzlich einzeln oder zusammen an- oder abgeschaltet werden können, erlaubt jeweils die Sicherstellung ausreichender Wasserqualität durch einen der beiden lonentauscher (oder bei entsprechend mehr lonentauschern die nicht abgeschalteten). Diese Art der Verschaltung erlaubt es zum Beispiel den einen (nicht abgeschalteten) lonentauscher zu betreiben (also von Wasser durchströmen zu lassen) und Silizium und/oder Siliziumverbindungen abzufangen, während der zweite lonentauscher als Polizeifilter (Redundanzsystem) agiert. Es ist ferner bevorzugt, wenn innerhalb der lonentauschervorrichtung stromabwärts nach jedem individuellen lonentauscher, der bevorzugt, ein Doppelionentauscher mit in Strömungsrichtung erst einer basischen Subeinheit und dann einer sauren Subeinheit ist, jeweils eine diesem zugeordnete Messvorrichtung angeordnet ist, welche die Leitfähigkeit des strömenden Fluids, die Siliziumkonzentration im strömenden Fluid oder beides misst. This preferred embodiment of the invention with two or more separate ion exchangers has the advantage, for example, that if one ion exchanger has to be removed for regeneration, continuous operation is still possible because the second stage continues to operate. The connection of the separate ion exchangers chosen in the preferred embodiment of the invention, in that they can be selectively connected in series or parallel and, in particular, can also be switched on or off individually or together, allows sufficient water quality to be ensured by one of the two ion exchangers (or, if there are more than one, the ones that are not switched off). This type of connection allows, for example, one (not switched off) ion exchanger to be operated (i.e., to allow water to flow through it) and to capture silicon and/or silicon compounds, while the second ion exchanger acts as a police filter (redundancy system). It is further preferred if, within the ion exchange device, downstream of each individual ion exchanger, which is preferably a double ion exchanger with, in the direction of flow, first a basic subunit and then an acidic subunit, a measuring device is arranged which is associated with the ion exchanger and measures the conductivity of the flowing fluid, the silicon concentration in the flowing fluid, or both.
Die Messung der Siliziumkonzentration erfolgt dabei zum Beispiel mittels Kieselsäure- Analysatoren, die genau den Si-Gehalt im Fluid (Speisewasser) überwachen und die Ermüdung von lonentauschern überwachen können. Diese Analysatoren basieren bevorzugt auf kolorimetrischen Standardmessverfahren, insbesondere der so genannten Heteropolyblau-Methode. The silicon concentration is measured, for example, using silica analyzers, which can precisely monitor the Si content in the fluid (feed water) and the fatigue of ion exchangers. These analyzers are preferably based on standard colorimetric measurement methods, particularly the so-called heteropolyblue method.
Sofern die Siliziumkonzentration nach einem lonentauscher 50 ppb, bevorzugt 35 ppb, besonders bevorzugt 25 ppb und insbesondere 10 ppb, erreicht, ist dies ein Indikator dafür, dass der lonentauscher getauscht werden sollte. In bevorzugten Varianten wird demgemäß bei Feststellung einer Siliziumkonzentration von 50 ppb, bevorzugt 35 ppb, besonders bevorzugt 25 ppb und insbesondere 10 ppb, der jeweilige (überwachte/gemessene) lonentauscher ausgetauscht, insbesondere im laufenden Betrieb, wobei währenddessen ein zweiter (oder mehrere) lonentauscher in der lonentauschervorrichtung die Silizium-Entfernung gewährleisten bzw. übernehmen. Eine Methode, um Silizium auf Feststoffen, zum Beispiel Katalysatoren in nachfolgenden Reaktionsschritten, nachzuweisen (oder die Abwesenheit) ist die energiedispersive Analyse in einer Mikrosondenapparatur. If the silicon concentration after an ion exchanger reaches 50 ppb, preferably 35 ppb, particularly preferably 25 ppb, and especially 10 ppb, this is an indicator that the ion exchanger should be replaced. Accordingly, in preferred variants, upon detection of a silicon concentration of 50 ppb, preferably 35 ppb, particularly preferably 25 ppb, and especially 10 ppb, the respective (monitored/measured) ion exchanger is replaced, particularly during ongoing operation, with a second (or more) ion exchangers in the ion exchange device ensuring or taking over silicon removal. One method for detecting (or the absence of) silicon on solids, for example, catalysts in subsequent reaction steps, is energy-dispersive analysis in a microprobe apparatus.
Die Messung der Leitfähigkeit erfolgt zum Beispiel über fachübliche (handelsübliche) Leitfähigkeitsmessgeräte. The conductivity is measured, for example, using standard (commercially available) conductivity measuring devices.
Es wird dabei die Leitfähigkeit des Fluids (Speisewasser) gemessen und eine Änderung in der Leitfähigkeit erfasst, welche ein Indikator für nachlassende lonentauschfähigkeit ist. Sofern die Leitfähigkeitsmessung nach einem lonentauscher eine Wertänderung um 0,5 pS/cm oder mehr, bevorzugt 0,4 pS/cm oder mehr, besonders bevorzugt 0,3 pS/cm oder mehr und insbesondere 0,2 pS/cm oder mehr, erreicht, ist dies ein Indikator dafür, dass der lonentauscher getauscht werden sollte. In bevorzugten Varianten wird demgemäß bei Feststellung einer Leitfähigkeitsänderung von 0,5 pS/cm oder mehr, bevorzugt 0,4 pS/cm oder mehr, besonders bevorzugt 0,3 pS/cm oder mehr und insbesondere 0,2 pS/cm oder mehr, der jeweilige (überwachte/gemessene) lonentauscher ausgetauscht, insbesondere im laufenden Betrieb, wobei währenddessen ein zweiter (oder mehrere) lonentauscher in der lonentauschervorrichtung die Silizium-Entfernung gewährleisten bzw. übernehmen. The conductivity of the fluid (feed water) is measured and a change in conductivity is recorded, which is an indicator of decreasing ion exchange capacity. If the conductivity measurement after an ion exchanger reaches a value change of 0.5 pS/cm or more, preferably 0.4 pS/cm or more, particularly preferably 0.3 pS/cm or more and in particular 0.2 pS/cm or more, this is an indicator that the ion exchanger should be replaced. In preferred variants, if a conductivity change of 0.5 pS/cm or more, preferably 0.4 pS/cm or more, particularly preferably 0.3 pS/cm or more and in particular 0.2 pS/cm or more, is detected, the respective (monitored/measured) ion exchanger is replaced, in particular in the ongoing operation, during which a second (or more) ion exchangers in the ion exchange device ensure or take over the silicon removal.
Besonders bevorzugt sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Messvorrichtungen, welche die Leitfähigkeit messen. Particularly preferred within the scope of the present invention are measuring devices which measure conductivity.
Denn es hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung überraschend gezeigt, dass insbesondere die Messung von (geringen) Leitfähigkeitsänderungen ein probates, weil ökonomisch und praktisch einfach zu implementieren, Mittel ist, um einen Durchbruch von Silizium zu verhindern. In the context of the present invention, it has surprisingly been shown that, in particular, the measurement of (small) conductivity changes is an effective means of preventing a breakdown of silicon because it is economical and practically easy to implement.
Möglich ist in dieser Ausführungsform insbesondere die Nutzung von sauren lonentauschern. Bevorzugt ist es, wenn in der jeweiligen lonentauschervorrichtung und/der den jeweiligen individuellen lonentauschern eine Reihenschaltung von basischem und saurem lonentauscher (bzw. Subeinheiten) vorliegt, um Silizium und Siliziumverbindungen noch besser zurückzuhalten. Eine rein basische Stufe ist weniger bevorzugt, da von basischen lonentauschern unerwünschte Verschleppungen von Kationen ausgehen können. In this embodiment, the use of acidic ion exchangers is particularly possible. It is preferred if the respective ion exchange device and/or the respective individual ion exchangers contain a series connection of basic and acidic ion exchangers (or subunits) to further improve the retention of silicon and silicon compounds. A purely basic stage is less preferred, since basic ion exchangers can cause undesirable entrainment of cations.
Die zweite prinzipielle Möglichkeit, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben zu lösen, besteht in der Installation einer zusätzlichen Gasphasenfiltervorrichtung stromabwärts des Verdampfers und vor der Einleitung des Wasser(dampf)s in die rWGS. The second principle possibility to solve the problems underlying the present invention consists in the installation of an additional gas phase filter device downstream of the evaporator and before the introduction of the water (vapor) into the rWGS.
Diese Ausführungsform beruht bevorzugt auf einer ähnlichen Verschaltung von einzelnen Gasphasenfiltern, wie die soeben beschriebene zusätzliche mindestens einer zusätzlichen lonentauschervorrichtung; es werden also zwei - oder mehr - Gasphasenfilter in der Vorrichtung in Serie oder parallel angeordnet, die einzelne oder zusammen an- oder abgeschaltet werden können. This embodiment is preferably based on a similar interconnection of individual gas-phase filters as the additional at least one additional ion exchange device just described; thus, two or more gas-phase filters are arranged in series or parallel in the device, which can be switched on or off individually or together.
Idealerweise erfolgt in dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform die Abtrennung von Silizium und Siliziumverbindungen dabei an Aluminiumoxiden bzw. Alumosilikaten, die insbesondere auch eine starke reaktive Adsorption von Siloxanen bei Temperaturen zwischen 200-400°C ermöglichen. Ideally, in this embodiment of the invention, the separation of silicon and silicon compounds takes place on aluminum oxides or aluminosilicates, which in particular also enable strong reactive adsorption of siloxanes at temperatures between 200-400°C.
Insofern kann die Abtrennung im Dampfstrom oder in dem Gemisch verschiedener Feedzusammenstellungen (H2+CO2+H2O, H2+H2O, oder CO2+H2O bzw. auch denkbaren Kombinationen mit rückgeführtem nicht in der Synthese umgesetztem Gas) erfolgen. Sind im CO2 ebenfalls Siloxane aus einem Vergärungsprozess von Biomasse oder Reststoffen) enthalten, kann die Reinigung als Verfahrenskombination erfolgen (im Strom CO2+H2O). In this respect, the separation can be carried out in the steam stream or in the mixture of different feed compositions (H2+CO2+H2O, H2+H2O, or CO2+H2O or conceivable combinations with recycled gas not converted in the synthesis). If the CO2 also contains siloxanes from a fermentation process of biomass or residues, the purification can be carried out as a process combination (in the stream CO2+H2O).
Die dritte prinzipielle Möglichkeit die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben zu lösen besteht in der Installation einer zusätzlichen lonentauschervorrichtung, wie oben im Detail beschrieben, vor dem Einleiten des Wasser in die rWGS und einer zusätzlichen Gasphasenfiltervorrichtung, wie oben im Detail beschrieben, stromabwärts der zusätzlichen lonentauschervorrichtung, wobei es in diesem Fall bevorzugt ist, dass zwischen den beiden zusätzlichen Vorrichtungen eine Verdampfervorrichtung angeordnet ist, um das Wasser zu verdampfen. The third principal possibility for achieving the objects underlying the present invention consists in the installation of an additional ion exchange device, as described in detail above, before the water is introduced into the rWGS and an additional gas phase filter device, as described in detail above, downstream of the additional ion exchange device, in which case it is preferred that an evaporator device is arranged between the two additional devices in order to evaporate the water.
Durch die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren ergeben sich einige signifikante Vorteile gegenüber dem bisherigen Stand der Technik, von denen einige, aber nicht alle, die folgenden sind: The devices and methods according to the invention provide several significant advantages over the prior art, some, but not all, of which are the following:
Höhere Umsätze an CO2 zu CO bzw. daraus folgendes niedrigeres H2/CO über verhinderte Si-Ablagerung auf der Katalysatoroberfläche. Si-Ablagerungen wurden ohne nachgeschaltete Reinigung nachgewiesen. Ebenso Ablagerungen in den Wärmetauschzonen der rWGS-Reaktoren. Higher CO2 to CO conversions and, consequently, lower H2 /CO through the prevention of Si deposition on the catalyst surface. Si deposits were detected without downstream purification. Deposits were also detected in the heat exchange zones of the rWGS reactors.
Verbesserungen im H2/CO sichtbar. Kein starker Druckverlustanstieg mehr wie noch ohne Nachreinigung. Improvements in H2 /CO are visible. No more significant increase in pressure loss, as was the case without post-cleaning.
Verbesserten Entfernung von Silizium und/oder Siliziumverbindungen aus dem Wasserkreislauf. Improved removal of silicon and/or silicon compounds from the water cycle.
Einfach in bereits bestehende Anlagen integrierbar (durch Zwischenschalten in existierende Rohrverbindungen). Easy to integrate into existing systems (by interposing into existing pipe connections).
Längere Lebensdauer von Vorrichtungen zur Umsetzung von CO2 zu Kohlenwasserstoffen umfassend eine reverse Wassergas-Shift-Reaktion zur Erzeugung von Synthesegas. Longer lifetime of devices for converting CO2 to hydrocarbons comprising a reverse water gas shift reaction to produce synthesis gas.
Der Fachmann kann die genaue Ausgestaltung der beschriebenen Vorrichtungen, sofern diese in dieser Beschreibung nicht explizit beschrieben sind, wie beispielsweise Größe, Wanddicken, Materialien etc. auf die für eine bestimmte Reaktion avisierten Reaktionsbedingungen im Rahmen seines allgemeinen Fachwissens vornehmen. Sofern bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen Teile oder die ganze Vorrichtung als „bestehend" aus gekennzeichnet sind, ist darunter zu verstehen, dass sich dies auf die genannten wesentlichen Bestandteile bezieht. Selbstverständliche oder inhärente Teile wie Leitungen, Ventile, Schrauben, Gehäuse, Messeinrichtungen, Vorratsbehälter für Edukte/ Produkte etc. sind dadurch nicht ausgeschlossen. The person skilled in the art can, insofar as these are not explicitly described in this description, determine the exact design of the devices described, such as size, wall thicknesses, materials, etc., to suit the reaction conditions envisaged for a specific reaction within the scope of his general technical knowledge. If, in the description of the devices according to the invention, parts or the entire device are marked as "consisting of", this is to be understood as referring to the essential components mentioned. Self-evident or inherent parts such as lines, valves, screws, housings, measuring devices, storage containers for reactants/products, etc. are not excluded.
Die einzelnen Teile der Vorrichtungen stehen dabei, soweit nicht explizit beschrieben, in fachüblicher und bekannter Art und Weise miteinander in Wirkverbindung. Unless explicitly described, the individual parts of the devices are operatively connected to one another in a manner customary and known in the art.
Die verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, z.B. - aber nicht ausschließlich - diejenigen der verschiedenen abhängigen Ansprüche, können dabei in beliebiger Art und Weise miteinander kombiniert werden, sofern solche Kombinationen sich nicht widersprechen. The various embodiments of the present invention, for example - but not exclusively - those of the various dependent claims, can be combined with one another in any desired manner, provided that such combinations do not contradict one another.
Fig urenbeschrei bung: Figure description:
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen sind dabei nicht limitierend auszulegen und nicht maßstabsgetreu. Die Zeichnungen sind schematisch und enthalten weiterhin nicht alle Merkmale, die übliche Vorrichtungen aufweisen, sondern sind auf die für die vorliegende Erfindung und ihr Verständnis wesentlichen Merkmale reduziert, beispielsweise sind Schrauben, Anschlüsse etc. nicht oder nicht im Detail dargestellt. Gleiche Bezugszeichen zeigen in den Figuren, der Beschreibung und den Ansprüchen gleiche Merkmale. Erläuternde Passagen, die sich nicht nur auf die jeweilige Figur direkt beziehen, sind entsprechend nicht auf diese beschränkt, sondern im Rahmen der gesamten Offenbarung zu verstehen. The present invention is explained in more detail below with reference to the drawings. The drawings are not to be interpreted in a limiting manner and are not to scale. The drawings are schematic and, furthermore, do not contain all features that conventional devices have, but are reduced to the features essential to the present invention and its understanding; for example, screws, connections, etc. are not shown or are not shown in detail. The same reference numerals indicate the same features in the figures, the description, and the claims. Explanatory passages that do not only refer directly to the respective figure are accordingly not limited to this, but are to be understood within the context of the entire disclosure.
Figur 1 zeigt eine Verschaltung gemäß dem bisherigen Stand der Technik für Wasseraufbereitung mit Elektrolyse ausgehend von Trink- bzw. Leitungswasser W, häufig auch Stadtwasser genannt, inklusive Option zur Abnahme für rWGS. Man erkennt, dass Trinkwasser entnommen wird und der Aufbereitung zugeführt wird. Die Aufbereitung in dieser Figur erfolgt mittels dreier aufeinander folgender Schritte: Enthärtung EH, Umkehrosmose U/O und Elektrodeionisierung ED (bei denen jeweils Abwasser A anfallen kann). Allerdings erfolgen nicht immer alle drei Schritte bzw. es sind nicht immer alle drei Vorrichtungen vorhanden. Das aufbereitete Wasser wird dann in den Wasservorratstank WV geleitet, von wo aus es der Elektrolyse EL bzw. der rWGS rW zugeleitet wird. Wie zu erkennen ist, ist dem Wasservorratstank WV eine eigene lonentauschereinheit IT zugeordnet, die dafür sorgen soll, dass das zwischen Elektrolyse EL und Wasservorratstank WV im Kreis geführte Wasser kontinuierlich von ungewünschten Verunreinigungen befreit wird. Diese Kreislaufführung ist in der Figur nur angedeutet, insbesondere ist der Rücklauf RI aus der Elektrolyse EL gezeigt, wobei diesem Rücklauf RI ein Entgaser EG zugeordnet ist. Wie ferner zu ersehen ist, wird aus dem Wasservorratstank WV Wasser entnommen und zur rWGs rW geleitet. Da die rWGS vorteilhafterweise mit gasförmigem Wasser bzw. gasförmiges Wasser enthaltendem Gasgemisch (enthaltend eines oder mehrere von H2, CO2, CO und gegebenenfalls kurzkettige Kohlenwasserstoffe) beschickt wird, ist zwischen Wasservorratstank WV und rWGS rW noch ein Verdampfer V angeordnet, der das (vollentsalzte) Wasser VE verdampft, bevor dieses als Dampf D der rWGS rW zugeführt wird. Wie ferner angedeutet ist, wird der rWGS rW auch CO2 oder CO2 enthaltendes Gasgemisch zugeführt. Das Problem bei solchen Vorrichtungen des Standes der Technik ist, dass das der rWGS rW (als Dampf D) zugeführte Wasser noch zu viele Verunreinigungen, insbesondere Silizium und/oder Siliziumverbindungen, enthalten kann. Zudem ist noch illustriert, dass aus der Elektrolyse EL stammender Wasserstoff H2 in die rWGS rW geleitet wird. Schließlich ist am rechten Rand der Figur illustriert, dass die Elektrolysevorrichtung EL Strom C zugeführt bekommt, bevorzugt erzeugt aus erneuerbaren Energien, und dass aus der rWGS rW in eine Synthese S, zum Beispiel einen Fischer-Tropsch-Prozess, weitergeleitet wird, woraus dann das Produkt Pr abgeleitet wird. Neben dem Produkt Pr fallen auch Reste an, die zum Teil als Recylestrom Re zurückgeführt werden - gezeigt ist hier, nur beispielhaft, direkt in die RWGS rW und/oder in den (der rWGS zugeführten) CC -Strom - und zum Teil als Purgestrom Pu abgeleitet (und verworfen oder anderweitig aufgearbeitet) werden bzw. werden können. Figure 1 shows a state-of-the-art circuit for water treatment with electrolysis starting from drinking or tap water W, often also called city water, including the option for rWGS. It can be seen that drinking water is extracted and fed to the treatment. The treatment in this figure is carried out using three consecutive steps: softening EH, reverse osmosis U/O and electrodeionization ED (each of which Wastewater A can arise). However, not all three steps always take place or not all three devices are always present. The treated water is then fed into the water storage tank WV, from where it is passed on to the electrolysis unit EL or the rWGS rW. As can be seen, the water storage tank WV is assigned its own ion exchange unit IT, which is intended to ensure that the water circulated between the electrolysis unit EL and the water storage tank WV is continuously freed of unwanted impurities. This circulation is only indicated in the figure; in particular, the return flow RI from the electrolysis unit EL is shown, with a deaerator EG assigned to this return flow RI. As can also be seen, water is taken from the water storage tank WV and fed to the rWGs rW. Since the rWGS is advantageously fed with gaseous water or a gas mixture containing gaseous water (containing one or more of H2 , CO2, CO and optionally short-chain hydrocarbons), an evaporator V is arranged between the water storage tank WV and the rWGS rW, which evaporates the (fully demineralized) water VE before it is fed to the rWGS rW as steam D. As further indicated, the rWGS rW is also fed with a gas mixture containing CO2 or CO2. The problem with such prior art devices is that the water fed to the rWGS rW (as steam D) may still contain too many impurities, in particular silicon and/or silicon compounds. In addition, it is illustrated that hydrogen H2 originating from the electrolysis EL is fed into the rWGS rW. Finally, the right-hand edge of the figure illustrates that the electrolysis device EL is supplied with electricity C, preferably generated from renewable energy sources, and that the rWGS rW is passed on to a synthesis S, for example, a Fischer-Tropsch process, from which the product Pr is then derived. In addition to the product Pr, residues are also produced, some of which are recycled as recycle stream Re—shown here, only as an example, directly into the RWGS rW and/or into the CC stream (fed to the rWGS)—and some of which are or can be derived as purge stream Pu (and discarded or otherwise processed).
Figur 2 illustriert eine Möglichkeit der erfindungsgemäßen lonentauscher-Variante der vorliegenden Erfindung. Die hier gezeigte Vorrichtung entspricht im Grundaufbau der in Figur 1 beschriebenen. Es ist allerdings festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung nicht 1: 1 auf solche Vorrichtungen beschränkt ist. Im Unterschied zu Figur 1 ist hier nun zwischen Wasservorratstank WV und Verdampfer V eine lonentauschervorrichtung F angeordnet. Das bedeutet, dass das aus dem Wasservorratstank WV kommenden Wasser vor der Verdampfung durch in der lonentauschervorrichtung F vorhandene(n) lonentauscher weiter gereinigt wird. Dadurch, dass die erfindungsgemäß angeordnete zusätzliche lonentauschervorrichtung F durch den Wasservorratstank WV von der diesem zugeordneten lonentauschereinheit IT getrennt ist, stellt die erfindungsgemäß angeordnete zusätzliche lonentauschervorrichtung F keine einfache Erweiterung des lonentauschereinheit IT dar, sondern ist eine eigenständige Vorrichtung, die überraschenderweise eine höhere Reinigungsleistung zeigt, als wenn die lonentauschereinheit IT vergrößert (zum Beispiel verdoppelt) worden wäre. Figure 2 illustrates one possible ion exchanger variant of the present invention. The device shown here corresponds in its basic structure to that described in Figure 1. However, it should be noted that the present invention is not limited 1:1 to such devices. In contrast to Figure 1, here An ion exchange device F is now arranged between the water storage tank WV and the evaporator V. This means that the water coming from the water storage tank WV is further purified before evaporation by the ion exchanger(s) present in the ion exchange device F. Because the additional ion exchange device F arranged according to the invention is separated from the ion exchange unit IT assigned to it by the water storage tank WV, the additional ion exchange device F arranged according to the invention does not represent a simple extension of the ion exchange unit IT, but is an independent device which, surprisingly, shows a higher purification performance than if the ion exchange unit IT had been enlarged (for example, doubled).
Figur 3 illustriert eine Möglichkeit der erfindungsgemäßen Gasphasenfilter-Variante der vorliegenden Erfindung. Die hier gezeigte Vorrichtung entspricht im Grundaufbau der in Figur 1 beschriebenen. Es ist allerdings festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung nicht 1: 1 auf solche Vorrichtungen beschränkt ist. Im Unterschied zu Figur 1 ist hier nun zwischen Verdampfer V und rWGS rW eine Gasphasenfiltervorrichtung GF angeordnet. Das bedeutet, dass das aus dem Wasservorratstank WV kommenden Wasser nach der Verdampfung durch in der Gasphasenfiltervorrichtung GF vorhandene(n) Gasphasenfilter weiter gereinigt wird. Auch diese Variante zeigt überraschenderweise eine höhere Reinigungsleistung, als wenn die lonentauschereinheit IT vergrößert (zum Beispiel verdoppelt) worden wäre. Zusätzlich ist hier noch illustriert, dass die Zuführung von CO2 oder CO2 enthaltendem Gasgemisch nicht nur in die rWGS rW erfolgen kann, sondern auch (alternativ oder zusätzlich) in die Gasphasenfiltervorrichtung GF. Figure 3 illustrates one possible gas phase filter variant of the present invention. The device shown here corresponds in basic structure to that described in Figure 1. However, it should be noted that the present invention is not limited 1:1 to such devices. In contrast to Figure 1, a gas phase filter device GF is arranged between the evaporator V and the rWGS rW. This means that the water coming from the water storage tank WV is further purified after evaporation by the gas phase filter(s) present in the gas phase filter device GF. Surprisingly, this variant also shows a higher purification performance than if the ion exchange unit IT had been enlarged (e.g., doubled). In addition, it is also illustrated here that the supply of CO2 or a CO2-containing gas mixture can take place not only in the rWGS rW, but also (alternatively or additionally) in the gas phase filter device GF.
Figur 4 illustriert eine Möglichkeit der erfindungsgemäßen Kombination von lonentauscher-Variante mit Gasphasenfilter-Variante der vorliegenden Erfindung. Die hier gezeigte Vorrichtung entspricht im Grundaufbau der in Figur 1 beschriebenen. Es ist allerdings festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung nicht 1: 1 auf solche Vorrichtungen beschränkt ist. Im Unterschied zu Figur 1 sind hier nun zum einen zwischen Wasservorratstank WV und Verdampfer V eine lonentauschervorrichtung F und zum anderen zwischen Verdampfer V und rWGS rW eine Gasphasenfiltervorrichtung GF angeordnet. Zusätzlich ist hier noch illustriert, dass die Zuführung von CO2 oder CO2 enthaltendem Gasgemisch nicht nur in die rWGS rW erfolgen kann, sondern auch (alternativ oder zusätzlich) in die Gasphasenfiltervorrichtung GF. Hier wird nun also das aus dem Wasservorratstank WV kommende Wasser durch zwei verschiedene, zusätzliche Vorrichtungen weiter aufgereinigt. Diese Variante für zu einem nochmals erheblich verbesserten Reinheitsgehalt des in die rWGS rW eingeleiteten Wassers. Figure 4 illustrates one possible combination of the ion exchanger variant with the gas phase filter variant of the present invention. The device shown here corresponds in its basic structure to that described in Figure 1. However, it should be noted that the present invention is not limited 1:1 to such devices. In contrast to Figure 1, here, on the one hand, an ion exchanger device F is arranged between the water storage tank WV and the evaporator V, and on the other hand, a gas phase filter device GF is arranged between the evaporator V and the rWGS rW. In addition, it is also illustrated here that the CO2 or a CO2-containing gas mixture can be fed not only into the rWGS rW, but also (alternatively or additionally) into the gas phase filter device GF. Here, the water coming from the water storage tank WV is further purified by two different, additional devices. This variant results in a further significant improvement in the purity of the water fed into the rWGS rW.
Figur 5 illustriert eine mögliche Verschaltung für eine dem Wasservorratstank WV nachfolgende Aufreinigung mittels lonentauschervorrichtung F, wobei die Flussrichtung von links nach rechts (an den Schnittlinien) läuft. Die Illustration zeigt dabei eine Sequenz zweier individueller lonentauscher F-l und F-2 bzw. F-2 und F- 1, was erfindungsgemäß bevorzugte Varianten darstellen; es können aber auch mehr individuelle lonentauscher angeordnet werden (sowohl seriell als auch parallel bzw. umschaltbar seriell und/oder parallel), oder auch lediglich einen lonentauscher F-l (abhängig unter anderem von der Dimensionierung der Anlage und der Belastung des Wassers mit Silizium bzw. Siliziumverbindungen), wobei diese Alternativen nicht durch die Figur 5 illustriert werden, da dann /zumindest zum Teil) die Flussrichtungen geändert sein können. Figure 5 illustrates a possible circuit for purification downstream of the water storage tank WV using an ion exchanger device F, with the flow direction running from left to right (along the intersection lines). The illustration shows a sequence of two individual ion exchangers F-1 and F-2 or F-2 and F-1, which represent preferred variants according to the invention; however, more individual ion exchangers can also be arranged (both in series and in parallel, or switchably in series and/or in parallel), or even just one ion exchanger F-1 (depending, among other things, on the dimensioning of the system and the contamination of the water with silicon or silicon compounds). These alternatives are not illustrated in Figure 5, since in this case the flow directions can be changed (at least in part).
Das vom Tank kommende Wasser gelangt in den gemäß Figur 5 illustrierten erfindungsgemäßen Varianten von links in die Verschaltung (siehe Pfeil) und verlässt die Verschaltung rechts (siehe Pfeil) wieder. Das Wasser kann entweder über geöffneten VB-1, VB-3 und VB-8 seriell in die Sequenz von lonentauschern F-l und F-2 oder mit geöffnetem VB-4, VB-2 und VB-6 in die Sequenz F-2 zu F-l gereinigt werden. Bei der gezeigten Verschaltung von F-2 nach F-l fließt der Wasserfluss von 1-2 über VB-2 nach F-l und von dort aus über VB-6 Richtung Ausgang (also zur rWGS). Die anderen Hähne sind jeweils geschlossen. Die Flussrichtung innerhalb der gezeigten Verschaltungsvariante ist immer von linkem Eingang zum rechten Ausgang. In the variants according to the invention illustrated in Figure 5, the water coming from the tank enters the circuit from the left (see arrow) and leaves the circuit again on the right (see arrow). The water can be cleaned either via open VB-1, VB-3 and VB-8 serially in the sequence of ion exchangers F-1 and F-2 or with open VB-4, VB-2 and VB-6 in the sequence F-2 to F-1. In the circuit shown from F-2 to F-1, the water flows from 1-2 via VB-2 to F-1 and from there via VB-6 towards the outlet (i.e. to the rWGS). The other valves are closed. The flow direction within the circuit variant shown is always from the left inlet to the right outlet.
Figur 6 zeigt ein Schaltbild für mögliche Verschaltungen der erfindungsgemäßen zusätzlichen Gasphasenfiltervorrichtung. Das Schaltbild zeigt dabei erfindungsgemäße Varianten, die den gleichen prinzipiellen Aufbau aufweisen, wie gemäß Figur 5. Unterschied ist lediglich, dass durch die Gasphasenfiltervorrichtung keine Flüssigkeit, sondern Gas geleitet wird, und dass statt der lonentauscher nun zwei Gasphasenfilter G-l und G2 vorhanden sind. Figur 7 zeigt den gemessenen Druckverlust sowie die Druckverluständerung für den Betrieb eines rWGS-Reaktors nach dem Stand der Technik, bei dem kein Silizium entfernt wurde, als Funktion der Zeit. Figure 6 shows a circuit diagram for possible connections of the additional gas-phase filter device according to the invention. The circuit diagram shows variants according to the invention that have the same basic structure as shown in Figure 5. The only difference is that gas, rather than liquid, is passed through the gas-phase filter device, and that two gas-phase filters G1 and G2 are now present instead of ion exchangers. Figure 7 shows the measured pressure drop and the pressure drop change for the operation of a state-of-the-art rWGS reactor in which no silicon was removed as a function of time.
Figur 8 zeigt den Druckverlauf sowie die Druckänderung für den Betrieb eines erfindungsgemäß betriebenen rWGS-Reaktors, bei dem Silizium (mittels lonentauschervorrichtung) entfernt wurde, als Funktion der Zeit. Figure 8 shows the pressure curve and the pressure change for the operation of an rWGS reactor operated according to the invention, in which silicon was removed (by means of an ion exchange device), as a function of time.
Allgemein können der Recylcestrom oder die Recycleströme Re jedoch nicht nur wie in den Figuren angedeutet direkt in die RWGS rW und/oder in den (der rWGS zugeführten) CO2-Strom eingespeist werden, sondern an verschiedenen Stellen des Prozesses wieder eingespeist werden, so zum Beispiel (aber nicht ausschließlich), in den von der Elektrolysevorrichtung EL kommenden Wasserstoffstrom, was in einigen Varianten der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist. In general, however, the recycle stream or streams Re can not only be fed directly into the RWGS rW and/or into the CO 2 stream (supplied to the rWGS) as indicated in the figures, but can also be fed back in at various points in the process, for example (but not exclusively) into the hydrogen stream coming from the electrolysis device EL, which is preferred in some variants of the present invention.
Es kann beispielsweise sinnvoll sein, CO2 und H2O zu kombinieren, unter dem Aspekt, dass über die Feeds Silizium kommen kann (Silikate/Kieselsäure im H2O und Siloxane im CO2). Es kann auch die Kombination H2O + H2 + Recylcestrom separat von CO2 sinnvoll sein, unter dem Aspekt, Koksbildung zu verhindern. Entsprechend vielfältig sind die möglichen Variationen dessen, wo der Recyclestrom wieder eingespeist werden kann und mit welchem Strom welcher andere Strom zuerst vermischt werden kann. Die Option H2O oder H2O+CO2 über den Gasphasenfilter ist eine erfindungsgemäß bevorzugte Option. Man kann zum Beispiel (was in Figur 1 nicht gezeigt ist) Wasserstoff (aus der Elektrolysevorrichtung EL) in die Fluid- Mischung vor den Gasphasenfilter ergänzen. Am meisten Sinn macht es prozesstechnisch üblicherweise, wenn das CO2 mit über den Gasphasenfilter geleitet wird, weil im CO2 Siloxane (also eine Quelle für SiO2) enthalten sein können. It may, for example, be sensible to combine CO2 and H2O so that silicon can come via the feeds (silicates/silica in the H2O and siloxanes in the CO2 ). The combination of H2O + H2 + recycle stream separate from CO2 may also be sensible so as to prevent coke formation. The possible variations as to where the recycle stream can be fed back in and which other stream can be mixed with which stream first are correspondingly diverse. The option of H2O or H2O + CO2 via the gas phase filter is a preferred option according to the invention. For example (which is not shown in Figure 1) hydrogen (from the electrolysis device EL) can be added to the fluid mixture upstream of the gas phase filter. From a process engineering perspective, it usually makes the most sense if the CO2 is also passed through the gas phase filter because CO2 can contain siloxanes (a source of SiO2 ).
Bezuaszeichenliste: Reference list:
A Abwasser(-strom) A Wastewater (stream)
C Strom (insbesondere aus erneuerbaren Energien) C Electricity (especially from renewable energies)
D Dampf(-strom) D Steam (stream)
ED Elektrodeionisierung(-svorrichtung) EG Entgasung(-svorrichtung) ED electrodeionization (device) EC degassing device
EH Enthärtung(-svorrichtung) EH water softening device
EL Elektrolyse(-vorrichtung) EL electrolysis (device)
F lonentauschervorrichtung (erfindungsgemäß, umfassend F-l und gegebenenfalls F-2, F-3...) F ion exchange device (according to the invention, comprising F-1 and optionally F-2, F-3...)
F-l lonentauscher (Teil der zusätzlichen erfindungsgemäßen lonentauschervorrichtung F) F-l ion exchanger (part of the additional ion exchange device F according to the invention)
F-2 lonentauscher (Teil der zusätzlichen erfindungsgemäßen lonentauschervorrichtung F) F-2 ion exchanger (part of the additional ion exchange device F according to the invention)
GF Gasphasenfiltervorrichtung GF gas phase filter device
G-l Gasphasenfilter (Teil der zusätzlichen, erfindungsgemäßenG-l Gas phase filter (part of the additional, inventive
Gasphasenfiltervorrichtung GF) Gas phase filter device (GF)
G-2 Gasphasenfilter (Teil der zusätzlichen, erfindungsgemäßenG-2 Gas phase filter (part of the additional, inventive
Gasphasenfiltervorrichtung GF) Gas phase filter device (GF)
IT lonentauschereinheit (dem Wasservorratstank zugeordnet)IT ion exchange unit (assigned to the water storage tank)
1-1 Messvorrichtung 1-1 Measuring device
1-2 Messvorrichtung 1-2 Measuring device
Pr Produkt(-strom) Pr product (stream)
Pu Purge(-strom) Pu Purge(-current)
Re Recycle(-strom) Re Recycle(-electricity)
RI Rücklauf rW (Vorrichtung für) reverse Wassergas-Shift-Reaktion RI return rW (device for) reverse water gas shift reaction
S (der rWGS nachgeschaltete) Synthese (zum Beispiel Fischer-S (downstream of the rWGS) synthesis (for example Fischer
Tropsch) Tropsch)
U/O Umkehrosmose(-vorrichtung) U/O reverse osmosis (device)
V Verdampfer(-vorrichtung) V Evaporator (device)
VE VE-Wasser(-strom) VE VE water (electricity)
VB-1 bis VB-9 Ventil VB-1 to VB-9 valve
W Wasser W Water
WV Wasservorratstank WV water storage tank
Beispiele: Examples:
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf das folgende, nicht-limitierendeThe invention will now be described with reference to the following non-limiting
Beispiel weiter erläutert. Ein rWGS-Reaktor wurde gemäß Stand der Technik - ohne erfindungsgemäße Ergänzung der Wasseraufbereitung - betrieben, gekoppelt mit einer Fischer-Tropsch- Synthese inklusive der Rezyklierung von Restgas auf den rWGS-Reaktor bei etwa 750°C und 7 bar Gesamtdruck. Es wurden 0,2 mg/Si in der Leitung vor dem Verdampfer gefunden. Example further explained. An rWGS reactor was operated according to the state of the art—without the inventive water treatment supplement—coupled with a Fischer-Tropsch synthesis including the recycling of residual gas to the rWGS reactor at approximately 750°C and a total pressure of 7 bar. 0.2 mg/Si was detected in the line upstream of the evaporator.
Figur 7 zeigt den Druckverlust (dp - in bar) sowie die Druckverluständerung (dp/dt) für den Betrieb des rWGS-Reaktors nach dem Stand der Technik als Funktion der Zeit (t - in Stunden). Figure 7 shows the pressure loss (dp - in bar) and the pressure loss change (dp/dt) for the operation of the state-of-the-art rWGS reactor as a function of time (t - in hours).
Die Konsequenz der Siliziumgegenwart war der Druckverlustanstieg mit etwa 0.05 bar/h und einem absoluten Druckverlustanstieg von etwa 1.4 bar über den Zeitraum von etwa 28 h in stationärem Betrieb (nach gestrichelter vertikaler Linie in der Figur; vor der betreffenden Linie erfolgte das Anfahren des Systems mit Zunahme des Durchsatzes durch den rWGS-Reaktor). Am in diesem Beispiel verwendeten Nickelkatalysator im rWGS-Reaktor wurden zwischen 0,3 bis 1 Massenprozent Silizium durch energiedispersive Analyse in einer Mikrosondenapparatur nachgewiesen. Im frischen Katalysator war kein Silizium vorhanden. The consequence of the presence of silicon was a pressure drop increase of approximately 0.05 bar/h and an absolute pressure drop increase of approximately 1.4 bar over a period of approximately 28 hours during steady-state operation (according to the dashed vertical line in the figure; the system was started up with an increase in throughput through the rWGS reactor before this line). Energy-dispersive analysis using a microprobe apparatus detected between 0.3 and 1 mass percent silicon in the nickel catalyst used in this example in the rWGS reactor. No silicon was present in the fresh catalyst.
Entsprechend wurde dann ein rWGS-Reaktor gemäß vorliegender Erfindung - mit der erfindungsgemäßen Ergänzung der Wasseraufbereitung durch zwei in einer lonentauschervorrichtung seriell geschaltete individuelle lonentauscher - betrieben, gekoppelt mit einer Fischer-Tropsch-Synthese inklusive der Rezyklierung von Restgas auf den rWGS-Reaktor bei etwa 750°C und 7 bar Gesamtdruck. Es wurde kein Silizium in der Leitung vor dem Verdampfer gefunden. Accordingly, an rWGS reactor according to the present invention—with the inventive addition of two individual ion exchangers connected in series in an ion exchange device—was then operated, coupled with a Fischer-Tropsch synthesis including the recycling of residual gas to the rWGS reactor at approximately 750°C and a total pressure of 7 bar. No silicon was found in the line upstream of the evaporator.
Figur 8 zeigt den Druckverlauf (dp - in bar) sowie die Druckänderung (dp/dt) für den erfindungsgemäßen Betrieb des rWGS-Reaktors als Funktion der Zeit (t - in Stunden). Die Konsequenz der Abwesenheit von Silizium ist, dass kein Druckverlustanstieg über den Zeitraum von etwa 95 h in stationärem Betrieb (nach zweiter gestrichelter vertikaler Linie in der Figur) auftritt. Zwischen den ersten beiden gestrichelten vertikalen Linien wurde ein ähnlicher Betriebspunkt wie in Figur 7 angefahren, nach der zweiten gestrichelten Linie ist der Durchsatz durch den Reaktor nochmals um ca. 20% erhöht. Mit erhöhtem Durchsatz steigt der Wasserbedarf und würde einen noch schnelleren Druckverlustanstieg zur Konsequenz haben, wenn Silizium im Wasser enthalten wäre; dies ist aber nicht der Fall. Es wurde trotzdem kein Silizium am Katalysator gefunden. Figure 8 shows the pressure curve (dp - in bar) and the pressure change (dp/dt) for the inventive operation of the rWGS reactor as a function of time (t - in hours). The consequence of the absence of silicon is that no increase in pressure loss occurs over the period of approximately 95 hours in steady-state operation (after the second dashed vertical line in the figure). Between the first two dashed vertical lines, a similar operating point as in Figure 7 was approached; after the second dashed line, the throughput through the reactor is increased again by approximately 20%. With increased throughput, the water demand increases and would result in an even faster increase in pressure loss if silicon were present in the water. would be present; however, this is not the case. Nevertheless, no silicon was found on the catalyst.
Es ist aus diesem Vergleich ersichtlich, dass durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise erhebliche technische Vorteile erreicht werden, insbesondere wird eine längere Stabilität des Systems ermöglicht und mithin ein längerer Dauerbetrieb, ohne Ausfallzeiten. It is clear from this comparison that the inventive approach achieves significant technical advantages, in particular enabling longer system stability and thus longer continuous operation without downtime.
Claims
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102023127617.4 | 2023-10-10 | ||
| DE102023127617.4A DE102023127617A1 (en) | 2023-10-10 | 2023-10-10 | Water management for reverse water gas shift processes associated with electrolysis |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2025078241A1 true WO2025078241A1 (en) | 2025-04-17 |
Family
ID=93013796
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/EP2024/077719 Pending WO2025078241A1 (en) | 2023-10-10 | 2024-10-02 | Water-management for electrolysis-related reverse water-gas shift processes |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102023127617A1 (en) |
| WO (1) | WO2025078241A1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69721814T2 (en) | 1996-08-12 | 2004-01-29 | Debasish Mukhopadhyay | METHOD AND DEVICE FOR OPERATING HIGHLY EFFICIENT REVERSE OSMOSIS |
| DE102017120814A1 (en) | 2017-09-08 | 2019-03-14 | Karlsruher Institut für Technologie | Conversion reactor and process management |
| US20190359894A1 (en) | 2016-12-23 | 2019-11-28 | Carbon Engineering Ltd. | Method and system for synthesizing fuel from dilute carbon dioxide source |
| US11655803B2 (en) * | 2019-08-20 | 2023-05-23 | Lowry Inheritors Trust | Carbon negative clean fuel production system |
-
2023
- 2023-10-10 DE DE102023127617.4A patent/DE102023127617A1/en active Pending
-
2024
- 2024-10-02 WO PCT/EP2024/077719 patent/WO2025078241A1/en active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69721814T2 (en) | 1996-08-12 | 2004-01-29 | Debasish Mukhopadhyay | METHOD AND DEVICE FOR OPERATING HIGHLY EFFICIENT REVERSE OSMOSIS |
| US20190359894A1 (en) | 2016-12-23 | 2019-11-28 | Carbon Engineering Ltd. | Method and system for synthesizing fuel from dilute carbon dioxide source |
| DE102017120814A1 (en) | 2017-09-08 | 2019-03-14 | Karlsruher Institut für Technologie | Conversion reactor and process management |
| US11655803B2 (en) * | 2019-08-20 | 2023-05-23 | Lowry Inheritors Trust | Carbon negative clean fuel production system |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| "Integration opportunity of water treatment technologies with water electrolysis in a PtL plant ED - Darl Kuhn", IP.COM, IP.COM INC., WEST HENRIETTA, NY, US, 19 April 2023 (2023-04-19), XP013195757, ISSN: 1533-0001 * |
| JANETTE HOGERWAARD ET AL: "Solar methanol synthesis by clean hydrogen production from seawater on offshore artificial islands", INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY RESEARCH, WILEY, CHICHESTER, GB, vol. 43, no. 11, 4 July 2019 (2019-07-04), pages 5687 - 5700, XP071644919, ISSN: 0363-907X, DOI: 10.1002/ER.4627 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102023127617A1 (en) | 2025-04-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2780491B1 (en) | Method for operating an electrolysis system | |
| DE60003564T2 (en) | METHOD FOR THE DESALINATION OF SALTWATER USING ION-SELECTIVE MEMBRANES | |
| DE3105550C2 (en) | Process for the most extensive treatment of fresh water, brackish water, sea water and waste water for drinking and industrial water purposes | |
| DE69720310T2 (en) | Device and method for cleaning a liquid by means of electrode ionization | |
| DE69200513T2 (en) | Reverse electrodialysis method and device with bipolar membranes. | |
| EP0113387B1 (en) | Process and apparatus for treating liquids, particularly for demineralizing aqueous solutions | |
| DE69123644T2 (en) | Method and device with a reverse osmosis membrane for concentrating a solution | |
| DE102011012805B4 (en) | Treatment of raw brine from seawater desalination plants | |
| DE3238280A1 (en) | Process for desalting solutions | |
| DE69909929T2 (en) | Process for the production of methanol | |
| DE102010043662B4 (en) | Brewery wastewater treatment process as well as brewery wastewater treatment device | |
| WO2010012481A1 (en) | Process and system for water treatment | |
| DE112020001970T5 (en) | Synthetic Product Manufacturing System and Synthetic Product Manufacturing Process | |
| WO2025078241A1 (en) | Water-management for electrolysis-related reverse water-gas shift processes | |
| DE102014215405A1 (en) | Process for wastewater treatment of oily wastewater and wastewater treatment plant | |
| DE69714877T2 (en) | Wet oxidation process for caustic soda waste | |
| EP3628650A1 (en) | Method and installation for the use of a medium containing ammonium , phosphate and solids | |
| EP1506806B1 (en) | Process and plant for regeneration of gas washing liquids | |
| WO2002015306A2 (en) | Method for separating fuel out of a waste gas, and corresponding device | |
| EP3159310B1 (en) | Method for the reduction of trace elements in water with ion exchange filter | |
| DE3217990C2 (en) | ||
| DE102010006103A1 (en) | Process for producing export steam in an industrial plant | |
| DE3329813A1 (en) | METHOD AND DEVICE FOR TREATING LIQUIDS, ESPECIALLY DESALINATING AQUEOUS SOLUTIONS | |
| DE202021002328U1 (en) | Device for water treatment by means of ion exchangers with regeneration with CO2 | |
| EP3057680A1 (en) | Polymerisation system having a regeneration device for an adsorptive and/or catalytic cleaning device, regeneration device, and regeneration method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 24786384 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |