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WO2025132364A1 - Procédé et dispositif de conversion du gaz à l'eau inversée multi-zones - Google Patents

Procédé et dispositif de conversion du gaz à l'eau inversée multi-zones Download PDF

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Publication number
WO2025132364A1
WO2025132364A1 PCT/EP2024/086803 EP2024086803W WO2025132364A1 WO 2025132364 A1 WO2025132364 A1 WO 2025132364A1 EP 2024086803 W EP2024086803 W EP 2024086803W WO 2025132364 A1 WO2025132364 A1 WO 2025132364A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
equal
carbon dioxide
stream
hydrogen
heated
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
Application number
PCT/EP2024/086803
Other languages
English (en)
Inventor
Catherine Laroche
Marie DEHLINGER
Yacine HAROUN
Lucas MASSARO SOUSA
Ludovic NOËL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of WO2025132364A1 publication Critical patent/WO2025132364A1/fr
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10K—PURIFYING OR MODIFYING THE CHEMICAL COMPOSITION OF COMBUSTIBLE GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE
    • C10K3/00—Modifying the chemical composition of combustible gases containing carbon monoxide to produce an improved fuel, e.g. one of different calorific value, which may be free from carbon monoxide
    • C10K3/02—Modifying the chemical composition of combustible gases containing carbon monoxide to produce an improved fuel, e.g. one of different calorific value, which may be free from carbon monoxide by catalytic treatment
    • C10K3/026—Increasing the carbon monoxide content, e.g. reverse water-gas shift [RWGS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/0053—Controlling multiple zones along the direction of flow, e.g. pre-heating and after-cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00539—Pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/0278—Feeding reactive fluids

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for producing synthesis gas ("syngas” according to English terminology), mainly comprising carbon monoxide (CO) and optionally hydrogen (H 2 ), by reaction between a stream comprising carbon dioxide (CO 2 ) and optionally carbon monoxide and a stream comprising hydrogen.
  • synthesis gas mainly comprising carbon monoxide (CO) and optionally hydrogen (H 2 )
  • the synthesis gas can then be used to produce alcohols, in particular methanol or paraffinic hydrocarbons such as synthetic fuels, namely gasoline, kerosene, diesel, and/or other hydrocarbon products, such as naphtha, or lubricating bases, of very high quality (essentially free of sulfur, aromatics, nitrogen).
  • methanol or paraffinic hydrocarbons such as synthetic fuels, namely gasoline, kerosene, diesel, and/or other hydrocarbon products, such as naphtha, or lubricating bases, of very high quality (essentially free of sulfur, aromatics, nitrogen).
  • RWGS reverse water-gas shift
  • the reverse water gas shift reaction is a reversible and endothermic reaction, which is favored at high temperatures.
  • the conversion of carbon dioxide can reach 60% to 80% for temperatures between 800°C and 1000°C.
  • Hydrogen can also react with carbon dioxide and/or carbon monoxide to form methane. These reactions are exothermic and are therefore not favored at high temperatures, but are favored by a high partial pressure of hydrogen. These reactions that lead to the formation of methane consume a lot of hydrogen.
  • we want to produce syngas for the production of synthetic fuel or methanol we try to limit the amount of methane present in the syngas, in order to maximize the amount of liquid hydrocarbons synthesized. Carbon monoxide selectivity is therefore an important issue in limiting methane production and thus directing the hydrogen consumed. towards the formation of carbon monoxide in order to maximize the production of liquid hydrocarbons.
  • the paper by Vazquez et al. in Journal of CO2 Utilization 28 (2016) pp. 235-246 describes a RWGS unit combined with a Fischer-Tropsch hydrocarbon synthesis unit.
  • the CO2 source that feeds the RWGS unit is CO2 captured from the air.
  • the hydrogen that feeds the RWGS unit is produced by electrolysis of water and a hydrogen make-up stored in cylinders.
  • the hydrogen and CO2 are mixed and then the mixture is preheated to 450°C before entering the RWGS reactor.
  • the RWGS reactor contains a metal monolith coated with a catalytic phase made of precious metal. The reactor is heated externally by an electric furnace system to a maximum temperature of 850°C.
  • the reactor is sized for a CO2 flow rate of 2 NL/min, or 0.12 Nm 3 /h, and its diameter is 20 mm.
  • This prior art does not allow us to design an industrial-scale RWGS unit, i.e. a larger diameter RWGS unit capable of handling gas flow rates at least greater than 1000 Nm 3 /h.
  • products such as methane and CO are formed within the RWGS reactor, thus creating conditions favorable to corrosion by metal dusting.
  • a first object of the present description is to overcome the problems of the prior art and to provide a method and a device for producing synthesis gas from carbon dioxide and hydrogen, allowing an improved quality of the synthesis gas produced.
  • the method and the device according to the invention make it possible in particular to reduce the quantity of methane present in the synthesis gas and to limit the phenomena of metallic dusting.
  • the device and the method according to the invention also make it possible to avoid fluidizing the catalyst of the catalytic bed of the reaction zone and to improve the conversion by ensuring a homogeneous distribution in terms of concentration.
  • the aforementioned objects, as well as other advantages, are obtained by a method for producing gas by converting gas to inverted water by converting a feedstock containing carbon dioxide, implementing a device comprising the following elements:
  • a reverse water gas shift reaction unit adapted to treat a carbon dioxide stream with a hydrogen stream, and produce a reverse water gas shift gas comprising (enriched in) carbon monoxide and water (relative to the mixture of carbon dioxide flow and hydrogen flow), said reverse water gas conversion reaction unit comprising three successive zones of distinct functions:
  • a distribution zone adapted to distribute a mixture comprising the heated carbon dioxide stream and the heated hydrogen stream, to/into a reaction zone; and - the reaction zone comprising at least one catalytic bed adapted to convert at least in part the carbon dioxide and hydrogen into carbon monoxide and water to produce the reverse water gas conversion gas; the method comprising one of the following steps:
  • the distribution zone is adapted to distribute uniformly in terms of gas velocity (uniform distribution of the velocity vectors on the flow surface of the reactor) the mixture comprising the flow of heated carbon dioxide and the flow of heated hydrogen, in a reaction zone.
  • the preheated mixture of carbon dioxide stream and hydrogen stream is heated in the heating zone, the temperature of the preheated mixture is greater than or equal to 800°C, and a heated mixture is produced with a target temperature greater than or equal to 900°C, preferably greater than or equal to 950°C (e.g. greater than or equal to 1000°C).
  • electricity is used to provide the calories required by the reverse water gas conversion reaction unit.
  • the temperature of the carbon dioxide stream is between 700°C and 900°C, preferably between 760°C and 860°C. According to one or more embodiments, the temperature of the carbon dioxide stream is greater than or equal to 800°C.
  • the temperature of the hydrogen stream is between 700°C and 900°C, preferably between 760°C and 860°C. According to one or more embodiments, the temperature of the hydrogen stream is greater than or equal to 800°C.
  • the method comprises:
  • a carbon dioxide source and/or a hydrogen source by heat exchange with the reverse water gas conversion gas in a heat exchange section to produce the preheated carbon dioxide stream of target temperature greater than or equal to 300°C, preferably greater than or equal to 400°C, preferably greater than or equal to 500°C, preferably greater than or equal to 600°C, preferably greater than or equal to 700°C, preferably greater than or equal to 750°C, and/or a preheated hydrogen stream of target temperature greater than or equal to 300°C, preferably greater than or equal to 400°C, preferably greater than or equal to 500°C, preferably greater than or equal to 600°C, preferably greater than or equal to 700°C, preferably greater than or equal to 750°C.
  • the initial temperature of the carbon dioxide source is less than 300°C, preferably less than 250°C, preferably less than 200°C, and/or the initial temperature of the hydrogen source is less than 300°C, preferably less than 200°C, preferably less than 150°C.
  • the heating zone is adapted to mix the carbon dioxide stream with the hydrogen stream to produce the preheated mixture with a temperature of at least 700°C and preferably with a temperature of at least 800°C.
  • the distribution zone is adapted to mix the heated/preheated carbon dioxide stream with the heated hydrogen stream, or the heated/preheated hydrogen stream with the heated carbon dioxide stream, to produce the heated mixture, and send the heated mixture to the reaction zone.
  • the heating zone is adapted to heat a stream comprising CO before or after being mixed with the carbon dioxide stream and/or the hydrogen stream, or the distribution zone is adapted to mix the stream comprising CO with the heated carbon dioxide stream and/or the heated hydrogen stream or directly with the heated mixture.
  • the distribution zone comprises at least one first chamber whose lower part is cylindrical with a height H-1 and a diameter D-1 containing at least one internal adapted to standardize the speeds of the gases before entering the reaction zone, the gases circulating with a speed U-1.
  • the first chamber of the distribution zone is characterized by:
  • the first chamber comprises an upper part of conical section to adapt a diameter Da-1 of admission of the flows to the diameter D-1 of the lower part of the first chamber, Da-1 being smaller than D-1, the cone is characterized by an angle a between 30° and 80°, preferably between 40° and 70° relative to the direction Z of circulation of the flows (e.g. the vertical).
  • the distribution zone provides a mixing function and comprises a second chamber whose lower part is substantially cylindrical with a height H-2 and a diameter D-2, the second chamber being located (directly) upstream of the first chamber, the carbon dioxide and hydrogen flows entering the upper part of the second chamber in separate inlet tubes with diameters D-3 and D-4, respectively, the CO2 flow circulating with a speed U-3, the hydrogen flow circulating with a speed U-4.
  • the distribution zone is characterized by:
  • H-1/D-1 between 0.6 and 2.0, preferably between 1.0 and 1.6;
  • H-2/D-2 between 2.4 and 10, preferably between 4 and 8;
  • D-1/D-2 between 2.5 and 8.0, preferably between 2.5 and 5.0;
  • D-3/D-4 between 0.4 and 1.2, preferably between 0.6 and 1.1;
  • U-1 between 1.0 m/s and 5.5 m/s, preferably between 3 m/s and 5 m/s;
  • U-3 between 10 m/s and 60 m/s, preferably between 15 m/s and 55 m/s;
  • the intake tubes of the carbon dioxide flow and the hydrogen flow are inclined relative to the Z direction of circulation of the flows.
  • the reaction zone is used under the following operating conditions:
  • the catalyst for the RWGS reaction comprises a support, for example based on alumina, silica, silica-alumina, alumina-silica.
  • the catalyst has a ring or cylinder shape.
  • the RWGS reaction unit comprises a catalytic bed allowing a carbon dioxide conversion of at least 60%, preferably at least 65%, preferably at least 67%.
  • the heating zone, the distribution zone and/or the reaction zone are suitable for use at a pressure between 0.1 MPa and 10 MPa, preferably between 0.1 MPa and 5 MPa, and more preferably between 0.1 MPa and 3.5 MPa.
  • a device for producing reverse water gas conversion gas by converting a feedstock containing carbon dioxide comprising a reverse water gas conversion reaction unit adapted to treat a carbon dioxide stream with a hydrogen stream, and produce a reverse water gas conversion gas comprising (enriched in) carbon monoxide and water (with respect to the mixture of carbon dioxide stream and hydrogen stream), said reverse water gas conversion reaction unit comprising three successive zones of distinct functions:
  • a heating zone adapted to: heat the carbon dioxide stream and/or the hydrogen stream to produce: a heated carbon dioxide stream with a target temperature greater than or equal to 800°C, preferably greater than or equal to 900°C, preferably greater than or equal to 950°C (e.g. greater than or equal to 1000°C), and/or a heated hydrogen stream with a target temperature greater than or equal to 800°C, preferably greater than or equal to 900°C, preferably greater than or equal to 950°C (e.g.
  • a distribution zone adapted to distribute a mixture comprising the heated carbon dioxide stream and the heated hydrogen stream, to/into a reaction zone
  • reaction zone comprising at least one catalytic bed adapted to convert at least in part the carbon dioxide and hydrogen into carbon monoxide and water to produce the reverse water gas conversion gas.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a device according to the present invention, comprising a heating zone A, a distribution zone B and a reaction zone C.
  • Figure 2 shows a schematic representation of the device of Figure 1 comprising a heat exchange section 3.
  • FIG 3 shows a schematic representation of the device according to Figure 2, in which the heating zone A comprises 2 separate heating sections A1 and A2.
  • Figure 4 shows a schematic representation of the device according to Figure 2 adapted to treat a stream comprising CO 9.
  • Figure 5 shows a schematic representation of the device according to Figure 3 adapted to treat a stream comprising CO 9.
  • Figure 6 shows a schematic representation of a distribution zone B of a device according to the present invention.
  • an effluent comprising essentially or solely a compound A corresponds to an effluent comprising at least 95% by weight, preferably at least 98% by weight, very preferably at least 99% by weight, of compound A.
  • gas velocity means the superficial gas velocity.
  • the present invention can be defined as a method and a device comprising a sequence of elements or operations making it possible to produce synthesis gas, composed mainly of carbon monoxide (CO), by conversion of carbon dioxide (CO2) in the presence of hydrogen (H2).
  • synthesis gas composed mainly of carbon monoxide (CO)
  • CO2 carbon dioxide
  • H2 hydrogen
  • the method and the device for producing synthesis gas from carbon dioxide and hydrogen make it possible to guarantee the quality of the synthesis gas produced.
  • the method and the device according to the invention make it possible in particular to reduce the quantity of methane present in the synthesis gas.
  • the method and device according to the invention are notably characterized in that they use and comprise a reverse water gas conversion unit (RWGS) and optionally one or more load/effluent heat exchanger trains.
  • RWGS reverse water gas conversion unit
  • load/effluent heat exchanger trains optionally one or more load/effluent heat exchanger trains.
  • the required carbon dioxide can be provided by a unit for separating a stream containing carbon dioxide (e.g. combustion fumes) or a unit for capturing carbon dioxide (e.g. carbon dioxide present in the air).
  • a unit for separating a stream containing carbon dioxide e.g. combustion fumes
  • a unit for capturing carbon dioxide e.g. carbon dioxide present in the air
  • the hydrogen required for the conversion of carbon dioxide can be produced by a water electrolysis unit, said water being able to come from the effluent of the RWGS reaction unit and optionally from downstream units (for example Fischer-Tropsch (FT) or alcohol synthesis units).
  • the use of the water electrolysis unit to treat the water produced by the RWGS reaction unit also makes it possible to minimize the environmental impact of the process.
  • the process according to the invention does not require an external supply of hydrogen, for example produced by steam reforming of natural gas.
  • the electrolyzer can preferably operate with low-carbon electricity (such as solar or wind for example or even nuclear), which contributes to a low environmental impact of the synthesis gas and the hydrocarbons which will then be produced from this synthesis gas.
  • the water used for the production of hydrogen can come at least in part of the recycling of water produced by the RWGS reaction, which has the advantage of limiting the external supply of water.
  • the method and the device for producing synthesis gas uses/comprises a reverse water gas conversion reaction unit 6 (RWGS reaction unit) adapted to treat a carbon dioxide stream 4 with a hydrogen stream 5, and produce a RWGS gas 7 comprising carbon monoxide and water, and in particular enriched in carbon monoxide and water relative to the mixture of carbon dioxide stream 4 and hydrogen stream 5, said reverse water gas conversion reaction unit 6 comprising three successive zones of distinct functions:
  • a distribution zone B adapted to distribute, preferably uniformly in terms of gas velocity (uniform distribution of the velocity vectors over the flow surface of the reactor), a mixture comprising the flow of heated carbon dioxide and the flow of heated hydrogen, in a reaction zone C;
  • reaction zone C comprising at least one catalytic bed adapted to convert at least in part the carbon dioxide and the hydrogen into carbon monoxide and water.
  • the heating zone A is adapted, during the process, to:
  • the temperature of the preheated mixture is greater than or equal to 800°C, and a heated mixture with a target temperature greater than or equal to 900°C, preferably greater than or equal to 950°C (eg greater than or equal to 1000°C) is produced.
  • a heated mixture with a target temperature greater than or equal to 900°C, preferably greater than or equal to 950°C (eg greater than or equal to 1000°C) is produced.
  • metal dusting is a significant local loss of thickness, generalized or in the form of pitting which, due to the diffusion of carbon in the metal, leads to the decomposition of the metal by the formation on the surface of metal particles (dust) and carbides or coke.
  • distribution zone B makes it possible to avoid fluidizing the catalyst in the catalytic bed of the reaction zone and to improve conversion by ensuring a homogeneous distribution in terms of concentration.
  • electricity for example low carbon (such as solar or wind for example or even nuclear) is used to provide the calories necessary for the RWGS reaction unit 6, for example to the heating zone A.
  • the supply of calories can be carried out by means of electrical resistors located in the zone(s) requiring a supply of calories.
  • the electrical resistors can be in direct contact or without contact with the flow(s) circulating in the zone(s).
  • the metallurgy of the zones considered can be adapted to the nature and temperature of the gas flow passing through said zones.
  • the temperature of the carbon dioxide stream 4 (at the inlet of the RWGS reaction unit 6) is between 700°C and 900°C, preferably between 760°C and 860°C. According to one or more embodiments, the temperature of the carbon dioxide stream 4 (at the inlet of the RWGS reaction unit 6) is greater than or equal to 800°C.
  • the temperature of the hydrogen stream 5 (at the inlet of the RWGS reaction unit 6) is between 700°C and 900°C, preferably between 760°C and 860°C. According to one or more embodiments, the temperature of the hydrogen stream 5 (at the inlet of the RWGS reaction unit 6) is greater than or equal to 800°C.
  • the heating zone A may optionally have the additional function of ensuring the mixing of the reactants, i.e. the mixing of a flow of carbon dioxide 4 with a flow of hydrogen 5, in order to homogenize the concentrations.
  • the heating zone A is adapted to mix the flow of carbon dioxide carbon 4 with the hydrogen stream 5 to produce the preheated mixture of temperature of at least 700°C and preferably of temperature of at least 800°C, the carbon dioxide stream 4 and the hydrogen stream 5 being preheated separately.
  • the target temperature of the heated carbon dioxide stream is between 800°C and 1100°C, preferably between 880°C and 1050°C, preferably between 930°C and 1050°C, preferably between 950°C and 1050°C or between 980°C and 1050°C.
  • the target temperature of the heated hydrogen stream is between 800°C and 1100°C, preferably between 880°C and 1050°C, preferably between 930°C and 1050°C, preferably between 950°C and 1050°C or between 980°C and 1050°C.
  • the synthesis gas production method implements an optional heat exchange section 3 adapted to separately heat a carbon dioxide source 1 and/or a hydrogen source 2 by heat exchange with a reverse water gas conversion gas 7 (RWGS gas), and produce the preheated carbon dioxide stream 4 with a target temperature greater than or equal to 300°C, preferably greater than or equal to 400°C, preferably greater than or equal to 500°C, preferably greater than or equal to 600°C, preferably greater than or equal to 700°C, preferably greater than or equal to 750°C, and/or a preheated hydrogen stream 5 with a target temperature greater than or equal to 300°C, preferably greater than or equal to 400°C, preferably greater than or equal to 500°C, preferably greater than or equal to 600°C, preferably greater than or equal to 700°C, preferably greater than or equal to 750°C.
  • the heat exchange section 3 is arranged directly downstream (e.g. at the outlet of) the
  • the initial temperature (e.g. at the inlet of the heat exchange section 3) of the carbon dioxide source 1 is less than 300°C, preferably less than 250°C, preferably less than 200°C. According to one or more embodiments, the initial temperature of the carbon dioxide source 1 is between -50°C and 300°C, preferably between 0°C and 250°C, preferably between 0°C and 200°C.
  • the RWGS gas 7 may be split into two streams, one heating the carbon dioxide source 1 by means of one or more heat exchangers, the other heating the hydrogen source 2 by means of another or other heat exchangers.
  • the at least one heat exchanger comprises at least one multi-service heat exchanger, i.e. heat exchanger adapted to heat in parallel at least two distinct fluids.
  • the at least one heat exchanger is adapted to heat in series the carbon dioxide source 1 and the hydrogen source 2, for example, the RWGS gas 7 heats the carbon dioxide source 1 then the hydrogen source 2, or the hydrogen source 2 then the carbon dioxide source 1, by means of one or more heat exchangers.
  • the at least one heat exchanger comprises at least one plate or shell and tube heat exchanger.
  • the RWGS gas 7 has an outlet temperature from the RWGS reaction unit 6 (e.g. below the target temperature of the heated mixture comprising the carbon dioxide stream and the hydrogen stream) of at least 700°C, preferably at least 750°C, very preferably at least 800°C, for example a temperature between 800°C and 1050°C, preferably a temperature between 800°C and 1000°C, preferably a temperature between 800°C and 900°C.
  • the temperature difference between the heated mixture on the one hand and the RWGS 7 gas on the other hand is at least 10°C, preferably at least 40°C, very preferably at least 50°C, for example a temperature difference of between 50°C and 200°C, preferably a temperature difference of between 60°C and 195°C, preferably a temperature difference of between 80°C and 190°C.
  • the carbon dioxide source 1 and/or the hydrogen source 2 are preheated by the RWGS gas 7 produced by the RWGS reaction unit 6, the preheating of the carbon dioxide source carbon dioxide 1 and/or the hydrogen source 2 can be carried out by any means known to those skilled in the art.
  • the synthesis gas production process uses at least one heating system such as a furnace (not described in the figures) adapted to separately heat the carbon dioxide source 1 and/or the hydrogen source 2, and produce the preheated carbon dioxide stream 4 with a target temperature greater than or equal to 700°C, preferably greater than or equal to 750°C, and/or the preheated hydrogen stream 5 with a target temperature greater than or equal to 700°C, preferably greater than or equal to 750°C.
  • the heating system is arranged directly upstream (e.g. at the inlet of) the RWGS reaction unit 6.
  • the heating system is powered at least in part by electrical energy.
  • the heating system is powered at least in part by a fuel.
  • the heating system is powered in a hybrid manner by electrical energy and by a fuel.
  • the heating system is essentially or entirely powered by electrical energy.
  • the electric heating system is (of) tubular technology, each flow to be heated circulating in one or more tubes, said tubes being able to be heated either by a system of electrical resistances or by impedance.
  • the electric heating system is made up of electrical resistances immersed in the flows to be heated.
  • the supply of calories is carried out by impedance, each flow then circulating in one or more metal tubes.
  • the supply of calories is carried out via electrical resistances which can be immersed within the flows circulating in one or more tubes made up of materials adapted to the chemical composition and the temperature of the flow or which can be without direct contact, the flows then circulating in a metal tube.
  • the metallurgy of the metal tube can be adapted to the nature of the flows to be heated and the target temperatures.
  • the furnace is preferably powered by a source of oxygen (air and/or oxygen produced by the electrolyser), and by at least one of the following fuels:
  • gaseous hydrocarbon effluent such as an effluent from an FT unit treating RWGS 7 gas, or from a hydrocracking unit, hydrotreatment or hydroisomerization of paraffins produced by the FT unit, or an effluent from a methanol synthesis unit); and/or
  • the hydrocarbon gas effluent comprises at least one of the following: unconverted RWGS 7 gas, carbon dioxide, gaseous hydrocarbons, such as C1-C4 paraffins, C2-C4 olefins, and/or C1-C3 oxygenated compounds.
  • the furnace when the furnace is supplied with the hydrocarbon gas effluent, the furnace is a partial oxidation unit, in particular making it possible to produce an effluent rich in carbon monoxide, and preferably composed essentially of carbon monoxide, and optionally comprising carbon dioxide, hydrogen and water.
  • the heating zone A comprises 2 distinct heating sections A1 and A2 separated from each other (i.e. without flow from one section to the other), the section A1 being adapted to increase the temperature of the carbon dioxide-rich flow 4 and the section A2 being adapted to increase the temperature of the hydrogen flow 5.
  • the heating zone A is adapted to separately heat the carbon dioxide flow 4 and the hydrogen flow 5 and send (separately) the heated carbon dioxide flow 4 and the heated hydrogen flow into the distribution zone B.
  • the distribution zone B may optionally have the additional function of ensuring the mixing of the reactants, i.e. the heated carbon dioxide stream with the heated/preheated hydrogen stream or the heated hydrogen stream with the heated/preheated carbon dioxide stream, in order to homogenize the concentrations.
  • the distribution zone B is adapted to mix the heated carbon dioxide stream with the heated hydrogen stream, produce the heated mixture, distribute said heated mixture uniformly in terms of gas velocity and send it to the reaction zone C.
  • the production of methane and metal dusting are further limited.
  • section A1 of heating zone A is suitable for:
  • the distribution zone B is adapted to mix the flow comprising CO 9 (see hatched arrow) with the heated carbon dioxide flow and (then) also with the heated hydrogen flow, then to distribute uniformly in terms of gas velocity the new heated mixture (comprising CO2, CO and H 2 ) in the reaction zone C.
  • the heating zone A is adapted so that the carbon dioxide flow 4 and/or the hydrogen flow 5 circulate with a Reynolds number greater than 3000.
  • the uniform distribution in terms of gas velocity of the heated mixture in the distribution zone B is obtained by a first chamber B1 whose lower part (downstream part relative to the direction of circulation of the heated mixture) is substantially cylindrical with a height H-1 and a diameter D-1 containing at least one internal element adapted to standardize the gas velocities before entering the reaction zone C, such as, for example, at least one layer of inert solid particles ("grading" according to English terminology) such as ceramic particles, and/or elements, for example packing elements.
  • the superficial velocity of the gases in the first chamber B1 is U-1.
  • the maximum gas velocity at the surface of the “grading” Umax is lower than the minimum fluidization velocity of the “grading” Umf, Umf being a characteristic of the grading known to those skilled in the art, U-1 being lower than Umax.
  • the distribution zone B is characterized by:
  • H-1 between 0.1 m and 20 m, preferably between 0.5 m and 13 m;
  • D-1 between 0.2 m and 10 m, preferably between 0.5 m and 8 m;
  • H-1/D-1 between 0.6 and 2.0, preferably between 1.0 and 1.6;
  • U-1 between 1.0 m/s and 5.5 m/s, preferably between 3 m/s and 5 m/s;
  • Umax/Umf is less than 1.
  • the first chamber B1 comprises an upper part (upstream part relative to the direction of circulation of the heated mixture coming from the heating zone A) of conical section to adapt a (smaller) diameter Da-1 of admission of the flows to a (larger) diameter D-1 of the lower part of the first chamber B1.
  • the cone is characterized by an angle a of between 30° and 80°, preferably between 40° and 70° (relative to the direction Z of circulation of the heated mixture, i.e., substantially relative to the vertical).
  • Alkaline type electrolyzer temperature between 60°C and 90°C, pressure between 0.1 MPa and 20 MPa, preferably between 0.1 MPa and 4 MPa, electrolyte comprising KOH, electrodes comprising a metal alloy, diaphragm comprising asbestos, polytetrafluoroethylene and/or nickel oxide;
  • Proton exchange membrane (PEM) type electrolyzer temperature between 50°C and 80°C, pressure between 0.1 MPa and 20 MPa, preferably between 1.8 MPa and 5.5 MPa, electrolyte comprising a polymer membrane, electrodes comprising a metal alloy;
  • PEM Proton exchange membrane
  • Solid oxide electrolyzer temperature between 800°C and 900°C, pressure between 0.1 MPa and 2 MPa, preferably between 0.1 MPa and 0.5 MPa, electrolyte comprising a ceramic membrane (e.g. perovskite type), electrodes comprising a metal alloy;
  • SOE Solid oxide electrolyzer
  • Anion exchange membrane (AEM) type electrolyser temperature between 50°C and 70°C, pressure between 0.1 MPa and 20 MPa, preferably between 0.1 MPa and 3.5 MPa, electrolyte comprising a polymer membrane, electrodes comprising a metal alloy.
  • AEM Anion exchange membrane
  • the hydrogen source 2 produced by the water electrolysis unit comprises between 99.5% by weight and 99.999% by weight of hydrogen (after drying).
  • the carbon dioxide source 1 is purified before being introduced into the RWGS reaction unit 6. According to one or more embodiments, the carbon dioxide source 1 is purified in the heat exchange section 3. The carbon dioxide source 1 can also be purified before or after being introduced into the heat exchange section 3. On the other hand, when a furnace is used, it is preferable that the carbon dioxide source 1 be purified before being introduced into the furnace.
  • the RWGS 7 gas is purified before being introduced into the reaction unit for the synthesis of paraffinic hydrocarbons or alcohols, for example upstream or downstream of the water separation unit arranged between the RWGS 6 reaction unit and said reaction unit for the synthesis of paraffinic hydrocarbons or alcohols.
  • the water effluent recovered by separation on the RWGS 7 gas is purified before being introduced into the water electrolysis unit.
  • the effluent purification stages aim to at least partially eliminate sulfur and nitrogen compounds, halogens, heavy metals and transition metals.
  • the main gas purification technologies are: adsorption, absorption, catalytic reactions.
  • Examples 1A to 1E of Table 1 below are examples of a process for producing synthesis gas according to the present invention, using a reverse water gas conversion reaction unit (6) comprising three successive zones of distinct functions:
  • examples F, G and H of Table 1 are presented to show examples of distribution zone B parameters that allow for improved gas velocity uniformization criteria.
  • Example 1 D example 1A with the presence of “grading”, improving the standardization of gas speed;
  • Example 1 E example 1 B with “grading”, improving the uniformization of gas speed;
  • Examples 1 D example 10 with H-1/D-1 in a preferred range, reducing fluidization problems of grading;
  • Examples 2A to 2H of Table 2 below are examples of a process for producing synthesis gas according to the present invention, using a reverse water gas conversion reaction unit (6) containing three successive zones of distinct functions:

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Abstract

Procédé et dispositif de production de gaz de synthèse par conversion d'une charge contenant du CO2 dans lesquels on traite le CO2 (4) avec du H2 (5) dans une unité réactionnelle RWGS (6) pour produire un gaz de RWGS (7), l'unité réactionnelle RWGS comprenant : une zone de chauffe (A) pour chauffer le CO2 et/ou le H2, et produire du CO2 et du H2 chauffés à au moins 800°C; une zone de distribution (B) pour distribuer un mélange comprenant le CO2 et le H2 chauffés, vers une zone réactionnelle (C); et la zone réactionnelle (C) comprenant un lit catalytique pour convertir le CO2 e le H2 en CO et en H2O pour produire le gaz de synthèse.

Description

Procédé et dispositif de conversion du gaz à l'eau inversée multi-zones
Domaine technique
La présente invention porte sur un procédé et un dispositif de production du gaz de synthèse (« syngas » selon la terminologie anglo-saxonne), comprenant majoritairement du monoxyde de carbone (CO) et optionnellement de l’hydrogène (H2), par réaction entre un flux comprenant du dioxyde de carbone (CO2) et optionnellement du monoxyde de carbone et un flux comprenant de l’hydrogène.
Le gaz de synthèse peut ensuite être utilisé pour produire des alcools, notamment du méthanol ou des hydrocarbures paraffiniques tels que des carburants de synthèse, à savoir de l’essence, du kérosène, du gazole, et/ou d’autres produits hydrocarbonés, tels du naphta, ou des bases lubrifiantes, de très haute qualité (essentiellement dépourvus de soufre, d’aromatiques, d’azote).
Technique antérieure
L’utilisation d’un procédé de conversion du gaz à l'eau inversée (« Reverse Water-Gas Shift » ou « RWGS » selon la terminologie anglo-saxonne) pour convertir un mélange de dioxyde de carbone et d’hydrogène en gaz de synthèse comprenant du monoxyde de carbone et optionnellement du H2 est connue de l’homme du métier. Lors de la réaction de RWGS, le dioxyde de carbone réagit avec l’hydrogène pour produire du monoxyde de carbone et de l’eau. Un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène peut être obtenu en opérant avec un excès d’hydrogène ou en ajoutant de l’hydrogène supplémentaire en sortie de réacteur, de façon à obtenir après condensation de l’eau, un mélange comprenant du monoxyde de carbone, de l’hydrogène et optionnellement du dioxyde de carbone non converti.
La réaction de conversion du gaz à l'eau inversée est une réaction réversible et endothermique, qui est favorisée à haute température. A l’équilibre thermodynamique, selon la pression et le ratio H2/CO2, la conversion du dioxyde de carbone peut atteindre 60% à 80% pour des températures comprises entre 800°C et 1000°C. L’hydrogène peut également réagir avec le dioxyde de carbone et/ou le monoxyde de carbone pour former du méthane. Ces réactions sont exothermiques et ne sont donc pas favorisées à hautes températures, mais sont favorisées par une forte pression partielle en hydrogène. Ces réactions qui conduisent à la formation de méthane consomment beaucoup d’hydrogène. Lorsque l’on souhaite produire un gaz de synthèse pour la production de carburant de synthèse ou de méthanol, on cherche à limiter la quantité de méthane présent dans le gaz de synthèse, afin de maximiser la quantité d’hydrocarbures liquides synthétisés. La sélectivité en monoxyde de carbone est donc un enjeu important pour limiter la production de méthane et ainsi orienter l’hydrogène consommé vers la formation de monoxyde de carbone en vue de maximiser la production d’hydrocarbures liquides.
Le document de Vazquez et al. dans Journal of CO2 Utilization 28 (2018) pp 235-246 décrit une unité de RWGS associée à une unité de synthèse d’hydrocarbure par synthèse Fischer- Tropsch. La source de CO2 qui alimente l’unité de RWGS est du CO2 capté dans l’air. L’hydrogène qui alimente l’unité de RWGS est produite par électrolyse de l’eau et d’un appoint d’hydrogène stocké dans des bouteilles. L’hydrogène et le CO2 sont mélangés puis le mélange est préchauffé jusqu’à 450°C avant d’entrer dans le réacteur de RWGS. Le réacteur de RWGS contient un monolithe métallique recouvert d’une phase catalytique constitué de métal précieux. Le réacteur est chauffé de l’extérieur par un système de four électrique jusqu’à une température maximale de 850°C. Le réacteur est dimensionné pour un débit de CO2 de 2 NL/min, soit 0,12 Nm3/h, et son diamètre est de 20 mm. Cet art antérieur ne nous permet pas de designer une unité de RWGS à l’échelle industrielle, c'est-à-dire une unité de RWGS de diamètre plus grand capable de traiter des débits de gaz au moins supérieur à 1000 Nm3/h. Par ailleurs, lors de la chauffe du mélange CO2 et hydrogène entre 450°C et 850°C, des produits tels que méthane et CO se forment au sein du réacteur de RWGS, créant ainsi des conditions favorables à la corrosion par poussiérage métallique (« metal dusting » selon la terminologie anglo-saxonne).
Résumé de l’invention
Dans le contexte précédemment décrit, un premier objet de la présente description est de surmonter les problèmes de l’art antérieur et de fournir un procédé et un dispositif de production de gaz de synthèse à partir de dioxyde de carbone et d’hydrogène, permettant une qualité améliorée du gaz de synthèse produit. Le procédé et le dispositif selon l’invention permettent notamment de réduire la quantité de méthane présent dans le gaz de synthèse et limiter les phénomènes de poussiérage métallique. Le dispositif et le procédé selon l’invention permettent en outre d’éviter de fluidiser le catalyseur du lit catalytique de la zone réactionnelle et d’améliorer la conversion en assurant une distribution homogène en matière de concentration.
Selon un premier aspect, les objets précités, ainsi que d’autres avantages, sont obtenus par un procédé de production de gaz de conversion du gaz à l'eau inversée par conversion d’une charge contenant du dioxyde de carbone, mettant en œuvre un dispositif comprenant les éléments suivants :
- une unité réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée adaptée pour traiter un flux de dioxyde de carbone avec un flux d’hydrogène, et produire un gaz de conversion du gaz à l'eau inversée comprenant du (enrichi en) monoxyde de carbone et en eau (par rapport au mélange flux de dioxyde de carbone et flux d’hydrogène), ladite unité réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée comprenant trois zones successives de fonctions distinctes :
- une zone de chauffe ;
- une zone de distribution adaptée pour distribuer un mélange comprenant le flux de dioxyde de carbone chauffé et le flux d’hydrogène chauffé, vers/dans une zone réactionnelle ; et - la zone réactionnelle comprenant au moins un lit catalytique adapté pour convertir au moins en partie le dioxyde de carbone et l’hydrogène en monoxyde de carbone et en eau pour produire le gaz de conversion du gaz à l'eau inversée ; le procédé comprenant l’une des étapes suivantes :
- chauffer le flux de dioxyde de carbone et/ou le flux d’hydrogène dans la zone de chauffe pour produire : un flux de dioxyde de carbone chauffé de température cible supérieure ou égale à 800°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C (e.g. supérieure ou égale à 1000°C), et/ou un flux d’hydrogène chauffé de température cible supérieure ou égale à 800°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C (e.g. supérieure ou égale à 1000°C), avec la condition que le flux de dioxyde de carbone et le flux d’hydrogène soient chauffés séparément ; ou
- chauffer un mélange préchauffé de flux de dioxyde de carbone et de flux d’hydrogène dans la zone de chauffe pour produire un mélange chauffé de température cible supérieure ou égale à 800°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C (e.g. supérieure ou égale à 1000°C), avec la condition que la température du mélange préchauffé (i.e., avant chauffage par la zone de chauffe) soit d’au moins 700°C.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de distribution est adaptée pour distribuer de façon uniforme en matière de vitesse de gaz (répartition uniforme des vecteurs de vitesse sur la surface débitante du réacteur) le mélange comprenant le flux de dioxyde de carbone chauffé et le flux d’hydrogène chauffé, dans une zone réactionnelle.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le mélange préchauffé de flux de dioxyde de carbone et de flux d’hydrogène est chauffé dans la zone de chauffe, la température du mélange préchauffé est supérieure ou égale à 800°C, et on produit un mélange chauffé de température cible supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C (e.g. supérieure ou égale à 1000°C).
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, de l’électricité est utilisée pour apporter les calories nécessaires à l’unité réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température du flux de dioxyde de carbone est comprise entre 700°C et 900°C, de préférence entre 760°C et 860°C. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température du flux de dioxyde de carbone est supérieure ou égale à 800°C.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température du flux d’hydrogène est comprise entre 700°C et 900°C, de préférence entre 760°C et 860°C. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température du flux d’hydrogène est supérieure ou égale à 800°C.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé comprend :
- chauffer séparément une source de dioxyde de carbone et/ou une source d’hydrogène par échange de chaleur avec le gaz de conversion du gaz à l'eau inversée dans une section d’échange de chaleur pour produire le flux de dioxyde de carbone préchauffé de température cible supérieure ou égale à 300°C, préférablement supérieure ou égale à 400°C préférablement supérieure ou égale à 500°C préférablement supérieure ou égale à 600°C, préférablement supérieure ou égale à 700°C, préférablement supérieure ou égale à 750°C, et/ou un flux d’hydrogène préchauffé de température cible supérieure ou égale à 300°C, préférablement supérieure ou égale à 400°C préférablement supérieure ou égale à 500°C préférablement supérieure ou égale à 600°C, préférablement supérieure ou égale à 700°C, préférablement supérieure ou égale à 750°C.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température initiale de la source de dioxyde de carbone est inférieure à 300°C, de préférence inférieure à 250°C, de préférence inférieure à 200°C, et/ou la température initiale de la source d’hydrogène est inférieure à 300°C, de préférence inférieure à 200°C, de préférence inférieure à 150°C.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de chauffe est adaptée pour mélanger le flux de dioxyde de carbone avec le flux d’hydrogène pour produire le mélange préchauffé de température d’au moins 700°C et préférablement de température d’au moins 800°C.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de distribution est adaptée pour mélanger le flux de dioxyde de carbone chauffé/préchauffé avec le flux d’hydrogène chauffé, ou le flux d’hydrogène chauffé/préchauffé avec le flux de dioxyde de carbone chauffé, pour produire le mélange chauffé, et envoyer le mélange chauffé dans la zone réactionnelle.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de chauffe est adaptée pour chauffer un flux comprenant du CO avant ou après être mélangé avec le flux de dioxyde de carbone et/ou le flux d’hydrogène, ou la zone de distribution est adaptée pour mélanger le flux comprenant du CO avec le flux de dioxyde de carbone chauffé et/ou le flux d’hydrogène chauffé ou directement avec le mélange chauffé. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de distribution comprend au moins une première chambre dont la partie inférieure est cylindrique de hauteur H-1 de diamètre D-1 contenant au moins un interne adapté pour uniformiser les vitesses des gaz avant entrée dans la zone réactionnelle, les gaz circulant avec une vitesse U-1.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la première chambre de la zone de distribution est caractérisée par :
- H-1/D-1 compris entre 0,6 et 2,0, préférentiellement entre 1 ,0 et 1 ,6 ;
- U-1 comprise entre 1 ,0 m/s et 5,5 m/s, préférentiellement entre 3 m/s et 5 m/s ;
- la présence d’une couche de particules solides inertes présentant une vitesse minimale de fluidisation Umf (prédéterminée), la vitesse de gaz maximale en surface de la couche de particules solides inertes Umax étant inférieure à Umf.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la première chambre comprend une partie supérieure de section conique pour adapter un diamètre Da-1 d’admission des flux au diamètre D-1 de la partie inférieure de la première chambre, Da-1 étant plus petit que D-1 , le cône est caractérisé par un angle a compris entre 30° et 80°, préférentiellement entre 40° et 70° par rapport à la direction Z de circulation des flux (e.g. la verticale).
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de distribution assure une fonction de mélange et comprend une deuxième chambre dont la partie inférieure est sensiblement cylindrique de hauteur H-2 de diamètre D-2, la deuxième chambre étant située (directement) en amont de la première chambre, les flux de dioxyde de carbone et d’hydrogène entrant dans la partie supérieure de la deuxième chambre dans des tubes d’admission séparés de diamètre D-3 et D-4, respectivement, le flux de CO2 circulant avec une vitesse U-3, le flux d’hydrogène circulant avec une vitesse U-4.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de distribution est caractérisée par :
H-1/D-1 compris entre 0,6 et 2,0, préférentiellement entre 1 ,0 et 1 ,6 ;
H-2/D-2 compris entre 2,4 et 10, préférentiellement entre 4 et 8 ;
D-1/D-2 compris entre 2,5 et 8,0, préférentiellement entre 2,5 et 5,0 ;
D-3/D-4 compris entre 0,4 et 1 ,2, préférentiellement entre 0,6 et 1 ,1 ;
U-1 comprise entre 1 ,0 m/s et 5,5 m/s, préférentiellement entre 3 m/s et 5 m/s ;
U-3 compris entre 10 m/s et 60 m/s, préférentiellement entre 15 m/s et 55 m/s ;
U-4 compris entre 20 m/s et 120 m/s, préférentiellement entre 40 m/s et 100 m/s ; la présence d’une couche de particules solides inertes présentant une vitesse minimale de fluidisation Umf, la vitesse de gaz maximale en surface de la couche de particules solides inertes Umax étant inférieure à Umf. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les tubes d’admission du flux de dioxyde de carbone et du flux d’hydrogène sont inclinés par rapport à la direction Z de circulation des flux.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone réactionnelle est utilisée dans les conditions opératoires suivantes :
- vitesse spatiale du gaz à l'entrée du réacteur comprise entre 2000 NL/kgcata/h et 40000 NL/kgcata/h ;
- catalyseur à base des éléments Ni, Cu, Fe, Co ou de métaux précieux tels que Pt, Pd, Ru, Ag et Au. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le catalyseur pour la réaction de RWGS comprend un support, par exemple à base d’alumine, de silice, de silice-alumine, d’alumine-silicée.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le catalyseur présente une forme d’anneau ou de cylindre. Avantageusement, l’unité réactionnelle de RWGS comporte un lit catalytique permettant une conversion du dioxyde de carbone d’au moins 60%, de préférence au moins 65%, de préférence au moins 67%.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de chauffe, la zone de distribution et/ou la zone réactionnelle sont adaptées pour être utilisées à une pression est comprise entre 0,1 MPa et 10 MPa, préférentiellement comprise entre 0,1 MPa et 5 MPa, et plus préférentiellement comprise entre 0,1 MPa et 3,5 MPa.
Selon un deuxième aspect, les objets précités, ainsi que d’autres avantages, sont obtenus par un dispositif de production de gaz de conversion du gaz à l'eau inversée par conversion d’une charge contenant du dioxyde de carbone, comprenant une unité réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée adaptée pour traiter un flux de dioxyde de carbone avec un flux d’hydrogène, et produire un gaz de conversion du gaz à l'eau inversée comprenant du (enrichi en) monoxyde de carbone et en eau (par rapport au mélange flux de dioxyde de carbone et flux d’hydrogène, ladite unité réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée comprenant trois zones successives de fonctions distinctes :
- une zone de chauffe adaptée pour : chauffer le flux de dioxyde de carbone et/ou le flux d’hydrogène pour produire : un flux de dioxyde de carbone chauffé de température cible supérieure ou égale à 800°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C (e.g. supérieure ou égale à 1000°C), et/ou un flux d’hydrogène chauffé de température cible supérieure ou égale à 800°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C (e.g. supérieure ou égale à 1000°C), avec la condition que le flux de dioxyde de carbone et le flux d’hydrogène soient chauffés séparément ; ou chauffer un mélange préchauffé de flux de dioxyde de carbone et de flux d’hydrogène pour produire un mélange chauffé de température cible supérieure ou égale à 800°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C (e.g. supérieure ou égale à 1000°C), avec la condition que la température du mélange préchauffé (i.e., avant chauffage par la zone de chauffe) soit d’au moins 700°C ;
- une zone de distribution adaptée pour distribuer un mélange comprenant le flux de dioxyde de carbone chauffé et le flux d’hydrogène chauffé, vers/dans une zone réactionnelle ; et
- la zone réactionnelle comprenant au moins un lit catalytique adapté pour convertir au moins en partie le dioxyde de carbone et l’hydrogène en monoxyde de carbone et en eau pour produire le gaz de conversion du gaz à l'eau inversée.
Des modes de réalisation du procédé et du dispositif selon les aspects précités ainsi que d’autres caractéristiques et avantages vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et en référence aux dessins suivants.
Liste des figures
La figure 1 montre une représentation schématique d’un dispositif selon la présente invention, comprenant une zone de chauffe A, une zone de distribution B et une zone réactionnelle C.
La figure 2 montre une représentation schématique du dispositif de la figure 1 comprenant une section d’échange de chaleur 3.
La figure 3 montre une représentation schématique du dispositif selon la figure 2, dans lequel la zone de chauffe A comprend 2 sections A1 et A2 de chauffe distinctes.
La figure 4 montre une représentation schématique du dispositif selon la figure 2 adapté pour traiter un flux comprenant du CO 9.
La figure 5 montre une représentation schématique du dispositif selon la figure 3 adapté pour traiter un flux comprenant du CO 9.
La figure 6 montre une représentation schématique d’une zone de distribution B d’un dispositif selon la présente invention.
Description des modes de réalisation
Des modes de réalisation du procédé selon le premier aspect et du dispositif selon le deuxième aspect vont maintenant être décrits en détail. Dans la description détaillée suivante, de nombreux détails spécifiques sont exposés afin de fournir une compréhension plus approfondie du procédé et du dispositif. Cependant, il apparaîtra à l’homme du métier que le procédé et le dispositif peuvent être mis en œuvre sans ces détails spécifiques. Dans d’autres cas, des caractéristiques bien connues n’ont pas été décrites en détail pour éviter de compliquer inutilement la description.
Dans la présente description, le terme « comprendre » est synonyme de (signifie la même chose que) « inclure » et « contenir », et est inclusif ou ouvert et n’exclut pas d’autres éléments non récités. Il est entendu que le terme « comprendre » inclut le terme exclusif et fermé « consister ». En outre, dans la présente description, un effluent comprenant essentiellement ou uniquement un composé A correspond à un effluent comprenant au moins 95% en poids, préférablement au moins 98% en poids, très préférablement au moins 99% en poids, de composé A. Dans la présente description, par vitesse de gaz, on entend la vitesse superficielle de gaz.
La présente invention peut se définir comme un procédé et un dispositif comprenant un enchainement d’éléments ou d’opérations permettant de produire du gaz de synthèse, composé majoritairement de monoxyde de carbone (CO), par conversion de dioxyde de carbone (CO2) en présence d’hydrogène (H2). En particulier, le procédé et le dispositif de production de gaz de synthèse à partir de dioxyde de carbone et d’hydrogène permettent de garantir une qualité du gaz de synthèse produit. Le procédé et le dispositif selon l’invention permettent notamment de réduire la quantité de méthane présent dans le gaz de synthèse.
Le procédé et le dispositif selon l’invention sont notamment caractérisés en ce qu’ils utilisent et comprennent une unité de conversion du gaz à l'eau inversée (RWGS) et optionnellement un ou plusieurs trains d’échangeurs thermiques charge/effluent.
Le dioxyde de carbone nécessaire peut être fourni par une unité de séparation d’un flux comprenant du dioxyde de carbone (e.g. fumées de combustion) ou une unité de captage de dioxyde de carbone (e.g. le dioxyde de carbone présent dans l’air).
L’hydrogène nécessaire pour la conversion du dioxyde de carbone peut être produit par une unité d’électrolyse de l’eau, ladite eau pouvant provenir l’effluent de l’unité réactionnelle de RWGS et optionnellement des unités avales (par exemple unités de Fischer-Tropsch (FT) ou de synthèse d’alcools). Préférablement, l’utilisation de l’unité d’électrolyse de l’eau pour traiter l’eau produite par l’unité réactionnelle de RWGS permet en outre de minimiser l’impact environnemental du procédé. Ainsi le procédé selon l’invention ne nécessite pas d’apport d’hydrogène externe, par exemple produit par vaporeformage de gaz naturel. L’électrolyseur peut fonctionner avec de préférence une électricité bas carbone (telle que le solaire ou l’éolien par exemple ou encore le nucléaire), ce qui contribue à un faible impact environnemental du gaz de synthèse et des hydrocarbures qui seront produits ensuite à partir de ce gaz de synthèse. En outre, l’eau utilisée pour la production d’hydrogène peut provenir au moins en partie du recyclage de l’eau produite par la réaction de RWGS, ce qui présente l’avantage de limiter l’apport extérieur en eau.
En référence à la figure 1 , selon le premier aspect et le deuxième aspect, le procédé et le dispositif de production de gaz de synthèse selon la présente invention utilise/comprend une unité réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée 6 (unité réactionnelle de RWGS) adaptée pour traiter un flux de dioxyde de carbone 4 avec un flux d’hydrogène 5, et produire un gaz de RWGS 7 comportant du monoxyde de carbone et de l’eau, et notamment enrichi en monoxyde de carbone et en eau par rapport au mélange flux de dioxyde de carbone 4 et flux d’hydrogène 5, ladite unité réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée 6 comprenant trois zones successives de fonctions distinctes :
- une zone de chauffe A ;
- une zone de distribution B, adaptée pour distribuer, préférablement de façon uniforme en matière de vitesse de gaz (répartition uniforme des vecteurs de vitesse sur la surface débitante du réacteur), un mélange comprenant le flux de dioxyde de carbone chauffé et le flux d’hydrogène chauffé, dans une zone réactionnelle C ; et
- la zone réactionnelle C comprenant au moins un lit catalytique adapté pour convertir au moins en partie le dioxyde de carbone et l’hydrogène en monoxyde de carbone et en eau.
Selon l’invention, la zone de chauffe A est adaptée, lors du procédé, pour :
- chauffer un flux de dioxyde de carbone 4 et/ou un flux d’hydrogène 5 pour produire un flux de dioxyde de carbone chauffé de température cible supérieure ou égale à 800°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C (e.g. supérieure ou égale à 1000°C), et/ou un flux d’hydrogène chauffé de température cible supérieure ou égale à 800°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C (e.g. supérieure ou égale à 1000°C), avec la condition que le flux de dioxyde de carbone 4 et le flux d’hydrogène 5 soient chauffés séparément ; ou
- chauffer un mélange préchauffé de flux de dioxyde de carbone 4 et de flux d’hydrogène 5 pour produire un mélange chauffé de température cible supérieure ou égale à 800°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C (e.g. supérieure ou égale à 1000°C), avec la condition que la température du mélange préchauffé (i.e. , avant chauffage par la zone de chauffe A) soit d’au moins 700°C.
Préférablement, lorsque le mélange préchauffé de flux de dioxyde de carbone 4 et de flux d’hydrogène 5 est chauffé dans la zone de chauffe A, la température du mélange préchauffé est supérieure ou égale à 800°C, et on produit un mélange chauffé de température cible supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C (e.g. supérieure ou égale à 1000°C). La demanderesse a constaté que, lors de la chauffe d’un mélange comprenant du dioxyde de carbone et de l’hydrogène, une formation de méthane apparaît, la formation de méthane étant favorisée par les températures inférieures à 700°C et étant catalysée par le nickel présent dans les metallurgies résistantes aux hautes températures. En outre, la présence de méthane dans la gamme de température entre 400 et 800°C induit le phénomène de corrosion par poussiérage métallique (« metal dusting » selon la terminologie anglo-saxonne), dégradation d’alliages métallique, par exemple à base de fer ou de nickel, en poussière métallique. En particulier, le poussiérage métallique est une perte locale importante d’épaisseur, généralisée ou sous forme de piqûres qui, du fait de la diffusion de carbone dans le métal, conduit à la décomposition du métal par la formation en surface de particules métalliques (poussière) et de carbures ou de coke.
En outre, la demanderesse a constaté que le zone de distribution B permet d’éviter de fluidiser le catalyseur du lit catalytique de la zone réactionnelle et d’améliorer la conversion en assurant une distribution homogène en matière de concentration.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, de l’électricité, par exemple bas carbone (telle que le solaire ou l’éolien par exemple ou encore le nucléaire), est utilisée pour apporter les calories nécessaire à l’unité réactionnelle de RWGS 6, par exemple à la zone de chauffe A. L’apport de calories peut être effectué par l’intermédiaire de résistances électriques localisées dans la ou les zones nécessitant un apport de calories. Avantageusement, les résistances électriques peuvent être au contact ou sans contact direct avec le ou les flux circulant dans la ou les zones. La métallurgie des zones considérées peut être adaptée à la nature et à la température du flux gazeux traversant lesdites zones.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température du flux de dioxyde de carbone 4 (en entrée de l’unité réactionnelle de RWGS 6) est comprise entre 700°C et 900°C, de préférence entre 760°C et 860°C. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température du flux de dioxyde de carbone 4 (en entrée de l’unité réactionnelle de RWGS 6) est supérieure ou égale à 800°C.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température du flux d’hydrogène 5 (en entrée de l’unité réactionnelle de RWGS 6) est comprise entre 700°C et 900°C, de préférence entre 760°C et 860°C. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température du flux d’hydrogène 5 (en entrée de l’unité réactionnelle de RWGS 6) est supérieure ou égale à 800°C.
En outre, la zone de chauffe A peut optionnellement avoir pour fonction supplémentaire d’assurer le mélange des réactifs, c’est-à-dire le mélange d’un flux de dioxyde de carbone 4 avec un flux d’hydrogène 5, afin d’homogénéisation des concentrations. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de chauffe A est adaptée pour mélanger le flux de dioxyde de carbone 4 avec le flux d’hydrogène 5 pour produire le mélange préchauffé de température d’au moins 700°C et préférablement de température d’au moins 800°C, le flux de dioxyde de carbone 4 et le flux d’hydrogène 5 étant préchauffés séparément.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température cible du flux de dioxyde de carbone chauffé est comprise entre 800°C et 1100°C, de préférence comprise entre 880°C et 1050°C, de préférence entre 930°C et 1050°C, de préférence entre 950°C et 1050°C ou entre 980°C et 1050°C.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température cible du flux d’hydrogène chauffé est comprise entre 800°C et 1100°C, de préférence comprise entre 880°C et 1050°C, de préférence entre 930°C et 1050°C, de préférence entre 950°C et 1050°C ou entre 980°C et 1050°C.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température cible du mélange chauffé est comprise entre 800°C et 1200°C, de préférence comprise entre 900°C et 1100°C, de préférence comprise entre 950°C et 1050°C ou entre 980°C et 1050°C.
En référence à la figure 2, selon un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé de production de gaz de synthèse selon la présente invention met en œuvre une section d’échange de chaleur 3 optionnelle adaptée pour chauffer séparément une source de dioxyde de carbone 1 et/ou une source d’hydrogène 2 par échange de chaleur avec un gaz de conversion du gaz à l'eau inversée 7 (gaz de RWGS), et produire le flux de dioxyde de carbone 4 préchauffé de température cible supérieure ou égale à 300°C, préférablement supérieure ou égale à 400°C préférablement supérieure ou égale à 500°C préférablement supérieure ou égale à 600°C, préférablement supérieure ou égale à 700°C, préférablement supérieure ou égale à 750°C, et/ou un flux d’hydrogène 5 préchauffé de température cible supérieure ou égale à 300°C, préférablement supérieure ou égale à 400°C préférablement supérieure ou égale à 500°C préférablement supérieure ou égale à 600°C, préférablement supérieure ou égale à 700°C, préférablement supérieure ou égale à 750°C. Préférablement, la section d’échange de chaleur 3 est disposée directement en aval (e.g. en sortie de) l’unité réactionnelle de RWGS 6.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température initiale (e.g. en entrée de la section d’échange de chaleur 3) de la source de dioxyde de carbone 1 est inférieure à 300°C, de préférence inférieure à 250°C, de préférence inférieure à 200°C. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température initiale de la source de dioxyde de carbone 1 est comprise entre -50°C et 300°C, de préférence entre 0°C et 250°C, de préférence entre 0°C et 200°C.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température initiale (e.g. en entrée de la section d’échange de chaleur 3) de la source d’hydrogène 2 est inférieure à 300°C, de préférence inférieure à 200°C, de préférence inférieure à 150°C. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température initiale de la source d’hydrogène 2 est comprise entre 10°C et 300°C, de préférence entre 10°C et 200°C, de préférence entre 10°C et 150°C.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la section optionnelle d’échange de chaleur 3 comprend un ou plusieurs échangeurs de chaleur (e.g. train d’échangeurs thermiques) adaptés pour chauffer séparément chacun des flux par échange de chaleur avec le gaz de RWGS 7, par exemple directement en sortie de l’unité réactionnelle de RWGS 6, et produire un gaz de RWGS refroidi 8. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’au moins un échangeur de chaleur est adapté pour chauffer en parallèle la source de dioxyde de carbone
I et la source d’hydrogène 2. Par exemple, le gaz de RWGS 7 peut être divisé en deux flux, l’un chauffant la source de dioxyde de carbone 1 au moyen d’un ou plusieurs échangeurs de chaleur, l’autre chauffant la source d’hydrogène 2 au moyen d’un autre ou d’autres échangeurs de chaleur. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’au moins un échangeur de chaleur comprend au moins un échangeur de chaleur multiservice, i.e. échangeur de chaleur adapté pour chauffer en parallèle au moins deux fluides distincts. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’au moins un échangeur de chaleur est adapté pour chauffer en série la source de dioxyde de carbone 1 et la source d’hydrogène 2, par exemple, le gaz de RWGS 7 chauffe la source de dioxyde de carbone 1 puis la source d’hydrogène 2, ou la source d’hydrogène 2 puis la source de dioxyde de carbone 1 , au moyen d’un ou plusieurs échangeurs de chaleur. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’au moins un échangeur de chaleur comprend au moins un échangeur de chaleur à plaques ou de type tubes calandres.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le gaz de RWGS 7 présente une température de sortie de l’unité réactionnelle de RWGS 6 (e.g. inférieure à la température cible du mélange chauffé comprenant le flux de dioxyde de carbone et le flux d’hydrogène) d’au moins 700°C, préférablement d’au moins 750°C, très préférablement d’au moins 800°C, par exemple une température comprise entre 800°C et 1050°C, préférablement une température comprise entre 800°C et 1000°C, préférablement une température comprise entre 800°C et 900°C. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la différence de température entre d’une part le mélange chauffé et d’autre part le gaz de RWGS 7 est d'au moins 10°C, préférablement d'au moins 40°C, très préférablement d'au moins 50°C, par exemple une différence de températures comprise entre 50°C et 200°C, préférablement une différence de température comprise entre 60°C et 195°C, préférablement une différence de température comprise entre 80°C et 190°C.
II est entendu que la température du gaz d'entrée dans l'unité réactionnelle de RWGS 6 est supérieure à celle du gaz de RWGS 7.
Il est entendu dans la présente demande que, bien qu’il soit préférable que la source de dioxyde de carbone 1 et/ou la source d’hydrogène 2 soient préchauffées par le gaz de RWGS 7 produit par l’unité réactionnelle de RWGS 6, le préchauffage de la source de dioxyde de carbone 1 et/ou de la source d’hydrogène 2 peut être effectué par tout moyen connu de l’homme du métier. Par exemple, selon un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé de production de gaz de synthèse selon la présente invention met en œuvre au moins un système de chauffe tel qu’un four (non décrit dans les figures) adapté pour chauffer séparément la source de dioxyde de carbone 1 et/ou la source d’hydrogène 2, et produire le flux de dioxyde de carbone 4 préchauffé de température cible supérieure ou égale à 700°C, préférablement supérieure ou égale à 750°C, et/ou le flux d’hydrogène 5 préchauffé de température cible supérieure ou égale à 700°C, préférablement supérieure ou égale à 750°C. Préférablement, le système de chauffe est disposé directement en amont (e.g. en entrée de) l’unité réactionnelle de RWGS 6.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le système de chauffe est alimenté au moins en partie par une énergie électrique. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le système de chauffe est alimenté au moins en partie par un combustible. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le système de chauffe est alimenté de façon hybride par une énergie électrique et par un combustible. Préférablement, le système de chauffe est essentiellement ou totalement alimenté par une énergie électrique.
Avantageusement, les technologies existantes de four électrique ou de système de chauffe électrique permettent d’atteindre les températures de préchauffe. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le système de chauffe électrique est (de technologie) tubulaire, chaque flux à chauffer circulant dans un ou plusieurs tubes, lesdits tubes pouvant être chauffés soit par un système de résistances électriques, soit par impédance. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le système de chauffe électrique est constitué de résistances électriques immergées dans les flux à chauffer. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’apport de calories est effectué par impédance, chaque flux circulant alors dans un ou plusieurs tubes métalliques. Selon un ou plusieurs autres modes de réalisation, l’apport de calories est effectué par l’intermédiaire de résistances électriques qui peuvent être immergées au sein des flux circulants dans un ou plusieurs tubes constitués de matériaux adaptés à la composition chimique et la température du flux ou qui peuvent être sans contact direct, les flux circulant alors dans un tube métallique. La métallurgie du tube métallique peut être adaptée à la nature des flux à chauffer et aux températures cibles.
Dans le cas d’un four alimenté au moins partiellement par un combustible, le four est préférablement alimenté par une source d’oxygène (air et/ou oxygène produit par l’électrolyseur), et par au moins un des combustibles suivants :
- un effluent gazeux d’hydrocarbures (« off-gas » selon la terminologie anglo-saxonne), tel qu’un effluent d’une unité FT traitant le gaz de RWGS 7, ou d’une unité d’hydrocraquage, d’hydrotraitement ou d’hydroisomérisation des paraffines produites par l’unité FT, ou un effluent d’une unité de synthèse de méthanol) ; et/ou
- de l’hydrogène, par exemple produit par l’électrolyseur.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’effluent gazeux d’hydrocarbures comprend au moins un des éléments suivants : du gaz de RWGS 7 non-converti, du dioxyde de carbone, des hydrocarbures gazeux, tels que des paraffines en C1-C4, des oléfines en C2-C4, et/ou des composés oxygénés en C1-C3. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, lorsque le four est alimenté par l’effluent gazeux d’hydrocarbures, le four est une unité d’oxydation partielle, permettant notamment de produire un effluent riche en monoxyde de carbone, et préférablement composés essentiellement de monoxyde de carbone, et comprenant éventuellement du dioxyde de carbone, de l’hydrogène et de l’eau.
En référence à la figure 3, selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de chauffe A comprend 2 sections A1 et A2 de chauffe distinctes et séparées l’une de l’autre (c'est-à-dire sans écoulement de flux d’une section à l’autre), la section A1 étant adaptée pour augmenter la température du flux riche en dioxyde de carbone 4 et la section A2 étant adaptée pour augmenter la température du flux d’hydrogène 5. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de chauffe A est adaptée pour chauffer séparément le flux de dioxyde de carbone 4 et le flux d’hydrogène 5 et envoyer (séparément) le flux de dioxyde de carbone chauffé 4 et le flux d’hydrogène chauffé dans la zone de distribution B.
La zone de distribution B peut optionnellement avoir pour fonction supplémentaire d’assurer le mélange des réactifs, c’est-à-dire du flux de dioxyde de carbone chauffé avec le flux d’hydrogène chauffé/préchauffé ou du flux d’hydrogène chauffé avec le flux de dioxyde de carbone chauffé/préchauffé, afin d’homogénéisation des concentrations. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de distribution B est adaptée pour mélanger le flux de dioxyde de carbone chauffé avec le flux d’hydrogène chauffé, produire le mélange chauffé, distribuer de façon uniforme en matière de vitesse de gaz ledit mélange chauffé et l’envoyer dans la zone réactionnelle C. Avantageusement, en mélangeant le flux de dioxyde de carbone et le flux d’hydrogène ainsi chauffés/préchauffés pour former un mélange chauffé de température cible d’au moins 800°C, la production de méthane et le poussiérage métallique sont encore plus limités.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’unité réactionnelle de conversion de RWGS 6 est adaptée pour traiter un flux comprenant du CO 9. En référence à la figure 4, selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de chauffe A est adaptée pour chauffer le flux comprenant du CO 9 avant ou après mélange du flux comprenant du CO 9 avec le flux de dioxyde de carbone 4 et le flux d’hydrogène 5. Alternativement, selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de distribution B est adaptée pour mélanger le flux comprenant du CO 9 (voir flèche hachurée) avec le mélange chauffé comprenant le flux de dioxyde de carbone et le flux d’hydrogène, puis de distribuer de façon uniforme en matière de vitesse de gaz le nouveau mélange chauffé (comprenant CO2, CO et H2) dans la zone réactionnelle C.
En référence à la figure 5, selon un ou plusieurs modes de réalisation, la section A1 de la zone de chauffe A est adaptée pour :
- chauffer le flux comprenant du CO 9 et mélanger le flux comprenant du CO 9 avec le flux de dioxyde de carbone 4, ou
- chauffer le flux de dioxyde de carbone 4 et mélanger le flux de dioxyde de carbone 4 avec le flux comprenant du CO 9, ou
- mélanger le flux de dioxyde de carbone 4 avec le flux comprenant du CO 9 et chauffer le mélange CO-CO2.
Alternativement, selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de distribution B est adaptée pour mélanger le flux comprenant du CO 9 (voir flèche hachurée) avec le flux de dioxyde de carbone chauffé et (puis) également avec le flux d’hydrogène chauffé, puis de distribuer de façon uniforme en matière de vitesse de gaz le nouveau mélange chauffé (comprenant CO2, CO et H2) dans la zone réactionnelle C.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de chauffe A est adaptée pour que le flux de dioxyde de carbone 4 et/ou le flux d’hydrogène 5 circulent avec un nombre de Reynolds supérieur à 3000.
En référence à la figure 6, selon un ou plusieurs modes de réalisation, la distribution uniforme en matière de vitesse de gaz du mélange chauffé dans la zone de distribution B est obtenu par une première chambre B1 dont la partie inférieure (partie aval par rapport au sens de circulation du mélange chauffé) est sensiblement cylindrique de hauteur H-1 de diamètre D-1 contenant au moins un interne adapté pour uniformiser les vitesses des gaz avant entrée dans la zone réactionnelle C, comme par exemple, au moins une couche de particules solides inertes (« grading » selon la terminologie anglosaxonne) telles que des particules en céramique, et/ou des éléments, par exemples des éléments de garnissage. La vitesse superficielle des gaz dans la première chambre B1 est U-1. Préférablement, dans le cas où au moins une couche de « grading » est utilisée, la vitesse de gaz maximale en surface du « grading » Umax est inférieure à la vitesse minimale de fluidisation du « grading » Umf, Umf étant une caractéristique du grading connue de l’homme du métier, U-1 étant inférieure à Umax. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de distribution B est caractérisée par :
H-1 compris entre 0,1 m et 20 m, préférentiellement entre 0,5 m et 13 m ; D-1 compris entre 0,2 m et 10 m, préférentiellement entre 0,5 m et 8 m ;
H-1/D-1 compris entre 0,6 et 2,0, préférentiellement entre 1 ,0 et 1 ,6 ;
U-1 compris entre 1 ,0 m/s et 5,5 m/s, préférentiellement entre 3 m/s et 5 m/s ;
Umax/Umf est inférieure à 1.
Optionnellement, la première chambre B1 comprend une partie supérieure (partie amont par rapport au sens de circulation du mélange chauffé provenant de la de la zone de chauffe A) de section conique pour adapter un (plus petit) diamètre Da-1 d’admission des flux à un (plus grand) diamètre D-1 de la partie inférieure de la première chambre B1. Préférablement, le cône est caractérisé par un angle a compris entre 30° et 80°, préférentiellement entre 40° et 70° (par rapport à la direction Z de circulation du mélange chauffé, i.e., sensiblement par rapport à la verticale).
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, dans le cas où la zone de distribution B assure une fonction de mélange des réactifs, elle comprend une deuxième chambre B2 de hauteur H-2 et de diamètre D-2 dont au moins la partie inférieure (partie aval par rapport au sens de circulation des flux à mélanger provenant de la de la zone de chauffe A) est sensiblement cylindrique (de diamètre D-2), la deuxième chambre B2 étant située (directement) en amont de la première chambre B1. Le flux de dioxyde de carbone chauffé/préchauffé et le flux d’hydrogène chauffé/préchauffé entrent dans la partie supérieure (partie amont par rapport au sens de circulation des flux à mélanger) de la deuxième chambre B2 dans des tubes d’admission B3 et B4 séparés de diamètre D-3 et D-4, respectivement, le flux de CO2 circulant avec une vitesse superficielle U-3, le flux d’hydrogène circulant avec une vitesse superficielle U-4. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le diamètre D-2 correspond au diamètre Da- 1. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la partie supérieure de la chambre B2 est adaptée pour assurer la connexion avec les tubes d’admission B3 et B4 du flux de dioxyde de carbone et du flux d’hydrogène. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les tubes d’admission B3 et B4 du flux de dioxyde de carbone et du flux d’hydrogène sont inclinés par rapport à la direction Z de circulation des flux, préférablement selon un angle p compris entre 10° to 90°, préférablement entre 20 to 60°, par rapport à la direction Z de circulation des flux.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de distribution B est caractérisée par :
H-1 compris entre 0,1 m et 20 m, préférentiellement entre 0,5 m et 13 m ;
D-1 compris entre 0,2 m et 10 m, préférentiellement entre 0,5 m et 8 m ;
H-2 compris entre 0,05 m et 30 m, préférentiellement entre 0,4 m et 18 m ;
D-2 compris entre 0,04 m et 4 m, préférentiellement entre 0,1 m et 3 m ;
D-3 compris entre 0,04 m et 1 ,9 m, préférentiellement entre 0,05 m et 1 ,3 m ; D-4 compris entre 0,04 m et 1,6 m, préférentiellement entre 0,05 m et 1,2 m ;
H-1/D-1 compris entre 0,6 et 2,0, préférentiellement entre 1 ,0 m et 1,6 ;
H-2/D-2 compris entre 2,4 et 8 préférentiellement entre 4 et 6 ;
D-1/D-2 compris entre 2,5 et 8,0, préférentiellement entre 2,5 et 5,0 ;
D-3/D-4 compris entre 0,4 et 1,2, préférentiellement entre 0,6 et 1,1 ;
U-3 compris entre 10 m/s et 60 m/s, préférentiellement entre 15 m/s et 55 m/s ;
U-4 compris entre 20 m/s et 120 m/s, préférentiellement entre 40 m/s et 100 m/s ;
U-1 compris entre 1,0 m/s et 5,5 m/s, préférentiellement entre 3 m/s et 5 m/s ;
Umax/Umf inférieure à 1.
Avantageusement, l’uniformisation des vitesses de gaz permet d’éviter de fluidiser le catalyseur du lit catalytique de la zone réactionnelle C tout en assurant une distribution homogène des vitesses de gaz et de concentration. L’uniformisation du champ de vitesse de gaz est caractérisé par un indice d'uniformité lll-v supérieur à 95%, préférentiellement supérieur à 97%, préférentiellement supérieur à 98%. L’homogénéisation de la concentration est caractérisée par un indice d’uniformité lU-c supérieur à 95%, préférentiellement supérieur à 97%, préférentiellement supérieur à 98%, préférentiellement supérieur à 99%.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone réactionnelle C est adaptée pour être utilisée dans les conditions opératoires suivantes :
- vitesse spatiale du gaz à l'entrée du réacteur comprise entre 2000 NL/kgcata/h et 40000 NL/kgcata/h ;
- catalyseur à base des éléments Ni, Cu, Fe, Co ou de métaux précieux tels que Pt, Pd, Ru, Ag et Au. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le catalyseur pour la réaction de RWGS comprend un support, par exemple à base d’alumine, de silice, de silice-alumine, d’alumine-silicée. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le catalyseur présente une forme d’anneau ou de cylindre. Avantageusement, l’unité réactionnelle de RWGS 6 comporte un lit catalytique permettant une conversion du dioxyde de carbone d’au moins 60%, de préférence au moins 65%, de préférence au moins 67%.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de chauffe A, la zone de distribution B et/ou la zone réactionnelle C sont adaptées pour être utilisées à une pression est comprise entre 0,1 MPa et 10 MPa, préférentiellement comprise entre 0,1 MPa et 5 MPa, et plus préférentiellement comprise entre 0,1 MPa et 3,5 MPa.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la zone de chauffe A, la zone de distribution B et/ou la zone réactionnelle C forment un réacteur adiabatique. Avantageusement, la faible perte thermique voire l’absence de perte thermique dans le réacteur adiabatique est assurée par tout moyen d’isolation thermique connu de l’homme du métier. Par exemple, l’isolation du réacteur adiabatique peut être effectuée par l’extérieur de la paroi métallique du réacteur adiabatique, et dans ce cas, la paroi métallique est dans une métallurgie résistante à la température et aux gaz contenant du CO, de l’hydrogène et de l’eau, éventuellement recouverte d'un revêtement (e.g. couche < 1 mm) contre le cokage et le poussiérage métallique (e.g. revêtement à base de Al, Cr ou Si qui est ensuite oxydé in-situ pour former une couche d'oxyde d’A Oa). Par exemple, l’isolation du réacteur adiabatique peut être effectuée par l’intérieur de la paroi métallique du réacteur adiabatique, avec une ou plusieurs couches de matériaux isolants.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la quantité d’hydrogène à l’entrée de l’unité réactionnelle de RWGS 6 est ajustée de façon à ce que le rapport molaire H2/CO en sortie de l’unité réactionnelle de RWGS 6 soit compatible avec le besoin d’une unité FT aval (non décrite dans les figures) ou d’une unité ou de synthèse d’alcools (non décrite dans les figures). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la quantité d’hydrogène à l’entrée de l’unité réactionnelle de RWGS 6 est contrôlée de façon à ce que le rapport molaire H2/CO dans le gaz de RWGS 7 en sortie de l’unité réactionnelle de RWGS 6 soit compris entre 0,5 et 4, de préférence entre 1 et 3, de manière plus préférée entre 1 ,5 et 2,5.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, une partie de l’hydrogène nécessaire à la synthèse FT ou la synthèse d’alcools peut être apportée en aval de l’unité réactionnelle de RWGS 6, en mélangeant par exemple une source d’hydrogène d’appoint avec le gaz de RWGS 7 ou le gaz de RWGS refroidi 8, respectivement en amont ou en aval de la section d’échange de chaleur 3. Par exemple, l’ajout d’hydrogène peut se faire an aval d’une unité de séparation de l’eau (définie ci-après) adaptée pour séparer de l’eau contenue dans le gaz de RWGS 7 ou le gaz de RWGS refroidi 8. Préférablement, l’ajout d’hydrogène est effectué en amont de l’unité réactionnelle qui produit des hydrocarbures paraffiniques (synthèse FT) ou des alcools.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, on envoie le gaz de RWGS 7 ou le gaz de RWGS refroidi 8, et préférablement le gaz de RWGS refroidi 8, dans l’unité de séparation de l’eau (non décrite dans les figures), pour séparer au moins en partie ou totalement l’eau présente dans le gaz de RWGS et produire un gaz de RWGS appauvri en eau. Avantageusement, le gaz de RWGS appauvri en eau comprend essentiellement de monoxyde de carbone, optionnellement du dioxyde de carbone (résiduel) et optionnellement de l’hydrogène (lorsque l’hydrogène est en excès). Par exemple, le gaz de RWGS peut être refroidi jusqu’à une température de condensation permettant la condensation et l’eau présente dans le gaz de RWGS. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’unité d’électrolyse (non décrite dans les figures) de l’eau traite au moins en partie l’eau séparée du gaz de RWGS appauvri en eau et/ou séparée d’un effluent d’une unité aval (e.g. pour la production d’hydrocarbures paraffiniques ou d’alcools) pour produire au moins en partie la source d’hydrogène 2. L’unité d’électrolyse de l’eau peut éventuellement traiter en partie ou totalement de l’eau provenant d’une ligne d’appoint.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’unité d’électrolyse de l’eau comprend au moins un électrolyseur de type alcalin. D’autres technologies d’électrolyseur peuvent être utilisées pour l’unité d’électrolyse de l’eau, telles que l’électrolyse à membrane échangeuse de proton (PEM pour « Proton Exchange Membrane » selon la terminologie anglo-saxonne), l’électrolyse à oxyde solide (SOE pour « Solid Oxide Electrolysis » selon la terminologie anglo- saxonne), ou l’électrolyse à membrane échangeuse d’anions (AEM pour « Anion Exchange Membrane » selon la terminologie anglo-saxonne). Les conditions opératoires (température, pression, nature de l’électrolyte, des électrodes et du diaphragme/membrane) sont alors propres à chaque technologie.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’unité d’électrolyse de l’eau comprend au moins un réacteur utilisé dans au moins une des conditions opératoires suivantes :
Electrolyseur de type alcalin : température comprise entre 60°C et 90°C, pression comprise entre 0,1 MPa et 20 MPa, de préférence entre 0,1 MPa et 4 MPa, électrolyte comprenant du KOH, électrodes comprenant un alliage métallique, diaphragme comprenant de l’amiante, du polytétrafluoroéthylène et/ou de l’oxyde de nickel ;
Electrolyseur de type membrane échangeuse de proton (PEM) : température comprise entre 50°C et 80°C, pression comprise entre 0,1 MPa et 20 MPa, de préférence entre 1 ,8 MPa et 5,5 MPa, électrolyte comprenant une membrane polymère, électrodes comprenant un alliage métallique ;
Electrolyseur à oxyde solide (SOE) : température comprise entre 800°C et 900°C, pression comprise entre 0,1 MPa et 2 MPa, de préférence entre 0,1 MPa et 0,5 MPa, électrolyte comprenant une membrane céramique (e.g. type pérovskite), électrodes comprenant un alliage métallique ;
Electrolyseur de type membrane échangeuse d’anions (AEM) : température comprise entre 50°C et 70°C, pression comprise entre 0,1 MPa et 20 MPa, de préférence entre 0,1 MPa et 3,5 MPa, électrolyte comprenant une membrane polymère, électrodes comprenant un alliage métallique.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la source d’hydrogène 2 produite par l’unité d’électrolyse de l’eau comprend entre 99,5% poids et 99,999% poids d’hydrogène (après séchage).
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la source de dioxyde de carbone 1 est purifiée avant d’être introduit dans l’unité réactionnelle de RWGS 6. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la source de dioxyde de carbone 1 est purifiée dans la section d’échange de chaleur 3. La source de dioxyde de carbone 1 peut également être purifiée avant ou après être introduite la section d’échange de chaleur 3. En revanche lorsqu’un four est utilisé, il est préférable que la source de dioxyde de carbone 1 soit purifiée avant d’être introduite dans le four.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le gaz de RWGS 7 est purifié avant d'être introduit dans l’unité réactionnelle de synthèse d’hydrocarbures paraffiniques ou d’alcools, par exemple en amont ou en aval de l’unité de séparation d’eau disposée entre l’unité réactionnelle de RWGS 6 et ladite unité réactionnelle de synthèse d’hydrocarbures paraffiniques ou d’alcools. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’effluent d’eau récupéré par séparation sur le gaz de RWGS 7 est purifié avant d'être introduit dans l’unité d’électrolyse de l’eau.
Les étapes de purification des effluents visent à éliminer au moins partiellement les composés soufrés, azotés, des halogènes, métaux lourds et métaux de transition. Les principales technologies de purification des gaz sont : adsorption, absorption, réactions catalytiques.
Exemple
Les exemples 1A à 1 E de la table 1 ci-dessous sont des exemples procédé de production de gaz de synthèse selon la présente invention, utilisant une unité réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée (6) comprenant trois zones successives de fonctions distinctes :
- une zone de chauffe (A) du flux de dioxyde de carbone préchauffé (4) et du flux d’hydrogène préchauffé (5) pour produire un mélange comprenant du dioxyde de carbone et de l’hydrogène chauffé à une température de 1000°C ;
- une zone de distribution (B), adaptée pour distribuer de façon uniforme en matière de vitesse de gaz ledit mélange dans une zone réactionnelle (C) ; et - la zone réactionnelle (C) comprenant un lit catalytique adapté pour convertir au moins en partie le dioxyde de carbone et l’hydrogène en monoxyde de carbone et en eau.
En particulier, les exemples F, G et H de la table 1 sont présentés pour montrer des exemples de paramètres de la zone de distribution B qui permettent des critères améliorés d’uniformisation de vitesse de gaz.
- Exemple 1 D : exemple 1A avec présence du « grading », améliorant l’uniformisation de vitesse de gaz;
- Exemple 1 E : exemple 1 B avec du « grading », améliorant l’uniformisation de vitesse de gaz ;
- Exemples 1 D : exemple 10 avec H-1/D-1 dans une plage préférée, diminuant les problèmes de fluidisation du « grading » ;
Table 1
Figure imgf000023_0001
Les exemples 2A à 2H de la table 2 ci-dessous sont des exemples de procédé de production de gaz de synthèse selon la présente invention, utilisant une unité réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée (6) contenant trois zones successives de fonctions distinctes :
- une zone de chauffe (A) du flux de dioxyde de carbone préchauffé (4) et du flux d’hydrogène préchauffé (5) pour produire un flux de dioxyde de carbone chauffé à une température de 1000°C et un flux d’hydrogène chauffé à une température de 1000°C ;
- une zone de distribution (B), adaptée pour mélanger ledit flux de dioxyde de carbone chauffé avec ledit flux d’hydrogène chauffé et pour distribuer de façon uniforme en matière de vitesse de gaz ledit mélange dans une zone réactionnelle (C) ; et
- la zone réactionnelle (C) comprenant un lit catalytique adapté pour convertir au moins en partie le dioxyde de carbone et l’hydrogène en monoxyde de carbone et en eau.
En particulier, les exemples 2F, 2G et 2H de la table 2 sont présentés pour montrer des exemples de paramètres de la zone de distribution B qui permettent des critères améliorés d’uniformisation de vitesse de gaz et de concentration. - Exemple 2F : exemple 2A avec présence du « grading », améliorant l’uniformisation de vitesse de gaz ;
- Exemple 2G : exemple 2B avec du « grading », améliorant l’uniformisation de vitesse de gaz; - Exemple 2H : exemple 20 avec H-1/D-1 dans une plage préférée, diminuant les problèmes de fluidisation du « grading » ;
- Exemple 2F : exemple 2D avec H-2/D-2 et D-1/D-2 dans des plages préférées, diminuant les problèmes de fluidisation du « grading » et améliorant l’uniformisation de vitesse de gaz et de concentration ; - Exemple 2H : exemple 2E avec D-3/D-4 dans une plage préférée, diminuant les problèmes de fluidisation du « grading » et améliorant l’uniformisation de vitesse de gaz et de concentration.
Table 2
Figure imgf000024_0001

Claims

Revendications
1. Procédé de production de gaz de conversion du gaz à l'eau inversée par conversion d’une charge contenant du dioxyde de carbone, mettant en œuvre un dispositif comprenant les éléments suivants : une unité réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée (6) adaptée pour traiter un flux de dioxyde de carbone (4) avec un flux d’hydrogène (5), et produire un gaz de conversion du gaz à l'eau inversée (7) comprenant du monoxyde de carbone et de l’eau, ladite unité réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée (6) comprenant trois zones successives de fonctions distinctes :
• une zone de chauffe (A) ;
• une zone de distribution (B) adaptée pour distribuer un mélange comprenant le flux de dioxyde de carbone chauffé et le flux d’hydrogène chauffé, vers une zone réactionnelle (C) ; et
• la zone réactionnelle (C) comprenant au moins un lit catalytique adapté pour convertir au moins en partie le dioxyde de carbone et l’hydrogène en monoxyde de carbone et en eau pour produire le gaz de conversion du gaz à l'eau inversée (7) ; le procédé comprenant l’une des étapes suivantes : chauffer le flux de dioxyde de carbone (4) et/ou le flux d’hydrogène (5) dans la zone de chauffe (A) pour produire : un flux de dioxyde de carbone chauffé de température cible supérieure ou égale à 800°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C, et/ou un flux d’hydrogène chauffé de température cible supérieure ou égale à 800°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C, avec la condition que le flux de dioxyde de carbone (4) et le flux d’hydrogène (5) soient chauffés séparément ; ou chauffer un mélange préchauffé de flux de dioxyde de carbone (4) et de flux d’hydrogène (5) dans la zone de chauffe (A) pour produire un mélange chauffé de température cible supérieure ou égale à 800°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C, avec la condition que la température du mélange préchauffé soit d’au moins 700°C.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel le mélange préchauffé de flux de dioxyde de carbone (4) et de flux d’hydrogène (5) est chauffé dans la zone de chauffe (A), la température du mélange préchauffé est supérieure ou égale à 800°C, et on produit un mélange chauffé de température cible supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, comprenant : chauffer séparément une source de dioxyde de carbone (1) et/ou une source d’hydrogène (2) par échange de chaleur avec le gaz de conversion du gaz à l'eau inversée (7) dans une section d’échange de chaleur (3) pour produire le flux de dioxyde de carbone (4) préchauffé de température cible supérieure ou égale à 300°C, préférablement supérieure ou égale à 400°C préférablement supérieure ou égale à 500°C préférablement supérieure ou égale à 600°C, préférablement supérieure ou égale à 700°C, préférablement supérieure ou égale à 750°C, et/ou un flux d’hydrogène (5) préchauffé de température cible supérieure ou égale à 300°C, préférablement supérieure ou égale à 400°C préférablement supérieure ou égale à 500°C préférablement supérieure ou égale à 600°C, préférablement supérieure ou égale à 700°C, préférablement supérieure ou égale à 750°C.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la zone de chauffe (A) est adaptée pour mélanger le flux de dioxyde de carbone (4) avec le flux d’hydrogène (5) pour produire le mélange préchauffé de température d’au moins 700°C et préférablement de température d’au moins 800°C.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la zone de distribution (B) est adaptée pour mélanger le flux de dioxyde de carbone chauffé avec le flux d’hydrogène chauffé, ou pour mélanger le flux d’hydrogène chauffé avec le flux de dioxyde de carbone chauffé, pour produire le mélange chauffé, et envoyer le mélange chauffé dans la zone réactionnelle (C).
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la zone de chauffe (A) est adaptée pour chauffer un flux comprenant du CO (9) avant ou après être mélangé avec le flux de dioxyde de carbone (4) et/ou le flux d’hydrogène (5), ou dans lequel la zone de distribution (B) est adaptée pour mélanger le flux comprenant du CO (9) avec le flux de dioxyde de carbone chauffé et/ou le flux d’hydrogène chauffé ou directement avec le mélange chauffé.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la zone de distribution (B) comprend au moins une première chambre (B1) dont la partie inférieure est cylindrique de hauteur H-1 de diamètre D-1 contenant au moins un interne adapté pour uniformiser les vitesses des gaz avant entrée dans la zone réactionnelle (C), les gaz circulant avec une vitesse U-1.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la première chambre (B1) de la zone de distribution (B) est caractérisée par :
H-1/D-1 compris entre 0,6 et 2,0, préférentiellement entre 1 ,0 et 1 ,6 ; U-1 comprise entre 1 ,0 m/s et 5,5 m/s, préférentiellement entre 3 m/s et 5 m/s ; la présence d’une couche de particules solides inertes présentant une vitesse minimale de fluidisation Urnf, la vitesse de gaz maximale en surface de la couche de particules solides inertes Umax étant inférieure à Urnf.
9. Procédé selon la revendication 7 ou la revendication 8, dans lequel la première chambre (B1) comprend une partie supérieure de section conique pour adapter un diamètre Da-1 d’admission des flux au diamètre D-1 de la partie inférieure de la première chambre (B1), Da-1 étant plus petit que D-1 , le cône est caractérisé par un angle a compris entre 30° et 80°, préférentiellement entre 40° et 70° par rapport à la direction Z de circulation des flux.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendication 7 à 9, dans lequel la zone de distribution (B) assure une fonction de mélange et comprend une deuxième chambre (B2) dont la partie inférieure est sensiblement cylindrique de hauteur H-2 de diamètre D-2, la deuxième chambre (B2) étant située en amont de la première chambre (B1), les flux de dioxyde de carbone et d’hydrogène entrant dans la partie supérieure de la deuxième chambre (B2) dans des tubes d’admission (B3, B4) séparés de diamètre D-3 et D-4, respectivement, le flux de CO2 circulant avec une vitesse U-3, le flux d’hydrogène circulant avec une vitesse U-4.
11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel la zone de distribution (B) est caractérisée par :
H-1/D-1 compris entre 0,6 et 2,0, préférentiellement entre 1 ,0 et 1 ,6 ;
H-2/D-2 compris entre 2,4 et 10, préférentiellement entre 4 et 8 ;
D-1/D-2 compris entre 2,5 et 8,0, préférentiellement entre 2,5 et 5,0 ;
D-3/D-4 compris entre 0,4 et 1 ,2, préférentiellement entre 0,6 et 1 ,1 ;
U-1 comprise entre 1 ,0 m/s et 5,5 m/s, préférentiellement entre 3 m/s et 5 m/s ;
U-3 compris entre 10 m/s et 60 m/s, préférentiellement entre 15 m/s et 55 m/s ;
U-4 compris entre 20 m/s et 120 m/s, préférentiellement entre 40 m/s et 100 m/s ; la présence d’une couche de particules solides inertes présentant une vitesse minimale de fluidisation Urnf, la vitesse de gaz maximale en surface de la couche de particules solides inertes Umax étant inférieure à Urnf.
12. Procédé selon la revendication 10 ou la revendication 11 , dans lequel les tubes d’admission (B3, B4) du flux de dioxyde de carbone et du flux d’hydrogène sont inclinés par rapport à la direction Z de circulation des flux.
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la zone réactionnelle (C) fonctionne dans les conditions opératoires suivantes : vitesse spatiale du gaz à l'entrée du réacteur comprise entre 2000 NL/kgcata/h et 40000 NL/kgcata/h ; catalyseur à base des éléments Ni, Cu, Fe, Co ou de métaux précieux tels que Pt, Pd, Ru, Ag et Au.
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel de l’électricité est utilisée pour apporter les calories nécessaires à l’unité réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée (6).
15 Dispositif de production de gaz de conversion du gaz à l'eau inversée par conversion d’une charge contenant du dioxyde de carbone, comprenant les éléments suivants : une unité réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée (6) adaptée pour traiter un flux de dioxyde de carbone (4) avec un flux d’hydrogène (5), et produire un gaz de conversion du gaz à l'eau inversée (7) comprenant du monoxyde de carbone et de l’eau, ladite unité réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée (6) comprenant trois zones successives de fonctions distinctes : une zone de chauffe (A) adaptée pour :
• chauffer le flux de dioxyde de carbone (4) et/ou le flux d’hydrogène (5) pour produire : un flux de dioxyde de carbone chauffé de température cible supérieure ou égale à 800°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C, et/ou un flux d’hydrogène chauffé de température cible supérieure ou égale à 800°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C, avec la condition que le flux de dioxyde de carbone (4) et le flux d’hydrogène (5) soient chauffés séparément ; ou
• chauffer un mélange préchauffé de flux de dioxyde de carbone (4) et de flux d’hydrogène (5) pour produire un mélange chauffé de température cible supérieure ou égale à 800°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C, de préférence supérieure ou égale à 950°C, avec la condition que la température du mélange préchauffé soit d’au moins 700°C ; une zone de distribution (B) adaptée pour distribuer un mélange comprenant le flux de dioxyde de carbone chauffé et le flux d’hydrogène chauffé, vers une zone réactionnelle (C) ; et la zone réactionnelle (C) comprenant au moins un lit catalytique adapté pour convertir au moins en partie le dioxyde de carbone et l’hydrogène en monoxyde de carbone et en eau pour produire le gaz de conversion du gaz à l'eau inversée (7).
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WO2017072649A1 (fr) * 2015-10-30 2017-05-04 Sabic Global Technologies B.V. Procédés et systèmes de production de gaz de synthèse à partir de dioxyde de carbone et d'hydrogène
WO2019048236A1 (fr) * 2017-09-08 2019-03-14 Karlsruher Institut für Technologie Réacteur de conversion et mise en oeuvre du procédé associé

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VAZQUEZ ET AL., JOURNAL OF CO UTILIZATION, vol. 28, 2018, pages 235 - 246

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