Способ получения синтез-газа для производства продуктов основного органического синтеза и синтетического топлива


C25B1/02 - Электролитические способы; электрофорез; устройства для них (электродиализ, электроосмос, разделение жидкостей с помощью электричества B01D; обработка металла воздействием электрического тока высокой плотности B23H; обработка воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод электрохимическими способами C02F 1/46; поверхностная обработка металлического материала или покрытия, включающая по крайней мере один способ, охватываемый классом C23 и по крайней мере другой способ, охватываемый этим классом, C23C 28/00, C23F 17/00; анодная или катодная защита C23F; электролитические способы получения монокристаллов C30B; металлизация текстильных изделий D06M 11/83; декоративная обработка текстильных изделий местной

 

Использование: в производстве синтез-газа как основного промежуточного сырья промышленности органического синтеза в производствах метанола, карбоновых кислот и углеводородов. Сущность: промышленные дымовые газы непрерывно пропускают через газоселективные мембраны для выделения диоксида углерода с последующей десорбцией диоксида углерода в среду паров воды, подаваемых в количестве не менее 2,3 моль воды на 1 моль диоксида углерода. Полученную парогазовую смесь доводят до молярного отношения воды к диоксиду углерода, равного 1,0 - 2,3, путем конденсации паров воды при постоянном давлении и температуре. Парогазовую смесь диоксида углерода и паров воды подвергают конверсии путем их восстановления в электролизере с твердым оксидным электролитом при 1120 - 1220 К и напряжении не выше термонейтрального до получения синтез-газа составом H2 : CO = 1,0 - 2,3 на катоде и кислорода на аноде электролизера. Полученный синтез-газ охлаждают путем рекуперативного теплообмена с парогазовой смесью диоксида углерода и паров воды, подаваемых на конверсию в электролизер. Охлажденный газ направляют потребителю. 3 ил. 1

Изобретение относится к химии и технологии органического синтеза, в частности к способам получения синтез-газа (смеси оксида углерода и водорода) как основного промежуточного сырья промышленности органического синтеза в производствах метанола, карбоновых кислот и углеводородов, в том числе синтетического моторного топлива.

Требуемый в данных производствах объемный (мольный) состав синтез-газа Н2 СО 1,0 2,3 (1).

Известен способ получения синтез-газа основанный на использовании в качестве исходного сырья природных запасов углеводородов (нефть, газ) [1] Сущность известного способа заключается в неполном окислении углерода исходных углеродсодержащих веществ в реакциях конверсии парами воды, например способ высокотемпературной каталитической конверсии метана парами воды [3] Способ требует подвода высокотемпературной тепловой энергии 206 КДж/моль при 1063 1100 К и осуществляется в присутствии катализаторов при давлении 3 4 МПА.

Главным общим недостатком известных способов получения синтез-газа для производства продуктов органического синтеза является потребление природных истощаемых запасов углеводородного сырья (газа, нефти).

К числу недостатков относятся также: необходимость соответствующих дополнительных затрат на разведку, добычу, транспортировку и предварительную подготовку сырья; необходимость специальных дополнительных неэкономичных операций в технологиях способов для нормирования состава синтез-газа в требующемся диапазоне (Н2 СО 1,0 2,3).

С целью устранения указанных недостатков предлагается способ получения синтез-газа, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья использует диоксид углерода промышленных отходящих газов продуктов сгорания. Диоксид углерода извлекает из дымовых газов процессом непрерывной мембранной хемосорбции о десорбцией в среду паров воды, при этом пары воды подают с удельным расходом не менее 2,3 моль H2O на 1 моль сепарируемого диоксида углерода; полученную парогазовую смесь по составу путем конденсации паров воды при постоянном общем давлении и температуре, соответствующей относительному мольному содержанию (парциальному давлению) паров воды в смеси H2O CO2 от 1,0 до 2,3, и подвергают конверсии путем электрохимического катодного восстановления в высокотемпературном электролизере с твердым оксидным электролитом; электролиз ведут при напряжениях не выше термонейтрального (в эндотермическом режиме о подводом тепловой энергии) при 1120 1220 К до получения синтез-газа смеси водорода и оксида углерода с составом Н2 СО от 1,0 до 2,3 на катоде и кислорода на аноде; полученный синтез-газ охлаждают путем рекуперативного теплообмена о исходной парогазовой смесью, подаваемой на конверсию, и направляют потребителю.

Существенной особенностью предлагаемого способа получения синтез-газа является то, что в качестве исходного сырья используют окисленные продукты (диоксид углерода) промышленных дымовых газов, загрязняющих земную атмосферу: продукты сгорания топлив, отработавших свой энергетический потенциал; газовые отходы металлургии (колошниковый газ), отходы химических и биотехнических производств.

Особенностью способа является то, что синтез-газ получают химическим восстановлением окисленного угдеродсодержащего газа диоксида углерода в парогазовой смеси с парами воды, которую образуют путем селективного выделения диоксида углерода из исходных газовых отходов о помощью паров воды, служащей десорбирующим агентом при выделении диоксида углерода и рабочим телом в процессе электролизного получения синтез-газа.

Особенности способа позволяют обеспечить: 1. Экономию расхода природных ресурсов нефти и газа на нужды промышленности органического синтеза;
2. Получить средство решения экологической проблемы "тепличного" эффекта путем сокращения загрязнения земной атмосферы диоксидом углерода промышленных газовых отходов.

3. В области энергетики:
получить средство высокоэффективного аккумулирования электроэнергии, получаемой от возобновляемых источников (атомной, гидро-, ветровой и солнечной энергии), в химическую энергию синтетического топлива и эффективное средство передачи этой энергии для нужд мирового транспорта в виде традиционного жидкого моторного топлива (синтетический бензин, метанол), обладающего известными эксплуатационными преимуществами по сравнение о водородом в концепциях атомно-водородной энергетики;
повысить КПД энергостанций любого типа за счет выравнивания суточных графиков нагрузки путем аккумулирования энергии в синтетическое топливо;
4. В области металлургии:
реализовать безкоксовое производство чугуна за счет регенерации диоксида углерода колошниковых газов в синтез-газ наддува печей.

На фиг. 1 приведен пример реализации способа для случая "горячих" отходящих газов (Тг > 373 К), где 1 исходный продукт дымовые газы, содержащие диоксид углерода с температурой Тг > 373К; 2 генератор паров воды, получаемых о использованием "бросового" тепла отходящих газов; 3 - теплообменник, уравнивающей температуры отходящих газов и паров воды; 4 - газораспределительный мембранный аппарат сепарации диоксида углерода; 5 - хемоактивные газораспределительные полимерные мембраны, селективно проницаемые для диоксида углерода; 6 газовый выброс в атмосферу; очищенный от диоксида углерода; 7 теплообменник-конденсатор паров воды; 8 термостатирующая рубашка конденсатора; 9 сборник воды; 10 и 11 теплообменники-рекуператоры; 12 высокотемпературный газовый электролизер; 13 электролизная ячейка с твердотельным оксидным электролитом; 14 каталитически активный катод ячейки; 15 каталитически активный анод ячейки; 16 сборник синтез-газа; 17 - сборник кислорода.

Исходные дымовые газы 1, содержащие азот (приблизительно 8O объемных), пары воды ( 10), и диоксид углерода (от 10 для продуктов сгорания ТЭЦ и до 60 для колошниковых газов металлургии и для биогаза), а также микропримеси попадают на обогрев испарителя генератора 2 паров воды и далее через теплообменник 3 в газоразделительный мембранный аппарат 4. "Сухие" пары воды из испарителя-генератора 2 при атмосферном давлении уравнивает по температуре о отходящими газами 1 в теплообменнике 3 и подают в подмембранную полость газоразделительного аппарата 4, создавая в ней условия пониженного парциального давления газов, в том числе диоксида углерода.

В мембранном аппарате 4 диоксид углерода отходящих газов сорбируют на поверхности хемоактивной газоразделительной, например аминосодержащей, мембраны (NH2-амин):
CO2+2RNH2 (RNH2)2CO2, (3)
где R иммобилизующая химическая группа полимера, обеспечивающая подвижность иона карбамата (RNH2)2 СО2 в мембране.

На выходной стороне мембраны под действием пониженного парциального давления газов в среде паров воды подмембранной полости ион карбамата (RNH2)2 СО2 разлагается о выделением СО2 в чистом виде). При этом химически инертные к аминогруппе газы азот, кислород - практически не проникают сквозь мембрану, что обеспечивает коэффициент селективности мембраны по СО2 не менее 100 и концентрирование диоксида углерода до 92 99 при входной концентрации его от 10 до 60 Пары воды подаст через газоразделитель 4 с расходом не менее , где мольный расход СО2, проникающего через мембраны 5. Полученную парогазовую смесь "CO2 + H2O" нормирует до нужного состава H2O СO2 1 2,3 путем масоообмена конденсации паров воды при постоянном общем давлении, равном атмосферному, и температуре, устанавливаемой соответственно в диапазоне от 354 до 363 K. Конденсат паров собирают в емкости 9.

Парогазовую смесь "CO2 + H2O" подученного осотова предварительно подогревают в теплообменниках-рекуператорах 10, 11 и подвергают электрохимическому восстановлению путем электролиза в высокотемпературном электролизном аппарате 12 с твердотельным оксидным электролитом 13, на основе, например, окислов циркония ZrO2, иттрия Y2O3 иди скандия Sc203.

В процессе восстановления на катоде 14 получают смесь водорода и окиси углерода:
nH2O + CО2 + 2 (1+n) е nН2 + СО + (1+n) О2-.

Кислород мигрирует через оксидный злектролит и выделяется на аноде:

Процесс электролиза ведут при температуре не ниже 1120 К из условия обеспечения эффективной ионной электропроводности оксидного электролита и не выше 1220 К из условия обеспечения термостойкости и ресурса работы конструкционных и электрохимических материалов и снижения тепловых потерь в окружающую среду, пропорциональных четвертой степени рабочей температуры; при напряжении на элементе не выше термонейтрального Uт (Uт 1,3 В для H2O,Uт 1,45 В для СО2) из условия минимизации затрат электроэнергии и не ниже 0,98 В из условия обеспечения полноты разложения СО2 и Н2О до 98 99 с учетом концентрационного перенапряжения необходимого при этом условии.

При работе электролизера о рабочим напряжением на элементе Upаб ниже термонейтрального Uт необходимую дополнительную энергию на разложение смеси "CO2 + H2O" подводят в виде тепловой энергии Q (Uт - Upаб) х 2F теплоносителем 16 при температуре Ттепл 1120 К (F 28,8 а-ч число Фарадея).

На фиг. 2 приведена схема реализации способа в случае "холодных" отходящих газов о температурой Тг3ОО К, где 1 газовые отходы, содержащие СО2; 2 испаритель-генератор паров воды; 3 теплообменник "газ-пар"; 4 газоразделительный мембранный аппарат; 5 газоразделительная мембрана; 8 силовая пористая подложка мембраны; 7 газовый выброс в атмосферу; 8 вакуум-насос; 9 конденсатор-теплообменник паров воды; 10 - высокотемпературный электролизер газов; 11 циркуляционный гидронасос теплоносителя.

Остальные элементы схемы аналогичны элементам на фиг.1.

В данной схеме "холодные" (Т23ОО К) дымовые газы подают через теплообменник 3 непосредственно в газоразделительный аппарат, а пары воды генерируют в испарителе 2 при пониженном давлении (Рисп 40 ГПа) и температуре Тисп<300 K, используя тепло конденсации из теплообменника 9.

Процесс сепарации диоксида углерода в аппарате 4 осуществляют через селективную газоразделительную мембрану 5 в подмембранное пространство, заполненное парами воды с пониженным давлением (Р 40 ГПа).

Откачку паров воды и сепарированного диоксида углерода из подмембранного пространства осуществляют вакуум-насосом б, выдерживая требующееся соотношение H2O СО2 2,3. Полученную парогазовую смесь нормируют по составу путем конденсации паров при З54 362 К в конденсаторе-теплообменнике 6 при атмосферном давлении аналогично предыдущей схеме 1. Тепло конденсации паров используют для испарения воды в парогенераторе 2 с помощью контура промежуточного теплоносителя, включающего циркуляционный насос 11.

Восстановление смеси "CO2+H2O" производят в высокотемпературном электролизере 10 аналогично схеме 1.

Общая концепция применения способа в промышленности (фиг.3) заключается в регенерации углеводородных веществ из продуктов сгорания о помощью возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, гидроэнергии, атомной и термоядерной энергии).

В экологическом аспекте при использовании солнечной энергии (в том числе ветровой, гидравлической и т.п. первоисточником которых является солнце) роль способа полностью аналогична роли зеленых растений в регенерации кислорода земной атмосферы с той только разницей, что КПД описываемого технологического процесса в 25 5О раз выше, чем в процессе естественного фотосинтеза.


Формула изобретения

Способ получения синтез-газа для производства продуктов основного органического синтеза и синтетического топлива, включающий конверсию углеродсодержащих газов в присутствии паров воды с подводом энергии для поддержания процесса, отличающийся тем, что в качестве источника углеродсодержащих газов используют диоксид углерода промышленных дымовых газов, которые непрерывно пропускают через газоселективные мембраны для выделения диоксида углерода с последующей десорбцией диоксида углерода в среду паров воды, подаваемых в количестве не менее 2,3 моля воды на 1 моль диоксида углерода, полученную парогазовую смесь доводят до молярного отношения воды к диоксиду углерода, равного 1,0 2,3 путем конденсации паров воды при постоянном давлении и температуре, конверсии подвергают полученную парогазовую смесь диоксида углерода и паров воды путем их восстановления в электролизере с твердым оксидным электролитом при температурах от 1120 до 1220К и напряжении не выше термонейтрального до получения синтез-газа составом H2:CO 1,0 2,3 на катоде и кислорода на аноде электролизера, полученный синтез-газ охлаждают путем рекуперативного теплообмена с парогазовой смесью диоксида углерода и паров воды, подаваемых на конверсию в электролизер, охлажденный синтез-газ направляют потребителю.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 27.01.2008

Извещение опубликовано: 27.01.2008        БИ: 03/2008



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электрохимическим производствам и позволяет упростить конструкцию

Изобретение относится к электрохимическим производствам и позволяет упростить конструкцию

Изобретение относится к технологии боропродуктов, в частности к электрохимическим способам получения пербората натрия, который находит применение в составах отбеливающих, чистящих, дезинфицирующих средств, а также в текстильной промышденности, быту

Изобретение относится к органической химии, в частности касается получения из 2-аминоэтилсерной кислоты 2-аминоэтансульфоновой кислоты, которая находит широкое применение в качестве пищевой добавки, сырья для химико-фармацевтических препаратов и других областях

Изобретение относится к гальванотехнике, к производствам, связанным с мойкой и обезжириванием изделий, в процессе которых образуются органические загрязнения в виде устойчивых эмульсий типа масло-вода, и может быть использовано для непрерывной или периодической регенерации этих растворов или их очистки от масел или других органических загрязнений

Изобретение относится к области органической химии, в частности касается получения глюконата кальция, который применяется в медицине как фармацевтический препарат

Изобретение относится к электрохимическому синтезу неорганических продуктов

Изобретение относится к газопламенной обработке металлов, а именно к устройствам для сварки, а также пайки и резки при помощи газов-заменителей ацетилена

Изобретение относится к автономному производству газообразного водорода для газотермической обработки металлов

Изобретение относится к процессам каталитической очистки водородосодержащих газов от кислородсодержащих примесей, в частности оксидов углерода, и к технологии приготовления смешанных катализаторов и может быть использовано в химической промышленности

Изобретение относится к способам получения никель-алюмо-хромового катализатора и может быть использовано в химической промышленности для тонкой очистки водородсодержащих газов от оксидов углерода методом каталитического гидрирования примесей до метана

Изобретение относится к процессам каталитической конверсии углеводородного сырья и может быть использовано в химической, нефтехимической и газовой промышленности

Изобретение относится к технологии переработки углеводородов, в частности к способу и установке для конверсии углеводородов паровым риформингом

Изобретение относится к химической технологии, в частности к способам получения водорода путем каталитической конверсии оксида углерода, а также к составам и способам получения катализаторов для этого процесса

Изобретение относится к химической технологии, в частности к каталитической очистке водорода и способам получения катализаторов для этого процесса
Наверх