EP-4737390-A1 - METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING STOICHIOMETRIC SYNTHESIS GAS WITH REDUCED CO2 FOOTPRINT

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Produktgaszusammensetzung, umfassend Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff, indem eine Eduktgaszusammensetzung, die Wasserstoff, mindestens eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung und mindestens ein Oxidationsmittel umfasst, in einem Strömungsreaktor in einem Plasma bei einer Temperatur von größer oder gleich 1000 °C umgesetzt wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Inventors

• LANG, Jürgen Erwin
• FRANKE, ROBERT

Assignees

• Evonik Oxeno GmbH & Co. KG

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241030

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung einer Produktgaszusammensetzung, die zumindest Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff umfasst, durch Umsetzen einer Eduktgaszusammensetzung in einem Plasma bei einer Temperatur der Eduktgaszusammensetzung von größer oder gleich 1000 °C, wobei die Eduktgaszusammensetzung Wasserstoff oder eine Wasserstoffhaltige Gasmischung; mindestens eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Methan, Ethan, Ethen, Propan, Butan, 2-Methylpropan, Pentan, n-Pentan, Isopentan und/oder Neopentan, Methanol, Ethanol und Mischungen von zwei oder mehr davon, und mindestens ein Oxidationsmittel, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Kohlenstoffdioxid und einer Mischung umfassend Kohlenstoffdioxid und Wasser, umfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung Methan, Ethan, Methanol, Ethanol oder eine Mischung von zwei oder mehr der genannten Verbindungen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung Methan, Methanol oder eine Mischung von Methan und Methanol ist.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren in einem Strömungsreaktor (0), der einen Gaseinlass (1), einen ersten Gasauslass (6) und einen zweitem Gasauslass (8) umfasst, durchgeführt wird, wobei die Eduktgaszusammensetzung über den Gaseinlass (1) zugeführt, im Strömungsreaktor umgesetzt und die Produktgaszusammensetzung über den zweiten Gasauslass (8) abgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Gaseinlass (1) und der erste Gasauslass (6) an einer Wirbelkammer (2) des Strömungsreaktors (0) angeordnet sind, und wobei der Strömungsreaktor (0) ein Reaktionsrohr (3.1) mit zweitem Gasauslass (8) aufweist und sich vorzugsweise der erste (6) und der zweite Gasauslass (8) des Strömungsreaktors (0) gegenüberliegen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zuführung der Eduktgaszusammensetzung zum Strömungsreaktor (0) über einen tangentialen Gaseinlass (1.3) an der Wirbelkammer (2) erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Umsetzen der Eduktgaszusammensetzung bei einer Temperatur von größer oder gleich 1300 °C, vorzugsweise größer oder gleich 1500 °C, besonders bevorzugt größer oder gleich 1800 °C erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strömungsreaktor (0) eine Anode (5) und eine Kathode (4) umfasst, wobei die Anode an der Wirbelkammer (2) in Richtung des ersten Gasauslasses (6) und die Kathode (4) im Reaktionsrohr (3.1) angeordnet ist und sich zwischen der Anode (5) und der Kathode (4) das Plasma (C) ausgebildet.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Produktgaszusammensetzung Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff im Molverhältnis (CO : H 2 ) von 1 : 5 bis 0,5 : 1, vorzugsweise von 1 : 2 bis 1 : 4, besonders bevorzugt von 0,75 bis 1,25 : 1 enthält.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren kontinuierlich betrieben wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eduktgaszusammensetzung 60 bis 80 Vol.-% Wasserstoff; 10 bis 20 Vol.-% mindestens eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung; und 10 bis 20 Vol.-% mindestens ein Oxidationsmittel enthält, wobei die Gesamtzusammensetzung der Eduktgaszusammensetzung 100 Vol.-% beträgt.
12. Vorrichtung zur Herstellung einer Produktgaszusammensetzung, die zumindest Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff umfasst, wobei die Vorrichtung einen Strömungsreaktor (0) mit einem ersten Gaseinlass (1), einen ersten Gasauslass (6), einen zweiten Gasauslass (8), mindestens einer Anode (5) und mindestens einer Kathode (4) zur Erzeugung eines Plasmas (C) und mindestens einen Wärmetauscher (20) umfasst.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der der Strömungsreaktor (0) eine Wirbelkammer (2) mit tangentialem Gaseinlass (1.3), dem erstem Gasauslass (6) und die mindestens eine Anode (5) und ein an der Wirbelkammer angeordnetes Reaktionsrohr (3.1), vorzugsweise ein in Gravitationsrichtung oder vertikal zum Untergrund ausgerichtetes Reaktionsrohr (3.1), mit zweitem Gasauslass (8) und mindestens einer Kathode (4) umfasst, wobei die mindestens eine Anode (5) axial in der Wirbelkammer (2) oder axial im ersten Gasauslass (6) der Wirbelkammer und die mindestens eine Kathode (4) im Reaktionsrohr (3.1) angeordnet ist, und die Eduktgaszusammensetzung vor dem Zuführen zur Wirbelkammer (2) den Wärmetauscher (20) durchläuft und am zweiten Gasauslass (8) eine Ableitung (11) angeordnet ist, über die die Produktgaszusammensetzung durch den Wärmetauscher (20) geführt wird, wobei im Wärmetauscher (20) Energie in Form von Wärmeenergie von der Produktgaszusammensetzung auf die Eduktgaszusammensetzung übertragen wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Reaktionsrohr (3.1) eine Kühlung (9) aufweist, die vorzugsweise als Mantelkühlung ausgestaltet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Vorrichtung mindestens die folgenden drei Module M1, M2 und M3 umfasst, wobei das erste Modul (M1) eine Mischvorrichtung (16) zur Herstellung der Eduktgaszusammensetzung umfasst, wobei die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung über eine KW-Leitung (12), das Kohlendioxid über eine Kohlendioxidleitung (13), der Wasserstoff über eine Wasserstoffleitung (14) und optional oder zusätzlich Ammoniak und Wasser oder Wasserdampf über eine Wasserleitung (15) zur Mischvorrichtung (16) geführt und dort vermischt werden und aus der Mischvorrichtung (16) über die Eduktgasleitung (17) die Eduktgaszusammensetzung entnommen wird, wobei das erste Modul (M1) mindestens einen ersten Prozessor, mit dem die Zusammensetzung oder der Volumenstrom der Eduktgaszusammensetzung eingestellt wird, um ein mindestens eine erste Computerschnittstelle, über die das erste Modul (M1) in eine Prozessorchestrierungsebene (POL) eingebunden wird, wobei der mindestens eine erste Prozessor über die mindestens eine Computerschnittstelle angesteuert werden kann, umfasst; das zweite Modul (M2) den Wärmetauscher (20) umfasst, wobei die Eduktgaszusammensetzung über die Eduktgasleitung (17) zum Wärmetauscher (20) geführt wird und den Wärmetauscher (20) über eine Zuleitung (10) verlässt und wobei die Produktgaszusammensetzung aus dem Strömungsreaktor (0) über die Ableitung (11) zum Wärmetauscher geführt wird und im Wärmetauscher (20) Energie in Form von Wärmeenergie von der Produktgaszusammensetzung auf die Eduktgaszusammensetzung übertragen wird wobei das zweite Modul (M2) mindestens einen zweiten Prozessor, mit dem der Volumenstrom und/oder die Temperatur der Eduktgaszusammensetzung in der Zuleitung (10) und/oder der Volumenstrom und/oder die Temperatur der Produktgaszusammensetzung in der Ableitung (11) geregelt wird, und mindestens eine zweite Computerschnittstelle, über die das zweite Modul (M2) in eine Prozessorchestrierungsebene (POL) eingebunden wird, wobei der mindestens eine erste Prozessor über die mindestens eine zweite Computerschnittstelle angesteuert werden kann, umfasst; das dritte Modul (M3) den Strömungsreaktor (0) umfasst, wobei die Eduktgaszusammensetzung aus dem Wärmetauscher (20) über die Zuleitung (10) zugeführt wird, im Strömungsreaktor in einem Plasma bei einer Gastemperatur von größer oder gleich 1000 °C umgesetzt und eine Produktgaszusammensetzung den Strömungsreaktor (0) über die Ableitung (11) verlässt, wobei das dritte Modul mindestens einen dritten Prozessor, mit dem die Energiedichte des Plasmas (C) und/oder die Verweilzeit im Reaktionsrohr (3.1) und optional die Kühlung (9) im Strömungsreaktor (0) in Abhängigkeit vom Volumenstrom der Eduktgaszusammensetzung in der Zuleitung (10), von der Temperatur der Eduktgaszusammensetzung in der Zuleitung (10) und/oder der molaren Zusammensetzung der Eduktgaszusammensetzung in der Zuleitung (10), geregelt wird, und mindestens eine Computerschnittstelle, über die das dritte Modul (M3) in eine Prozessorchestrierungsebene (POL) eingebunden wird, wobei der mindestens eine erste Prozessor über die mindestens eine zweite Computerschnittstelle angesteuert werden kann, umfasst; und wobei die Vorrichtung eine Prozessorchestrierungsebene (POL) umfasst, die der Integration und funktionalen Ansteuerung des mindestens einen ersten Moduls (M1), des mindestens einen zweiten Moduls (M2) und/oder des mindestens einen dritten Moduls (M3) dient.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Produktgaszusammensetzung, umfassend Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff, indem eine Eduktgaszusammensetzung, die Wasserstoff, mindestens eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung und mindestens ein Oxidationsmittel umfasst, in einem Strömungsreaktor in einem Plasma bei einer Temperatur von größer oder gleich 1000 °C umgesetzt wird. Gleichfalls ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die CO2-Emissionen betrugen in Deutschland im letzten Jahrzehnt über 1 Billion Tonnen an CO2-Äquivalent, wobei die Chemieindustrie mit ca. 5 % zu diesem Wert beiträgt. Folglich ist die Chemieindustrie bestrebt aufgrund von ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten die CO2-Emissionen zu senken, beispielsweise durch die Veränderung der Rohstoffbasis, Einsatz von CO2-armen Erzeugungstechnologien sowie durch eine Optimierung des Energiebedarfs. Eine besonders große Wirkung kann eine Umstellung der Herstellung von großvolumigen Basischemikalien entfalten. Geeignete Basischemikalien sind beispielsweise Wasserstoff und Synthesegas. Der weltweite Bedarf für Wasserstoff wird auf rund 50 Mio. t pro Jahr und für Synthesegas auf rund 220 Mio. t pro Jahr geschätzt. Die Dampfreformierung aus leichten Kohlenwasserstoffen (kurzkettige Kohlenwasserstoffe, in der Regel C1 bis C5-Kohlenwasserstoffe) ist das derzeit üblichste Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas mit einem molaren Wasserstoff zu Kohlenstoffmonoxid-Verhältnis von 2,5 bis 3,0. Die Einsatzstoffe, beispielsweise Erdgas, Flüssiggas oder Naphtha, werden mit Wasserdampf in katalytischen Rohrreaktoren endotherm zu Synthesegas mit hohem Wasserstoffgehalt umgesetzt. Prozesswärme und Rauchgaswärme werden zur Dampferzeugung genutzt. Problematisch gestaltet sich die Herstellung von Synthesegas mittels Dampfreformierung, wenn das Synthesegas ein molares Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoffmonoxid zwischen etwa 1,0 und 2,0 aufweisen soll. Dieses Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoffmonoxid ist jedoch von besonderer Bedeutung im Bereich der Herstellung von Treibstoffen und Chemikalien, beispielsweise werden bedeutende Mengen an Synthesegas für die Oxo-Synthese zur Herstellung von Alkoholen und Aldehyden aus Olefinen (Wasserstoff zu Kohlenstoffmonoxid-Verhältnis von 1:1) oder Fischer-Tropsch-Synthese zu Olefinen (Wasserstoff zu Kohlenstoffmonoxid-Verhältnis von 1:1) benötigt. Der Grund dafür ist, dass bei der Dampfreformierung Katalysatoren benötigt werden, die eine besondere Stabilität gegen Verkokung aufweisen. Ein weiterer Nachteil der katalytischen Dampfreformierung ist die Anfälligkeit gegenüber Katalysatorgiften, wie beispielsweise Schwefel, das aus Schwefel-enthaltende Verbindungen eingetragen kann. Um den Katalysator zu schützen, muss daher das Einsatzgas in vorgelagerten Prozessstufen aufwendig gereinigt werden. Organische Schwefelverbindungen, beispielsweise Mercaptane oder Thiophene werden dazu beispielsweise zuvor an Co-Mo oder Ni-Mo-Katalysatoren zu Schwefelwasserstoff hydriert. Schwefelwasserstoff wird beispielsweise an ZnO umgesetzt, das sich dabei in ZnS umwandelt und regelmäßig ersetzt werden muss. Ferner ist die Wärmeintegration der Dampfreforming unvollständig, weil lediglich ca. 50% der erzeugten Wärme effektiv für die Reaktion genutzt wird. Darüber hinaus weist das so hergestellte Synthesegas einen recht hohen CO2- Fußabdruck von ca. 60 kg CO2 pro 100 kg Synthesegas auf. Alternative Verfahren zur Herstellung von Synthesegas mit einem molaren Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoffmonoxid von etwa 1,0 bis 2,0 sind die autotherme Reformierung von Erdgas sowie die Partialoxidation. Beide Verfahren werden technisch angewendet, erfordern aber den Einsatz von Reinsauerstoff, der durch Luftzerlegung gewonnen wird. Die energetisch sehr anspruchsvolle kryogene Luftzerlegung ist für die beiden letzteren Verfahren ein maßgeblicher Kostentreiber. Die Reformierung von Erdgas mit CO2 zu Synthesegas ist zudem eine endotherme Reaktion. Die Ausbeuten bei dieser Reaktion von Methan mit CO2 hängen von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. den Reaktionsbedingungen, der Verweilzeit im Reaktor und der Reaktionszeit. Die Ausbeuten bei dieser Reaktion sind in der Regel niedrig, da die endotherme Reaktion viel Energie benötigt. Die Reaktion ist kinetisch ungünstig, da sie langsam verläuft und eine hohe Aktivierungsenergie erfordert. Zwar lässt sich die Reaktion von Methan mit CO2 durch den Einsatz von Katalysatoren verbessern. Die Katalysatoren gehen wegen den hohen erforderlichen Prozesstemperaturen kaputt. Darüber hinaus stellt eine Verkokung der Katalysatoren ein großes Problem dar. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, womit Synthesegas mit reduziertem CO2-Fußabdruck erzeugt werden kann. Eine weitere Aufgabe bestand weiterhin darin, dass das Verfahren und die Vorrichtung unter wirtschaft