AT519584A2 - Verfahren zur Erzeugung von Dimethylether aus Wasser, Kohlendioxid und Schwachgasen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von Dimethylether(DME)(38) aus einem Synthesegasreaktor(8) für Schwachgas(1), bestehend aus Kohlenmonoxid(CO) und Wasserstoff(H2), dessen aus nicht kondensierbaren Komponenten bestehendes Restgas, bestehend aus Kohlenmonoxid(CO), Wasserstoff(H2), Kohlendioxid(C02), Methan(CH4) und Ethan(C2H4), in einem Reformierungsreaktor(30) zu einem Synthesegas(17) bestehend aus Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2) umgewandelt wird und in einem Synthesegasreaktor(21) zu Dimethylether(DME) verwertet wird , und aus einem Synthesegasreaktor(21) für ein Gas/Dampfgemisch aus Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2), in dem das umgewandelte Restgas aus dem Synthesegasreaktor(8) für Schwachgas verwertet wird. Das gewonnene Kondensat(26) aus den Synthesegasreaktoren bestehend aus Dimethylether(DME), Methanoi(MeOH) und Wasser(H20) wird in der nachgeschaltenen zweistufigen Destillation in das gewünschte Produkt Dimethylether(DME)(38), Methanoi(MeOH)(45) und Wasser(H20)(49) aufgespalten. Der anfallende Anteil an Methanoi{MeOH)(45) wird in einem Dehydrationsreaktor(58) zu Dimethylether(DME) und Wasser(H20) umgewandelt, das im Zuge der Destillation gewonnene Wasser(H20)(49) wird zur Erzeugung von Wasserstoff(H2)(57) mit Hilfe der nassen Elektrolyse(66) verwendet, jener Wasserstoff(H2)(5,18) der dazu verwendet wird, um zusammen mit Kohlendioxid(C02) zu Dimethylether(DME) synthetisiert zu werden, um so die Eigenschaft Zero Emission zu gewährleisten. Die Reformierung der Restgase aus den Synthesegasreaktoren(8,21) wird mittels Wasserdampf(54) aus dem Prozesswasser(49) zu einem Gemisch aus Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2) reformiert und dem Kohlendioxid( 13, 15) zugemischt( 17).
Description
Verfahren zur Erzeugung von Dimethyiethger(DME) aus Kohlendioxid, Wasser und
Schwachgasen
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von Dimethylether(DME)(38) aus einem Synthesegasreaktor(8) für Schwachgas(l), bestehend aus Kohlenmonoxid(CO) und Wasserstoff(H2), dessen aus nicht kondensierbaren Komponenten bestehendes Restgas, bestehend aus Kohlenmonoxid(CO), Wasserstoff(H2), Kohlendioxid(C02), Methan(CH4) und Ethan(C2H4), in einem Reformierungsreaktor(30) zu einem Synthesegas(17) bestehend aus Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2) umgewandelt wird und in einem Synthesegasreaktor(21) zu Dimethylether(DME) verwertet wird , und aus einem Synthesegasreaktor(21) für ein Gas/Dampfgemisch aus Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(h2), in dem das umgewandelte Restgas aus dem Synthesegasreaktor(8) für Schwachgas verwertet wird. Das gewonnene Kondensat(26) aus den Synthesegasreaktoren(8,21) bestehend aus Dimethylether(DME), Methanol(MeOH ) und Wasser(H20) wird in der nachgeschaltenen zweistufigen Destillation in das gewünschte Produkt Dimethylether(DME)(38), Methanol(MeOH)(45) und Wasser(H20)(49) aufgespalten. Der anfallende Anteil an Methanol(MeOH)(45) wird in einem Dehydrationsreaktor(58) zu Dimethylether(DME) und Wasser(H20) umgewandelt, das im Zuge der Destillation gewonnene Wasser(H20)(49) wird zur Erzeugung von Wasserstoff(H2)(57) mit Hilfe der nassen Elektrolyse(66) verwendet, jener Wasserstoff(H2)(5,18) der dazu verwendet wird, um zusammen mit Kohlendioxid zu Dimethylether(DME) synthetisiert zu werden, um so die Eigenschaft Zero Emission zu gewährleisten. Die Reformierung der Restgase aus den Synthesegasreaktoren(S,21) wird mittels Wasserdampf(54) aus dem Prozesswasser(49) zu einem Gemisch aus Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2) reformiert und dem Kohlendioxid(13,15) zugemischt(17).
Dimethylether(DME) ist der einfachste Ether, der aus zwei Methylgruppen(CH3) besteht, die über ein Sauerstoffatom(O) verbunden sind. Die chemische Bezeichnung von DME ist CH3-0-CH3, wobei die Bindung des Sauerstoffatoms(O) mit den beiden Kohlenstoffatomen(C) durch eine einfache Bindung gegeben ist. Dimethylether(DME) wird in der Regel in der Kosmetikindustrie eingesetzt, in China, Indien, Korea wird Dimethylether als Dieselersatztreibstoff verwendet. Wie man aus dem chemischen Aufbau erkennt, besteht Dimethylether(DME) aus sechs Wasserstoffatomen (H), zwei Kohlenstoffatomen(C) und einen Sauerstoffatom(O).
Dimethylether(DME) wird in der Regel über Methanol in zwei Prozessschritten erzeugt. Der erste prozessschritt erzeugt Methanol(MeOH), im zweiten Prozessschritt wird aus Methanol(MeoH) dann über Dehydration Dimethylether(DME) erzeugt. Die dabei verwendeten Katalysatoren sind bekannt und Stand der Technik, für die Methanolsynthese aus Kohlenmonoxid(CO) und Wasserstoff(H2) Cu0-Zn0-Al203, für die Dehydration der Zeolith HSZM-5, für die Methanolsynthese aus Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2) CuO-ZnO-Zr02.
Kohlendioxid(C02) ist ein reaktionsträger Stoff, der in drei Phasen Vorkommen kann, dampfförmig, flüssig und fest, wobei im technischen Bereich die dampfförmige und flüssige Phase von Bedeutung ist. die thermodynamischen Eigenschaften sind gegeben durch Tc = 30,98[°C], pc =73,77[bar]. Die für diese Erfindung wesentlichen Aggregatzustände sind: p = 30 bar Ts = -5°C p = 50 bar TS=14,2°C p = 70 bar Ts = 28,6°C ( p = Dampfdruck, Ts = Siedetemperatur)
Alle anderen thermodynamischen Zustände in der Erfindung sind im überhitzen dampfförmigen Zustand vorliegend.
Wasser(H20) ist ebenfalls ein reaktionsträger Stoff, ein sehr gutes Lösungsmittel und ein polare Flüssigkeit, die in drei Phasen Vorkommen kann, dampfförmig, flüssig, fest, wobei im technischen Bereich alle drei Phasen von Bedeutung sind. Für die Erfindung sind die Aggregatszustände flüssig und dampfförmig von Bedeutung.
p = 5 bar TS=151°C
p = 10 bar TS=179,8°C
p = 15 bar TS=198°C
p = 20 bar TS = 212°C ( p = Dampfdruck, Ts = Siedetemperatur)
Methanol(MeQH) ist der einfachste Alkohol und tritt bei der Erzeugung von Dimethylether(DME) als Zwischenprodukt bei der direkten Synthese auf. Für die Erfindung sind die Aggregatszustände flüssig und dampfförmig von Bedeutung. p = 5 bar TS = 111°C p = 10 bar Ts = 136°C p = 15 bar TS=153°C p = 20 bar Ts = 165°C ( p = Dampfdruck, Ts = Siedetemperatur)
Restgase und Schwachgase sind Gase deren Zusammensetzung aus teilweise oxidierbaren Gaskomponenten bestehen. Solche Gase sind Biogase, Deponiegase, Holzgase, Grubengase, Pyrolysegase. Die bekannte Eigenschaft sind der geringe Energieinhalt in Form des Heizwertes ( kWh/Nm3) in der Größenordnung von 0,5 bis 6,0 kWh/Nm3.
Tabelle 1: Darstellung der Schwachgase in der Zusammensetzung Vol%
Neben den oxidierbaren Komponenten in Form von Kohlenmonoxid(CO), Wasserstoff(H2), Methan(CH4), Ethan(C2H4), geringe Komponenten von Kohlenwasserstoffen, sind nichtoxidierbare Gaskomponenten enthalten, wie Stickstoff(N2), Kohlendioxid(C02), Wasserdampf (H20). In der Regel weisen die Restgase und Schwachgase auch Störstoffe auf, wie Partikel, Ammoniak (NH3), Schwefelwasserstoff(H2S), Kohlenoxidschwefel (COS), Teere (CxHy) in geringen Konzentrationen von 1mg/Nm3 bis 1000 mg/Nm3. In der Erfindung wird vorausgesetzt, dass die Verunreinigung der Schwachgase und Synthesegase folgende Grenzwerte aufweisen:
CxHy < 100 ppm COS < 1 ppm H2S < 1 ppm NH3 < 1 ppm
Partikel < 1 ppm mit einem Partikeldurchmesser dp < 1 pm N2 < 100 ppm
Die Erreichung der Gasreinheit von Synthesegasen und Schwachgasen ist Stand der Technik, und beinhaltet Aktivkohlereinigung, Waschen des Gases mit Wasser und die Verwendung von Feinstfilter in Form von Tiefenfilter.
Das Patent WO 2016104290 beschreibt die Trennung des Produktgemisches aus dem Dimethylether(DME) Synthesereaktor und die Auftrennung des Gas und Dampfgemisches. Das Dampfgemisch wird abgekühlt und dann in die drei Komponenten Dimethylether, Methanol(MeOH) und Wasser(H2Q) aufgetrennt. Der Nachteil dieser Erfindung ist, dass sich die Erfindung nur mit der Auftrennung des Kondensates befasst, ohne die Frage der Verwertung des angefallenen Methanol(MeOH) und Wassers(H20). Ein weiterer Nachteil der Erfindung ist es, dass die Zusammensetzung des Syngases weder gereinigt noch aufbereitet wird.
Das Patent WO 9623755 A1 beschreibt die Erzeugung von Dimethylether(DME) in einem Synthesereaktor, und die Nutzung des gewonnenen Methanolkondensates als Waschmittel für das Offgas, um Kohlendioxid(C02) aus dem Offgas abzutrennen. Dabei soll ein Teil des Methanol(MeOH) zu Dimethylether(DME) dehydriert werden. Der Nachteil der Erfindung ist, dass auf die Zusammensetzung des Synthesegases nicht eingegangen wird. Die Nutzung von Methanol(MeOH) als Waschmittel bei einem Gas mit der Zusammensetzung von Kohlenmonoxid(CO), Kohlendioxid(C02), Wasserstoff(H2), Methan(CH4), und höheren Kohlenwasserstoffen(CxHy) bedingt durch die Affinität von Methanol(MeOH) zu Kohlenmonoxid(CO) und Kohlendioxid(C02), dass neben Kohlendioxid(C02) auch Kohlenmonoxid(CO) ausgetragen wird, zudem aber ein Restanteil an Kohlendioxid(C02) und Kohlenmonoxid(CO) im Offgas verbleibt, die höheren Kohlenwasserstoffe(CxHy) ebenso im Restgas zusammen mit Wasserstoff(H2) enthalten bleiben. Die Dehydration im Gaswäscher erfolgt nur in sehr geringem Masse, und weist den Nachteil auf, dass das Offgas nun auch noch das gewünschte Produktgas Dimethylether(DME) beinhaltet.
Das Patent DE 4222655 A1 beschreibt die Erzeugung von Dimethylether(DME) aus einem Gasgemisch aus Kohlenmonoxid(CO), Wasserstoff(H2) und Kohlendioxid(C02), und die nachfolgende Wäschers des Offgases mit Methanol(MeOH) zur Verminderung des Kohlendioxidanteiles in dem Kreisgases. Der Nachteil dieser Erfindung ist die nicht definierte Gasreinheit vor der Dimethylether(DME) Synthese, und die Rückführung des Offgases in den Synthesereaktor, was in der Folge zu einer Aufkonzentration der Störstoffe führt, die die Effizienz der Synthesegasproduktion vermindert.
Die Aufgabe, die nun gestellt wird, umfasst die Erzeugung von Dimethylether(DME) aus einem Gasgemisch aus Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2), aus einem Gasgemisch aus Kohlenmonoxid(CO) und Wasserstoff(H2) in einem Prozessschritt, die Regelung der Gaskonzentrationen in Bezug auf Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2), der Gaskonzentration in Bezug auf Kohlenmonoxid(CO) und Wasserstoff(H2), die Verwertung von Restgasen aus den Reaktoren zu der Dimethyletherproduktion, der Verwertung von anfallenden Stoffen wie Wasser(H20) und Methanol(MeOH), sodass die Eigenschaft Zero Emission gewährleistet ist. Zudem muss das Verfahren skalierbar in der Produktionsleistung und in der Verwertung von Kohlendioxid(C02) und Wasser(H20) sein.
Die Erfindung basiert auf der Erzeugung von Dimethylether(DME) auf der Basis von Kohlenmonoxid(CO) und Wasserstoff(H2) basiert auf folgenden chemischen Gleichungen:
Wie aus der chemischen Summengleichung ersieht ist das molare Verhältnis bei Kohlenmonoxid zu Wasserstoff 1:1. Um dieses molare Verhältnis für die Erzeugung von Dimethylether zu erreichen, wird erfindungsgemäß eine Regelung der Gaskonzentrationen durchgeführt. Bei Schwachgasen in der Tabelle 1 stellt man fest, dass der Anteil an Kohlenmonoxid(CO) immer größer als der molare Anteil an WasserstoffH2) ist. Um das molare Verhältnis zu erreichen wird erfindungsgemäß der benötigte Wasserstoff H2) zu geführt. Es werden in der Regel CuO-ZnO-AI203 Katalysatoren für die Methanolsynthese aus Kohlendioxid(CO) und Wasserstoff(H2) eingesetzt, und für die Dehydration HSZM-5 Zeolithe.
Weiter ergibt die Umwandlung von Kohlenmonoxid(CO) und Wasserstoff(H2) zu Dimethylether(DME) neben DME auch Kohlendioxid(C02) als Produkt. Da die Umwandlung im Synthesereaktor nicht vollständig erfolgt, sondern zwei Prozessschritte mittels eines Gemisches an Katalysatoren in einem Synthesereaktor erfolgen, werden neben Dimethylether(DME), auch Methanol(MeOH) und Wasser(H20) gebildet. Die unvollständige Umsetzung der Reaktionen ergibt unverbrauchtes Kohlenmonoxid(CO), Wasserstoff H2), Methan(CH4), Ethan(C2H4), und Kohlendioxid(C02).
Die Erfindung löst die Aufgabe nach der Eigenschaft von Zero Emission, durch die Verwertung des Offgases in einem Reformierreaktor, der auf der Basis von Dampfreformierung arbeitet. Damit werden die gasförmigen nicht kondensierbaren Gase in Wasserstoff H2) und Kohlendioxid(C02) umgewandelt:
Das Offgas wird in ein Gasgemisch aus Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2) umgewandelt.
Wie aus der Tabelle der Schwachgase zu ersehen ist, bestehen die Schwachgase in der Regel nicht nur aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, sondern auch aus einem Anteil an Kohlendioxid(C02). Die Erfindung löst die Aufgabe der Regelung der Gaskonzentration dadurch, dass Kohlendioxid nach der Verdichtung durch Abkühlung vom verdichteten Synthesegas abgetrennt wird und in flüssiger Phase abgeschieden und gespeichert wird. Dieses so gewonnene Kohlendioxid wird dann mit dem umgewandelten Offgas bestehend aus Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2) in einem zweiten Dimethylether(DME) Syntheseschritt verarbeitet.
Die Erfindung löst die Aufgabe der Verwertung von Kohlendixoid(C02) zu Dimethylether(DME) durch die Koppelung eines zweiten Syntheseverfahrens zu Erzeugung von Dimethylether(DME) in einem Prozessschritt.
Die Erzeugung von Dimethylether(DME) auf der Basis von Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff H2) basiert auf folgenden chemischen Gleichungen:
Wie aus den chemischen Gleichungen ersichtlich hat das molare Verhältnis von Kohlendioxid(C02) und WasserstoffH2) ein Verhältnis von 1:3 aufzuweisen, wenn eine vollständige Umwandlung von Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2) zu Dimethylether(DME) und Wasser(H20) erfolgen soll. Wie man aus der Summengleichung ersieht ist eine direkte Synthese in einem Reaktor mit der Kombination von zwei Katalysatoren möglich. Es werden in der Regel CuO-ZnO-Zr02 Katalysatoren für die Methanolsynthese aus Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2) eingesetzt, und für die Dehydration HSZM-5 Zeolithe.
Die Synthese von Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff H2) zu Dimethylether(DME) hat den Vorteil, dass das in der Regel bei Schwachgasen ( Siehe Tabelle 1 ) vorhandene Kohlendiox»d(C02) ab geschieden und verwertet werden kann. Das ist bei allen bekannten Verfahren nicht der Fall, im Gegenteil es wird bei der klassischen direkten Synthese aus Kohlenmonoxid(CO) und Wasserstoff(H2) immer Kohlendioxid(C02) erzeugt, siehe die Summengleichung für Schwachgas. Das Kohlendioxid(C02) wirkt bei vorhandener Kohlenmonoxid(CO)-Synthese auf den Katalysator inhibitierend und verschlechtet den Ertrag an Dimethylether im Produktgas. Der Ansatz ein gemisch als multihybridkatalysatoren zu verwenden ist über den Labormaßstab nicht hinausgekommen, und in der großtechnischen Lösung instabil.
Die Skalierbarkeit der Reaktoren(8,21) ist eine wesentliche Eigenschaft. Die Schwachgasvolumenströme sind in der Regel limitiert, bedenkt man, dass Schwachgase wie Biogase, Holzgase, Grubengase, Kohlegas nur Nebenprodukte von eigentlichen Hauptprozessen wie Fermentation, Vergasung, Pyrolyse oder Verkockung sind. Diese Anlagen sind dezentrale kleine Anlagen, sodass die Volumenströme in der Regel bei 1000 Nm3/h Schwachgas limitiert sind.
Skalierbar ist der Synthesegasreaktor(21) auf der Basis von Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2), da nicht nur das anfallende Kohlendioxid aus dem Schwachgas(l) abgeschieden über den Wärmetauscher(3), als flüssiger Kohlendioxid(C02) dem Kohlendioxid(13) beigemischt. Es wird also das Schwachgas auf die Komponeten Wasserstoff(H2) und Kohlenmonoxid(CO) reduziert und im SchwachgasSynthesereaktor(8) entsteht dann noch einmal Kohlendioxid(C02), das in der Folge zusammen mit dem unverbrauchten Gaskomponeten Kohlenmonoxid(CO) und Wasserstoff(H2) sowie den geringfügigen Anteilen an Methan(CH4) und Ethan(C2H4) die als Störprodukte im Produktgas enthalten sind abgeschieden wird. Die gasförmigen Anteile werden zu Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2) entweder mit Methan über das trockene Reformierungsverfahren auf der Basis einer partialen Oxidation umgewandelt oder mit Wasserdampf über das Dampfreformierungsverfahren umgewandelt. Das so entstandene Gemisch aus Wasserstoff(H2) und Kohlendioxid(C02) wird im Synthesegasreaktor(21)zu Dimethylether(DME) umgewandelt.
Trockene Reformierung ( partielle Oxidation):
Der für die trockene Reformierung notwendige Sauerstoff kann aus der Elektroylse(66) von Wasser(49) zu Wasserstoff (5,18) und Sauerstoff(02)(69) gewonnen werden. Der Vorteil dieses Verfahrens ist die teilweise Nutzung des anfallenden Sauerstoffes(69) aus der Elektrolyse(66).
Wasserdampfreformierung:
Die Dampfreformierung hat den Vorteil, dass das anfallende Prozesswasser(H20)(49) im Reformierreaktor(30) als Wasserdampf(H20)(55) verwertet wird.
Die Regelung der Gaskonzentrationen der Inputgase für den Synthesereaktor zur Erzeugung von Dimethylether, sowie der gasförmigen Restgase aus dem Synthesereaktor(21) und dem Schwachgasreaktor(8) ist ein Vorteil dieser Erfindung.
In der Regel schwanken die Konzentrationen des Schwachgases auf grund der unterschiedlichen Rohstoffe die bei der Erzeugung der Schwachgase eingesetzt werden. Daher kann man nie von einer stabilen bestehenden Gaskonzentration in den Komponenten Kohlenmonoxid(CO), WasserstoffH2) und Kohlendioxid(C02) ausgehen. Diese Eigenschaft ist bekannt. Der Vorteil dieser Erfindung liegt nun darin, die Konzentration im molaren Verhältnis an Kohlenmonoxid(CO) zu Wasserstoff(H2) auszuregeln, indem Wasserstoff H2)(5) zugeführt wird. Der Wasserstoff(H2)(5) wird aus dem im Verfahren anfallenden Prozesswasser(49) gewonnen.
Dadurch, dass im Schwachgas(l) auch Kohlendioxid(C02) enthalten ist, ist dieses durch Verflüssigung über den Wärmetauscher(3) abgeschieden worden. Das flüssige Kohlendioxid(C02) wird mit dem Kohlendioxid(13) aus dem Tank(13) im Mischer(15) zusammengefügt. Noch immer handelt es sich dabei um Kohlendioxid. Diesem Gasstrom wird im Mischer(17) wird das reformierte Gasgemisch aus Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2) zugemischt und in der Folge die Gaskonzentration an Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff H2) ermittelt. Im Miseher(19) wird der Wasserstoff H2) zugemischt, um so geregelt ein molares Verhältnis von Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff H2) von 1:3 zu erreichen. Der Wasserstoff 18) wird aus dem im Verfahren anfallenden Prozesswasser(49) gewonnen.
Das gasförmige Restgas aus dem Produktgas aus dem Schwachgasreaktor(8), das nach Abscheiden der flüssigen Komponenten wie Dimethylether(DME), Methanot(MeOH) und Wasser(H20) gespeichert im Tank(26) verbleibt, das gasförmige Restgas aus dem Produktgas aus dem Synthesegasreaktor(21), das nach Abscheiden der flüssigen Komponenten wie Dimethylether(DME), Methanol(MeOH) und Wasser(H20) gespeichert im Tank(26) verbleibt, wird dem Reformierungsreaktor(30) zugeführt. Dabei wird der Anteil der Gaskomponenten wie Kohlenmonoxid(CO), Methan(CH4), Ethan(C2H4) bestimmt und damit der benötigte Sauerstoff(51) aus der Elektrolyse(66) regelt zugeführt, oder der benötigte Wasserdampf(H20) (55) geregelt zugeführt, um so eine vollständige Umwandlung der oxidierbaren Gaskomponenten zu Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff H2) geregelt zu ereichen.
Die Trennung des nach dem Syntheseschritt durch Abkühlung gewonnenen Kondensates bestehend aus Dimethylether(DME), Methanol(MeOH), Wasser(H20), erfolgt über die bekannten Verfahren der zweistufigen Destillation. Die Produkte werden in Tanks gespeichert, Dimethylether(DME) im Tank(38), Methanol(MeOH) im Tank(45) und das Prozesswasser(H20) im Tank(49).
Die benötigte elektrische Energie umfasst die Energie für die Verdichtung des Schwachgases von Umgebungsdruck auf den Synthesedruck, sowie die elektrische Energie zur Erzeugung von Wasserstoff H2)mittels Elektrolyse zu Wasserstoff(H2) und Sauerstoff 02) aus dem Prozesswasser(H20) wird extern zugeführt. Dabei kann auch auf emeuerbare Energiequellen zurückgegriffen werden, wir Windenergie, oder solare Energie aus Photovoltaik.
Die Erfindung löst die Aufgabe der Skalierbarkeit durch die Verwertung von Kohlendioxid(C02) durch Umwandlung von Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2) zu Dimethylether(DME). Dieser Anlagenteil, dieser Reaktorteil als Synthesereaktor(21) ist skalierbar und in der Größe nicht beschränkt. Das bedeutet, dass man bei mehr Kohlendioxid(C02) im Tank(13) mehr Wasser für die Elektrolyse zur Verfügung stellen muss, um den Anteil an Wasserstoff(H2) erzeugen zu können, ebenso die entsprechende Menge an elektrischer Energie.
Abbildungen Abbildung 1
Die Abbildung 1 zeigt die Koppelung der Dimethylether Synthesereaktoren, den Synthesereaktor(8) für Schwachgase bestehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Das Schwachgas(l) besteht in der Regel aus Kohlenmonoxid(CO), Wasserstoff(H2) und Kohlendioxid(C02) und fällt bei Umgebungsdruck an. Das Schwachgas(l) wird mit dem Verdichter(2) auf den Druck gebracht und das Kohlendioxid(C02) im Kondensator(3) als flüssige Phase abgeschieden, das reduzierte Schwachgas wird nun wieder über den Wärmetauscher(4) erwärmt. Im Mischer(6) wird Wasserstoffs) zugeführt und das Schwachgas über den Volumenstromregler (7) dem Synthesereaktor(8) zugeführt. Da die Reaktion exotherm ist, wird dieser Reaktor(8) mit dem Wärmetauscher(11) gekühlt. Das Produktgas wird über den Drosselregler(9) auf einen niederen Druck gebracht und über den Kondensator(10) in einen Kondensatanteil aus Wasser, Methanol und Dimethylether und in einen nicht kondensierbaren Anteil getrennt. Der nichtkondensierbare Anteil wird dem Reformer(3Q) zugeführt. Flüssiges Kohlendioxid(13) wird auf einen niederen Druck gedrosselt^ 4) und mit dem flüssigen Kohlendioxid aus dem Kondensator(3) gemischt(15) und über den Wärmetauscher(16) erwärmt. Zudem wird das Produktgas aus dem Reformer(30) zugemischt(17). Dem Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxid wird durch Wasserstoff 18) im Mischer (19) ergänzt. Das Gasgemisch wird über den Volumenstromregler(20) dem Synthesegasreaktor(21) zugeführt, der mit dem Wärmetauscher(22) gekühlt wird. Das Produktgas wird über den Drosselregler(23) auf einen niederen Druck gebracht und dem Kondensator(24) zugeführt. Das Kondensat wird im Tank (26) gesammelt. Die nicht kondensierbaren Gase und Dämpfe werden dem Reformer(30) zugeführt. Im Reformer werden diese Restgase aus den Reaktoren(8,21) zunächst über einen Verdichter(34) auf den Druck im Reformer(30) verdichtet und in Volumenstrom und Druck geregelt (29). Die verdichteten Restgase aus den Sythesereaktoren( 8,21) zusammen mit externem über den Regler(51) zugeführten Sauerstoff(02)(51) über das Verfahren des trockenen Reforming zu einem Gasgemisch aus Kohlendioxid und Wasserstoff reformiert. Dem Reformer(30) wird Wärme über (31) zugeführt im Druck und Volumenstrom geregelt (32) und einem Wärmetauscher (33) zugeführt, um das Produktgas zu kühlen und der Mischkammer(17) zugeführt.
Das Kondensat im Tank(26) wird über eine Pumpe(27) und dem zugehörigen Druck und Volumenstromregler(28) der ersten Destillationsstufe(35) zugeführt. In der Destillationsstufe wird Dimethylether(DME) von Kondensat abgetrennt, der Dimethyletherdampf(DME) wird im Druck und Volumebstrom geregelt (36) und dem Kondensator(37) zugeführt und der Dimethylether(DME) wird verflüssigt im Tank(38) gelagert. Der Destillation wird über den Wärmetauscher(40) die Wärme zugeführt, das Kondensat über die Pumpe (39) und dem Regler(41) der zweiten Destillationsstufe(42) zugeführt, in der die Trennung von Methanol von Wasser erfolgt. In der zweiten Destillationsstufe(42) wird Dimethylether(DME) von Kondensat abgetrennt, der Methanoldampf(MeoH) wird im Druck und Volumenstrom geregelt (43) und dem Kondensator(44) zugeführt und der Dimethylether(MeOH) wird verflüssigt im Tank(45) gelagert. Der Destillation wird über den Wärmetauscher(47) die Wärme zugeführt, das Wasser als Kondensat über die Pumpe (46) und dem Regler(48) dem Tank(49) zugeführt. Aus dem Tank wird das Wasser mit der Pumpe(SO) der weiteren Verwertung zur Verfügung gestellt.
Abbildung 2
Die Abbildung 2 zeigt die Koppelung der Dimethylether Synthesereaktoren, den Synthesereaktor(8) für Schwachgase bestehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Das Schwachgas(l) besteht in der Regel aus Kohlenmonoxid(CO), WasserstoffH2) und Kohlendioxid(C02) und fällt bei Umgebungsdruck an. Das Schwachgas(l) wird mit dem Verdichter(2) auf den Druck gebracht und das Kohlendioxid(C02) im Kondensator(3) als flüssige Phase abgeschieden, das reduzierte Schwachgas wird nun wieder über den Wärmetauscher(4) erwärmt. Im Mischer(6) wird Wasserstoffs) zugeführt und das Schwachgas über den Volumenstromregler (7) dem Synthesereaktor(8) zugeführt. Da die Reaktion exotherm ist, wird dieser Reaktor(8) mit dem Wärmetauscher(11) gekühlt. Das Produktgas wird über den Drosselregler(9) auf einen niederen Druck gebracht und über den Kondensator(IO) in einen Kondensatanteil aus Wasser,
Methanol und Dimethylether und in einen nicht kondensierbaren Anteil getrennt. Der nichtkondensierbare Anteil wird dem Reformer(30) zugeführt. Flüssiges Kohlendioxid(t3) wird auf einen niederen Druck gedrosselt 14) und mit dem flüssigen Kohlendioxid aus dem Kondensator(3) gemischt( 15) und über den Wärmetauscher(16) erwärmt. Zudem wird das Produktgas aus dem Reformer(30) zugemischt(17). Dem Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxid wird durch Wasserstoff(18) im Mischer (19) ergänzt. Das Gasgemisch wird über den Volumenstromregler(20) dem Synthesegasreaktor(21) zugeführt, der mit dem Wärmetauscher(22) gekühlt wird. Das Produktgas wird über den Drosselregler(23) auf einen niederen Druck gebracht und dem Kondensator(24) zugeführt. Das Kondensat wird im Tank (26) gesammelt. Die nicht kondensierbaren Gase und Dämpfe werden dem Reformer(30) zugeführt. Im Reformer werden diese Restgase zunächst über einen Verdichter(34) auf den Druck im Reformer(30) verdichtet und in Volumenstrom und Druck geregelt (29). Die verdichteten Restgase aus den Sythesereaktoren( 8,21) zusammen mit Wasserdampf(55) aus dem
Prozesswasser(49), das in dem Verdampfer bestehend aus Pumpe (52) und Verdampfer(53) zu Wasserdampf(54) umgewandelt wird, über das Verfahren der Dampfreformierung zu einem Gas -Dampfgemisch aus Kohlendioxid und Wasserstoff reformiert. Dem Reformer(30) wird Wärme über (31) zugeführt im Druck und Volumenstrom geregelt (32) und einem Wärmetauscher (33) zugeführt, um das Produktgas zu kühlen und der Mischkammer(17) zugeführt.
Das Kondensat im Tank(26) wird über eine Pumpe(27) und dem zugehörigen Druck und
Volumenstromregler(28) der ersten Destillationsstufe(35) zugeführt. In der Destillationsstufe wird Dimethylether(DME) von Kondensat abgetrennt, der Dimethyletherdampf(DME) wird im Druck und Volumebstrom geregelt (36) und dem Kondensator(37) zugeführt und der Dimethylether(DME) wird verflüssigt im Tank(38) gelagert. Der Destillation wird über den Wärmetauscher(40) die Wärme zugeführt, das Kondensat über die Pumpe (39) und dem Regler(41) der zweiten Destillationsstufe(42) zugeführt, in der die Trennung von Methanol von Wasser erfolgt. In der zweiten Destillationsstufe(42) wird Dimethylether(DME) von Kondensat abgetrennt, der Methanoldampf(MeoH) wird im Druck und Volumenstrom geregelt (43) und dem Kondensator(44) zugeführt und der Dimethylether(MeOH) wird verflüssigt im Tank(45) gelagert. Der Destillation wird über den Wärmetauscher(47) die Wärme zugeführt, das Wasser als Kondensat über die Pumpe (46) und dem Regler(48) dem Tank(49) zugeführt. Aus dem Tank wird das Wasser, das nicht für die Dampfreformierung verwendet wird, über die Pumpe(50) der weiteren Verwertung zur Verfügung gestellt.
Abbildung 3
Die Abbildung 3 zeigt die Koppelung der Dimethylether Synthesereaktoren, den Synthesereaktor(8) für Schwachgase bestehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Das Schwachgas(l) besteht in der Regel aus Kohlenmonoxid(CO), Wasserstoff(H2) und Kohlendioxid(C02) und fällt bei Umgebungsdruck an Das Schwachgas(l) wird mit dem Verdichter(2) auf den Druck gebracht und das Kohlendioxid(C02) im Kondensator(3) als flüssige Phase abgeschieden, das reduzierte Schwachgas wird nun wieder über den Wärmetauscher(4) erwärmt. Im Mischer(6) wird Wasserstoff(5) zugeführt und das Schwachgas über den Volumenstromregler (7) dem Synthesereaktor(8) zugeführt. Da die Reaktion exotherm ist, wird dieser Reaktor(8) mit dem Wärmetauscher(11) gekühlt. Das Produktgas wird über den Drosselregler(9) auf einen niederen Druck gebracht und über den Kondensator(1Q) in einen Kondensatanteil aus Wasser, Methanol und Dimethylether und in einen nicht kondensierbaren Anteil getrennt. Der nichtkondensierbare Anteil wird dem Reformer(30) zugeführt. Flüssiges Kohlendioxid(13) wird auf einen niederen Druck gedrosselt 14) und mit dem flüssigen Kohlendioxid aus dem Kondensator(3) gemischt(15) und über den Wärmetauscher(16) erwärmt. Zudem wird das Produktgas aus dem Reformer(30) zugemischt(17). Dem Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxid wird durch Wasserstoff 18) im Mischer (19) ergänzt. Das Gasgemisch wird über den Volumenstromregler(20) dem Synthesegasreaktor(21) zugeführt, der mit dem Wärmetauscher(22) gekühlt wird. Das Produktgas wird über den Drosselregler(23) auf einen niederen Druck gebracht und dem Kondensator(24) zugeführt. Das Kondensat wird im Tank (26) gesammelt. Die nicht kondensierbaren Gase und Dämpfe werden dem Reformer(30) zugeführt. Im Reformer werden diese Restgase zunächst über einen Verdichter(34) auf den Druck im Reformer(30) verdichtet und in Volumenstrom und Druck geregelt (29). Die verdichteten Restgase aus den Sythesereaktoren( 8,21) zusammen mit Wasserdampf(55) aus dem Prozesswasser(49), das in dem Verdampfer bestehend aus Pumpe (52) und Verdampfer(53) zu Wasserdampf(54) umgewandelt wird, über das Verfahren der Dampfreformierung zu einem Gas -
Dampfgemisch aus Kohlendioxid und Wasserstoff reformiert. Dem Reformer(30) wird Wärme über (31) zugeführt im Druck und Volumenstrom geregelt (32) und einem Wärmetauscher (33) zugeführt, um das Produktgas zu kühlen und der Mischkammer(17) zugeführt.
Das Kondensat im Tank(26) wird über eine Pumpe(27) und dem zugehörigen Druck und Volumenstromregler(28) der ersten Destillationsstufe(35) zugeführt. In der Destillationsstufe wird Dimethylether(DME) von Kondensat abgetrennt, der Dimethyletherdampf(DME) wird im Druck und Volumebstrom geregelt (36) und dem Kondensator(37) zugeführt und der Dimethylether(DME) wird verflüssigt im Tank(38) gelagert. Der Destillation wird über den Wärmetauscher(40) die Wärme zugeführt, das Kondensat über die Pumpe (39) und dem Regler(41) der zweiten Destillationsstufe(42) zugeführt, in der die Trennung von Methanol von Wasser erfolgt. In der zweiten Destillationsstufe(42) wird Dimethylether(DME) von Kondensat abgetrennt, der Methanoldampf(MeoH) wird im Druck und Volumenstrom geregelt (43) und dem Kondensator(44) zugeführt und der Dimethylether(MeOH) wird verflüssigt im Tank(45) gelagert. Der Destillation wird über den Wärmetauscher(47) die Wärme zugeführt, das Wasser als Kondensat über die Pumpe (46) und dem Regler(48) dem Tank(49) zugeführt. Aus dem Tank wird das Wasser, das nicht für die Dampfreformierung verwendet wird, über die Pumpe(50) der weiteren Verwertung zur Verfügung gestellt.
Das im Tank(45) gewonnene restliche Methanol wird über die Pumpe(56) und der zugehörigen Regelung(57) dem Dehydrationsreaktor (56) zugeführt, der extern über den Wärmetauscher(59) beheizt werden, das Produktgas aus Dimethylether(DME) und Wasser wird über den Drosselregler(60) im Druck reduziert, und dem Kondensator(61) zugeführt. Das Kondensat aus Dimethylether(DME), Wasser(H20) und Methanol(MeOH) wird im Tank(26) gespeichert.
Abbildung 4
Die Abbildung 4 zeigt die Koppelung der Dimethylether Synthesereaktoren, den Synthesereaktor(8) für Schwachgase bestehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Das Schwachgas(l) besteht in der Regel aus Kohlenmonoxid(CO), Wasserstoff(H2) und Kohlendioxid(C02) und fällt bei Umgebungsdruck an. Das Schwachgas(l) wird mit dem Verdichter(2) auf den Druck gebracht und das Kohlendioxid(C02) im Kondensator(3) als flüssige Phase abgeschieden, das reduzierte Schwachgas wird nun wieder über den Wärmetauscher(4) erwärmt. Im Mischer(6) wird Wasserstoff(5) zugeführt und das Schwachgas über den Volumenstromregler (7) dem Synthesereaktor(8) zugeführt. Da die Reaktion exotherm ist, wird dieser Reaktor(8) mit dem Wärmetauscher(11) gekühlt. Das Produktgas wird über den Drosselregler(9) auf einen niederen Druck gebracht und über den Kondensator(IO) in einen Kondensatanteil aus Wasser, Methanol und Dimethylether und in einen nicht kondensierbaren Anteil getrennt. Der nichtkondensierbare Anteil wird dem Reformer(30) zugeführt. Flüssiges Kohlendioxid(13) wird auf einen niederen Druck gedrosselt(14) und mit dem flüssigen Kohlendioxid aus dem Kondensator(3) gemischt(15) und über den Wärmetauscher(16) erwärmt. Zudem wird das Produktgas aus dem Reformer(30) zugemischt(17). Dem Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxid wird durch Wasserstoff 18) im Mischer (19) ergänzt. Das Gasgemisch wird über den Volumenstromregler(20) dem Synthesegasreaktor(21) zugeführt, der mit dem Wärmetauscher(22) gekühlt wird. Das Produktgas wird über den Drosselregler(23) auf einen niederen Druck gebracht und dem Kondensator(24) zugeführt. Das Kondensat wird im Tank (26) gesammelt. Die nicht kondensierbaren Gase und Dämpfe werden dem Reformer(30) zugeführt. Im Reformer werden diese Restgase zunächst über einen Verdichter(34) auf den Druck im Reformer(30) verdichtet und in Volumenstrom und Druck geregelt (29). Die verdichteten Restgase aus den Synthesereaktoren( 8,21) zusammen mit Wasserdampf(55) aus dem Prozesswasser(49), das in dem Verdampfer bestehend aus Pumpe (52) und Verdampfer(53) zu Wasserdampf(54) umgewandelt wird, über das Verfahren der Dampfreformierung zu einem Gas -Dampfgemisch aus Kohlendioxid und Wasserstoff reformiert. Dem Reformer(30) wird Wärme über (31) zugeführt im Druck und Volumenstrom geregelt (32) und einem Wärmetauscher (33) zugeführt, um das Produktgas zu kühlen und der Mischkammer(17) zugeführt.
Das Kondensat im Tank(26) wird über eine Pumpe(27) und dem zugehörigen Druck und Volumenstromregler(28) der ersten Destillationsstufe(35) zugeführt. In der Destillationsstufe wird Dimethylether(DME) von Kondensat abgetrennt, der Dimethyletherdampf(DME) wird im Druck und Volumenstrom geregelt (36) und dem Kondensator(37) zugeführt und der Dimethylether(DME) wird verflüssigt im Tank(38) gelagert. Der Destillation wird über den Wärmetauscher(40) die Wärme zugeführt, das Kondensat über die Pumpe (39) und dem Regler(41) der zweiten Destillationsstufe(42) zugeführt, in der die Trennung von Methanol von Wasser erfolgt. In der zweiten Destillationsstufe(42) wird Dimethylether(DME) von Kondensat abgetrennt, der Methanoldampf(MeoH) wird im Druck und Voiumenstrom geregelt (43) und dem Kondensator(44) zugeführt und der Dimethylether(MeOH) wird verflüssigt im Tank(45) gelagert. Der Destillation wird über den Wärmetauscher(47) die Wärme zugeführt, das Wasser als Kondensat über die Pumpe (46) und dem Regler(48) dem Tank(49) zugeführt. Aus dem Tank wird das Wasser, das nicht für die Dampfreformierung verwendet wird, über die Pumpe(50) der weiteren Verwertung zur Verfügung gestellt.
Der den Mischern(6,19) zugeführte Wasserstoff(5,18) wird aus dem Prozesswasser(49) über die nasse Elektrolyse erzeugt. Das Prozesswasser wird mit der Pumpe(50) dem Wärmetauscher(64) zugeführt, im Druck geregelt (65) und der Elektrolyse(66) zu Wasserstoff(67) und Sauerstoff(68) umgewandelt.
Abbildung 5
Die Abbildung 5 zeigt die an der Regelung der Gaskonzentration für die einzelnen Synthesegasreaktoren (8,21). Die Regelung(70) stellt sicher, dass die für die Synthesegasreaktoren optimale Gaszusammensetzung als Input eingebracht wird. Folgende Messgeber werden für die Regelung(70) verwendet: — Schwachgas(t): Konzentration(71),Volumenstrom(72),Temperatur(73),Druck(74) — Schwachgas(l) ohne Kohlendioxid: Konzentration(75),Volumenstrom(76),Temperatur(77),Druck(78) — Wasserstoff(S): Konzentration(79),Volumenstrom(80),Temperatur(81),Druck(82) — Wasserstoff 18): Konzentration(83),Volumenstrom(84),Temperatur(85),Druck(86) — Restgas aus Synthesereaktor(8):
Konzentration(87),Volumenstrom(88),Temperatur(89),Druck(90) — Reformgas aus Reformreaktor(30):
Konzentration(91 ),Volumenstrom(92),T emperatur(93), Druck(94) — Synthesegas für Synthesereaktor(21): Konzentration(95),Volumenstrom(96),Temperatur(97),Druck(98) — Restgas aus Synthesereaktor(21):
Konzentration(99), Volumenstrom(100),Temperatur(101), Druck( 102) — Wasserdampf(55): Konzentration(103),Volumenstrom(104),Temperatur( 105), Druck( 106)
Abbildung 6
Die Abbildung 6 zeigt die Ausbildung eines Synthesgasreaktors als Slurry Reaktoren in vertikaler Bauweise, wobei als Trägerflüssigkeit Parafinöl verwendet wird, in dem die Katalysatoren eingetragen werden. Der Gaseintritt erfolgt am Boden des reaktors, der Produktgasastritt am Kopf des Reaktors, das Öl Katalysatorgemisch wird mit einer Pumpe umgewälzt und die Wärme dem Öl durch einen Wärmetauscher entzogen.
Abbildung 7
Die Abbildung 7 zeigt die Ausbildung eines Synthesgasreaktors als Membranreaktor in horizontaler Bauweise. Die Katalysatoren sind in einer Trägermembam aufgebracht, die porös ist und so den Kontakt zwischen Katalysator und eintretendem Gas ermöglichen, das Produktgas wird über einen Separator mit Demistor geleitet um Kondensat abzuscheiden.
Symbole und Zeichen 1 Schwachgas aus Kohlenmonoxid(CO), Kohlendioxid(C02), Wasserstoff(H2) 2 Gas Verdichter 3 Kondensator zur Abscheidung von Kohlendioxid(C02) 4 Wärmetauscher für das Schwachgas aus Kohlenmonoxid(CO) und Wasserstoff(H2) 5 Wasserstoff(H2) 6 Mischkammer Schwachgas(l) und Wasserstoff(H2)(5) 7 Druck- und Volumenstromregler 8 Synthesegasreaktor 9 Druck- und Volumenstromregler 10 Kondensator für Dimethy!ether(DME),Wasser(H20), Methanol(MeOH) 11 Kühlung des Synthesereaktors(l) 12 Druck- und Volumenstromregler für das flüssige Kondensat 13 flüssiger Kohlendioxid(C02) - Tank 14 Druck- und Volumenstromregler 15 Mischkammer 16 Wärmetauscher 17 Mischkammer für Synthesegas aus Reformer(30) 18 Wasserstoff 19 Mischkammer 20 Druck- und Volumenstromregler 21 Synthesegasreaktor 22 Wärmetauscher 23 für Dimethylether(DME),Wasser(H20), Methanol(MeOH)Druck- und Volumenstromregler 24 Kondensator für Dimethylether(DME),Wasser(H20), Methanol(MeOH) 25 Druck- und Volumenstromregler 26 Kondensattank für Dimethylether(DME),Wasser(H20), Methanol(MeOH) 27 Pumpe 28 Druck- und Volumenstromregler 29 Druck- und Volumenstromregler 30 Reformer - reaktor 31 Wärmezuführung Reformer - Reaktor 32 Druck- und Volumenstromregler 33 Wärmetauscher 34 Gas Verdichter 35 Destillation für Dimethylether(DME) 36 Druck- und Volumenstromregler 37 Kondensator 38 Dimethylether-Tank 39 Pumpe 40 Wärmetauscher 41 Druck- und Volumenstromregler 42 Destillations für Methanol(MeoH) 43 Druck- und Volumenstromregler 44 Kondensator 45 Methanol Tank 46 Pumpe 47 Wärmetauscher 48 Druck- und Volumenstromregler 49 Wassertank (Prozesswasser) 50 Pumpe 51 Sauerstoff(02) 52 Pumpe 53 Verdampfer 54 Wasserdampf 55 Druck- und Volumenstromregler 56 Pumpe Methanol(MeOH) 57 Druck- und Volumenstromregler 58 Dehydrationsreaktor 59 Wärmezuführung Dehydrationsreaktor 60 Druck- und Volumenstromregler 61 Kondensator 62 Inerte Gase 63 Druck- und Volumenstromregler 64 Wärmetauscher 65 Druck- und Volumenstromregler 66 Nass Elektrolyseur 67 Druck- und Volumenstromregler 68 Sauerstoff 69 elektrische Energie für den Nass Elektrolyseur 70 Regler 71 Konzentration (C0,C02,H2) 72 Volumenstrom 73 Temperatur 74 Druck 75 Konzentration (CO,C02,H2) 76 Volumenstrom 77 Temperatur 78 Druck 79 Konzentration (C0,C02>H2) 80 Volumenstrom 81 Temperatur 82 Druck 83 Konzentration (C0,C02>H2) 84 Volumenstrom 85 Temperatur 86 Druck 87 Konzentration (C0,C02,H2>CH4,C2H4) 88 Volumenstrom 89 Temperatur 90 Druck 91 Konzentration (C0,C02>H2) 92 Volumenstrom 93 Temperatur 94 Druck 95 Konzentration (C0,C02,H2) 96 Volumenstrom 97 Temperatur 98 Druck 99 Konzentration (C0,C02,H2>CH4,C2H4) 100 Volumenstrom 101 Temperatur 102 Druck 103 Konzentration (H20) 104 Volumenstrom 105 Temperatur 106 Druck 107 Konzentration (02) 108 Volumenstrom 109 Temperatur 110 Druck
Claims (8)
- Patentansprüche1. Das Verfahren zur Erzeugung von Dimethylether(DME) umfassend einen Synthesereaktor für Schwachgas(8), dem Verdichter(2), dem Kohlendioxidabscheider(3), dem Vorwärmer(4), dem Mischer(6), Regler(7) einem Synthesereaktor für Synthesegas(21), dem Drosselregler(9), dem Wärmetauscher(IO), Kohlendioxidtank(13), dem Regler(14), dem Mischer(15), dem Wärmetauscher(16) dem Mischer(17), dem Mischer(19), dem Regler(20) dem Synthesegasreaktor(21),dem Regler(23), dem Wärmetauscher(24), dem Verdichter(34), dem Reformierungsreaktor(3Q), dem Drosselregler(32), dem Wärmetauscher(33), Tank(26) Gekennzeichnet dadurch, dass - Das Schwachgas(l) aus einem Gasgemisch aus Kohlendioxid(C02), Kohlenmonoxid(CO), Wasserstoff(H2) besteht - Das Schwachgas(l) eine Konzentration von Kohlendioxid(C02), minimal 0 Vol%, maximal 20Vol%, bevorzugt 12Vol% - Das Schwachgas(1) mit einem Druck anfällt, minimal 0,01 barü, maximal 1 barü, bevorzugt 0,25 barü, - Das Schwachgas(l) eine Temperatur aufweist, minimal 10°C, maximal 40°C, bevorzugt 25°C - Das Schwachgas (1) über einen Verdichter(2) auf einen Druck verdichtet wird, minimal 30 barü, maximal 70 barü, bevorzugt 50 barü - Der Verdichter(2) als hydraulischer Linearkolbenverdichter ausgebildet ist - Das verdichtete Schwachgas(l) über den Wärmetauscher(3) auf eine Temperatur abgekühlt wird, minimal T=-10°C, T=15°C, bevorzugt T=5°C - Das Kohlendioxid aus dem Schwachgas(l) bei einem Druck von p=50bar in flüssiger Phase abgetrennt wird - Das reduzierte Schwachgas(l) nach dem Wärmetauscher(3) eine Kohlendioxidkonzentration aufweist, minimal 0 Vol%, maximal 1 Vol%, bevorzugt 0,1 Vol%, - Das reduzierte Schwachgas(l) über den Vorwärmer(4) auf eine Temperatur erwärmt wird, minimal 25°C, maximal 150°C, bevorzugt T=100°C, - Dem reduzierten Schwachgas(l) Wasserstoff über die Mischkammer(6) hinzugefügt wird, um ein molare Verhältnis von Kohlenmonoxid(CO) zu Wasserstoff(H2) zu erreichen, minimal 1: 0,8, maximal 1:1,25, bevorzugt 1:1 - Das konzentrationsmässig verbesserte Schwachgas nach der Mischkammer über einen Volumenstromregler(7) geleitet wird, um den Volumenstrom zu regeln, minimal V=1 Nm3/h, maximal V= 1000 Nm3/h, bevorzugt V= 600 Nm3/h - Im Synthesegasreaktor(8) aus dem verbesserten Schwachgas Dimethyiether über direkte Synthese durch ein Gemisch an Katalysatoren erzeugt wird, Der Synthesegasreaktor(8) bei einem Druck von minimal p=30barü, maximal p=70 barü, bevorzugt p=50 barü betrieben wird - Der Synthesegasreaktor(8) bei einer Temperatur von minimal T=200°C, maximal T=300°C, bevorzugt T=250°C betrieben wird, - Der Synthesegas ein Gemisch aus Katalysatoren beinhaltet, für die Methanolsynthese aus CuO.ZnO und Al203, und für die Dehydration den Zeolith HSMZ-5 - Das Produktgas aus dem Synthesegasreaktor(8) auf ein Druck mit dem Drosselregler(9) gedrosselt wird, minimal p=10 barü, maximal p=25barü, bevorzugt p=15barü - Das Produktgas aus dem Synthesegasreaktor(S) auf eine Temperatur abgekühlt wird minimal T=25°C, maximal T=50°C, bevorzugt T=25°C - Das Produktgas aus dem Synthesegasreaktor(8) über den Wärmetauscher(10) in eine Gasphase und Flüssigphase getrennt wird, - Das flüssige Phase des Produktgases aus dem Synthesegasreaktor(8) aus einem Gemisch aus Dimethyiether, Methanol und Wasser besteht - Die flüssige Phase des Produktgases aus dem Synthesegasreaktor(8) im Tank(26) gespeichert wird - die gasförmige Phase des Produktgases aus dem Synthesegasreaktor(8) dem Verdichter(34) zugeführt wird - Die gasförmige Phase des Produktgases aus dem Synthesegasreaktor(21) aus folgenden Komponenten besteht, Kohlenmonoxid(CO), Kohlendioxid(C02), WasserstoffH2), Methan(CH4), Ethan(C2H4) - Flüssiges Kohlendioxid(C02) im Tank(13) über den Drosselregler(14) auf einen Druck entspannt wird, minimal p=30 barü, maximal P=60 barü, bevorzugt p=50barü - Flüssiges Kohlendioxid(C02) aus dem Schwachgas(l) abgeschieden im Wärmtauscher(3) dem Kohlendioxid(13) im Mischer(15) zugeführt wird, - das flüssige Kohlendioxid(C02) nach dem Mischer(15) im Wärmetauscher(16) verdampft wird und eine Temperatur aufweist minimal T= 25°C, maximal 150°C, bevorzugt T=100°C - im Mischer(t7) dem dampfförmigen Kohlendioxid(C02) aus dem Wärmetauscher(16) das Gasgemisch aus dem Refomierungsreaktor(3Q) zugeführt wird - Dem Gasgemisch aus Kohlendioxid und Wasserstoff(H2) nach dem Mischer(17) Wasserstoff(H2) in der Mischkammer(19) zugeführt wird, um ein molares Verhältnis von Kohlendioxid(C02) zu Wasserstoff(H2) zu erhalten, minimal 1:2,5, maximal 1: 3,5, bevorzugt 1:3 - Das aufbereitete Gasgemisch aus Kohlendioxid und Wasserstoff über den Volumenstromregler(20) dem Synthesereaktor(21) zugeführt wird - Der Volumenstromregler einen Volumenstrom des aufbereiteten Gasmisches regelt, minimal V= 1 Nm3/h, maximal V= 2000 Nm3/h, bevorzugt V=1000Nm3/h - Im Synthesegasreaktor(21) aus dem aufbereiteten Gasgemisch aus dem Mischer(19) Dimethylether über direkte Synthese durch ein Gemisch an Katalysatoren erzeugt wird, - Der Synthesegasreaktor(21) bei einem Druck von minimal p=30barü, maximal p=7Q barü, bevorzugt p=50 barü betrieben wird - Der Synthesegasreaktor(21) bei einer Temperatur von minimal T=200°C, maximal T=300°C, bevorzugt T=250°C betrieben wird, - Der Synthesegas ein Gemisch aus Katalysatoren beinhaltet, für die Methanolsynthese aus CuO.ZnO und Zr02, und für die Dehydration den Zeolith HSZM-5 - Das Produktgas aus dem Synthesegasreaktor(21) auf ein Druck mit dem Drosselregler(23) gedrosselt wird, minimal p=10 barü, maximal p=25barü, bevorzugt p=15barü - Das Produktgas aus dem Synthesegasreaktor(21) auf eine Temperatur abgekühlt wird minimal T=25°C, maximal T=50°C, bevorzugt T=25°C - Das Produktgas aus dem Synthesegasreaktor(21) über den Wärmetauscher(24) in eine Gasphase und Flüssigphase getrennt wird, - Das flüssige Phase des Produktgases aus dem Synthesegasreaktor(21) aus einem Gemisch aus Dimethylether, Methanol und Wasser besteht - Die flüssige Phase des Produktgases aus dem Synthesegasreaktor(21) im Tank(26) gespeichert wird - die gasförmige Phase des Produktgases aus dem Synthesegasreaktor(21) dem Verdichter(34) zugeführt wird - Die gasförmige Phase des Produktgases aus dem Synthesegasreaktor(21) aus folgenden Komponenten besteht, Kohlendioxid, Wasserstoff, Methan, Ethan - Der Verdichter(34) als hydraulisch angetriebener Linearkolbenverdichter ausgeführt ist - Der Reformierungsreaktor(30) aus der Basis des Verfahrens von trockener Reformierung mit zugeführtem externen Sauerstoff(02) (51) arbeitet - Der Reformierungsreaktor (30) mit einem Druck betrieben wird, minimal p=30barü, maximal p=50barü, bevorzugt p=50barü - Der Reformierungsreaktor (30) mit einer Temperatur betrieben wird, minimal T=400°C , maximal T=800°C, bevorzugt T=700°C - Der Reformierungsreaktor(30) mit einem Katalysator auf Ni-Basis betrieben wird - Das Produktgas aus dem Reformierungsreaktor(30) aus Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2) besteht - Das Produktgas aus dem Reformierungsreaktor(30) auf eine Temperatur abgekühlt wird, minimal T =25°C, maximal T=150°C, bevorzugt T=100°C - Das Produktgas aus dem Reformierungsreaktor(30) dem Mischer(17) zugeführt wird
- 2. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend die Pumpe(52), den Verdampfer(53), den Volumenstrom und Druckregler(56), gekennzeichnet dadurch, dass - Im Reformierungsreaktor(30) das Restgas aus den Synthesereaktoren(8,21) nach den Wärmetauschern (10,24) mittels Wasserdampfreformierung zu Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2) reformiert wird, - Der Dampf für den Reformierungsreaktor(30) aus dem Prozesswasser(49) gewonnen aus der Auftrennung der flüssigen Phase aus den Synthesereaktoren (8,21) gespeichert im Tank(26) der erzeugt wird - Das Prozesswasser(49) mit der Pumpe auf einen Verdampfungsdruck gebracht wird, minimal p=30barü, maximal p=70 barü, bevorzugt p=5Gbarü - im Wärmetauscher(53) das Prozesswasser(49) verdampft wird, minimal T= °C, maximal T= °C, bevorzugt T= °C, - der Prozessdampf über den Volumenstromregler(55) dem Reformierungsreaktor(30) zugeführt wird - Im Reformierungsreaktor das Gemisch aus Wasserdampf(H20) und Gasphasen aus dem Synthesegasreaktoren (8,21) zu einem Gemisch aus Kohlendioxid und Wasserstoff mit einem Katalysator auf Ni-Basis umgewandelt wird
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend die Pumpe(56), den Dehydrationsreaktor(58), den Drosselregler(60), den Kondensator(61), den Volumenstromregler(63), gekennzeichnet dadurch, dass - Das Methanol(45), das bei der Auftrennung der flüssigen Phase aus dem Wärmetauscher( 10,24), gespeichert im Tank(45), in die Stoffströme Dimethylether(38), Methanol(45) und Prozesswasser(49) - Das Methanol(45) wird mit der Pumpe(56) auf einen Druck gebracht, minimal p=10 barü, maximal p=70 barü, bevorzugt p=50 barü - Das Methanol(45) wird über den Druck und Volumenstromregler(57) dem Dehydrationsreaktor(58) zugeführt, mit einem Volumenstrom minimal V=0,1Nm3/h, maximal V=50 Nm3/h, bevorzugt V=1 Nm3/h - Im Dehydrationsreaktor(58) wird das Methanol(45) in ein Gasgemisch aus Dimethylether(DME), Wasserdampf(H20) und Methanol(MeOH) mittels eines Katalysators umgewandelt, - Der Dehydrationsreaktor(58) wird bei einer Temperatur von minimal T=200°C, maximal T=500°C, bevorzugt T=250°C betrieben - Im Dehydrationsreaktor(58) wird der Katalysator HSZM-5 verwendet - Das Gasgemisch wird über den Drosselregler(60) dem Wärmetauscher (61) zugeführt - Das Gasgemisch wird mit dem Drosselregler (60) auf einen Druck gedrosselt minimal p=10barü, maximal p=30barü, bevorzugt p=15barü - Das Gasgemisch wird im Wärmetauscher(61) auf eine Temperatur abgekühlt, minimal T=10°C, maximal T=50°C, bevorzugt T=25°C und als flüssige Phase dem Tank(26) zugeführt
- 4. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend die Pumpe(5Q), den Wärmetauscher(64), den Druckregler(65), den Elektrolyseur(66), den Volumenstromregler(67), gekennzeichnet dadurch, dass - Der Wasserstoff(5,18) aus dem Prozesswasser(49) über einen Elelktrolyseur(66) erzeugt wird Das Prozesswasser(49) wird über die Pumpe(50) auf einen Druck gebracht, minimal p=30 barü, maximal p=70 barü, bevorzugt p=5Q barü, - Das Prozesswasser(49) wird dann mit einem Wärmetauscher(64) erwärmt, und hat eine Temperatur minimal T=25°C, maximal T=95°C, bevorzugt T=85°C - Der Elektrlyseur(66) wird auf der Basis des Nassverfahrens mit der Lauge KOH zur Verbesserung der Leitfähigkeit betrieben - Die elektrische Energie(69) wird extern zugeführt und beträgt für die Erzeugung des Wasserstoffes(H2) minimal P=3,1kWh/ Nm3 H2, maximal P=5 kWh/Nm3 H2, bevorzugt P=4,1 kWh/Nm3 H2 - Das Produktgas Wasserstoff(H2) aus dem Elektrolyseur(66) wird über einen Volumenstromregler(67) geführt, minimal V= 1Nm3/h, maximal V= 1000 Nm3/h, bevorzugt V= 250 Nm3/h - Das Produktgas Wasserstoff(H2) aus dem Elektrolyseur(66) wird über die Volumenstromregler (5,18) dem Schwachgas(l) im Mischer(6) und dem Synthesegas(13) im Mischer(19) zugeführt - Der in der Elektrolyse(66) anfallende Sauerstoff(68) wird bei dem Verfahren der trockenen Reformierung der Reformierreaktor(30) zugeführt.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend den Regler(70) und die Messgeber (71), (75), den Messgeber(79) Gekennzeichnet dadurch, dass die Konzentrationsmessung (71) der Stoffkomponenten Kohlenmonoxid(CO), Wasserstoff(H2) und Kohlendioxid(C02) des Schwachgases(f) erfasst werden, Die Konzentrationsmessung (75) der Stoffkomponenten Kohlenmonoxid(CO), Wasserstoff(H2) und Kohlendioxid(C02) des Schwachgases(l) nach der Abscheidung von Kohlendioxid(C02) erfasst werden Basierend auf den Messdaten der Messgeber (71,75) der Anteil an Wasserstoff(H2) Messgeber(79) der im Mischer(6) zugeführt so geregelt wird, dass das molare Verhältnis Kohlenmonoxid(CO) und Wasserstoff(H2) nach dem Mischer den Wert minimal 1:0,8, maximal 1:1,2 und bevorzugt 1:1 aufweist
- 6. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend den Regler(70) und die Messgeber (91), dem Messgeber(95) und dem Messgeber(83) Gekennzeichnet dadurch, dass die Konzentrationsmessung (91) der Stoffkomponenten Kohlendioxid(C02), Wasserstoff(H2) des Synthesegases aus dem Wärmetauscher(33) des Refomierungsreaktors(30) erfasst werden, Die Konzentrationsmessung (95) der Stoffkomponenten Kohlendioxid(C02), Wasserstoff(H2) des Synthesegases aus dem Mischer(17) erfasst werden Basierend auf den Messdaten der Messgeber (91,95) der Anteil an Wasserstoff(H2) Messgeber(83) der im Mischer(19) zugeführt so geregelt wird, dass das molare Verhältnis Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2) nach dem Mischer(19) den Wert minimal 1:2,5, maximal 1:3,5 und bevorzugt 1:3 aufweist
- 7. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend den Regler(70) und die Messgeber (99), Messgeber(87) und die Messgeber(103) Gekennzeichnet dadurch, dass die Konzentrationsmessung (99) der Stoffkomponenten Kohlendioxid(CO), Methan(CH4) und Ethan(C2H4) der gasförmigen Anteile aus dem Produktgas des Synthegasreaktors(21) aus dem Wärmetauscher(24) erfasst werden, Die Konzentrationsmessung (87) der Stoffkomponenten Kohlendioxid(CQ), Methan(CH4) und Ethan(C2H4) der gasförmigen Anteile aus dem Produktgas des Schwachgasreaktors(8) aus dem Wärmetauscher(10) erfasst werden, Basierend auf den Messdaten der Messgeber (99,87) der Anteil an Wasserdampf(H20) Messgeber(103) der Refomierungsreaktor(30) zugeführt wird, so geregelt wird, dass die oixidierbaren Stoffe Kohlenmonoxid(CO), Methan(CH4) und Ethan(C2H4) vollständig zu Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2) umgewandelt werden, und Restkonzentrationen an Methan(CH4), Ethan(C2H4) und Kohlenmonoxid(CO) verbleiben minimal V= 0 %, maximal V = 0,1Vol%, bevorzugt V=0%
- 8. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend den Regler(70) und die Messgeber (99), Messgeber(87) und die Messgeber(107) Gekennzeichnet dadurch, dass die Konzentrationsmessung (99) der Stoffkomponenten Kohlendioxid(CO), Methan(CH4) und Ethan(C2H4) der gasförmigen Anteile aus dem Produktgas des Synthegasreaktors(21) aus dem Wärmetauscher(24) erfasst werden, Die Konzentrationsmessung (87) der Stoffkomponenten Kohlendioxid(CO), Methan(CH4) und Ethan(C2H4) der gasförmigen Anteile aus dem Produktgas des Schwachgasreaktors(8) aus dem Wärmetauscher(IO) erfasst werden, Basierend auf den Messdaten der Messgeber (99,87) der Anteil an Sauerstoff(02)(68) Messgeber(107) der Refomierungsreaktor(30) zugeführt wird, so geregelt wird, dass die oixidierbaren Stoffe Kohlenmonoxid(CO), Methan(CH4) und Ethan(C2H4) vollständig zu Kohlendioxid(C02) und Wasserstoff(H2) umgewandelt werden, und Restkonzentrationen an Methan(CH4), Ethan(C2H4) und Kohlenmonoxid(CO) verbleiben minimal V= 0 %, maximal V = 0,1Vol%, bevorzugt V=0%
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2004091327A (ja) * | 2002-08-29 | 2004-03-25 | Jfe Holdings Inc | ジメチルエーテルの分離方法 |
| WO2005026093A1 (en) * | 2003-09-17 | 2005-03-24 | Korea Institute Of Science And Technology | Method for the production of dimethyl ether |
| WO2015106953A1 (de) * | 2014-01-16 | 2015-07-23 | Linde Aktiengesellschaft | Verfahren und vorrichtung zur direkten dme-synthese |
-
2017
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