IT201900008277A1

IT201900008277A1 - Processo di produzione di idrogeno

Info

Publication number: IT201900008277A1
Application number: IT102019000008277A
Authority: IT
Inventors: Fabio Ruggeri; Luca Mancuso; Valentina Depetri
Original assignee: Amec Foster Wheeler Italiana S R L
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2020-12-06
Also published as: CN114401921A; US20220324706A1; ES2961493T3; PL3980372T3; EP3980372A1; WO2020245794A1; CA3142556A1; FI3980372T3; AU2020288419A1; EP3980372B1

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“PROCESSO DI PRODUZIONE DI IDROGENO”

La presente invenzione riguarda un processo per la produzione di idrogeno, in particolare (ma non solo) da materie prime rinnovabili ottenute da biomasse.

La produzione di idrogeno, in particolare a fini di generazione di energia, è un settore di interesse crescente.

Anche la produzione di idrogeno deve comunque affrontare problemi di efficienza energetica e di emissioni di carbonio in atmosfera.

Al momento, l’idrogeno è comunemente prodotto su larga scala tramite processi di reforming con vapore di gas naturale. Questi processi comportano però elevate emissioni di CO2.

Un modo per ridurre le emissioni di CO2 è quello di produrre l’idrogeno da fonti rinnovabili anziché dai tradizionali idrocarburi.

È noto, per esempio, produrre idrogeno tramite reazioni di reforming con vapore di etanolo ottenuto da biomasse.

I processi noti per la produzione di idrogeno basati su reazioni di reforming di materie prime rinnovabili non sembrano però pienamente soddisfacenti, in particolare in termini di efficienza energetica e costi di impianto ed esercizio.

In alternativa, sempre allo scopo di evitare emissioni di CO2, è anche noto produrre idrogeno tramite elettrolisi. La produzione di idrogeno per elettrolisi richiede però consumi energetici e in definitiva costi decisamente elevati.

È uno scopo della presente invenzione quello di fornire un processo per la produzione di idrogeno che superi gli inconvenienti qui evidenziati della tecnica nota.

È quindi uno scopo particolare dell’invenzione quello di fornire un’alternativa parimenti efficace e possibilmente più semplice ed economica per la produzione di idrogeno rispetto alle tecnologie note.

È un ulteriore scopo particolare dell’invenzione quello di fornire un processo di produzione di idrogeno che soddisfi le crescenti richieste di elevata efficienza e basse emissioni di CO2.

La presente invenzione è dunque relativa a un processo per la produzione di idrogeno come definito in termini essenziali nell’annessa rivendicazione 1.

Caratteri ausiliari preferiti dell’invenzione sono definiti nelle rivendicazioni dipendenti.

In accordo all’invenzione, l’idrogeno viene prodotto tramite reforming a vapore di una materia prima di partenza rinnovabile, per esempio etanolo da biomasse.

Preferibilmente (ma non necessariamente), la materia prima trattata è etanolo; infatti, l’etanolo è una materia prima rinnovabile, che può essere prodotta da diversi tipi di biomasse; ha bassi costi di produzione; è facile e sicuro da trattare.

Il processo dell’invenzione può comunque impiegare anche altre materie prime rinnovabili, ad esempio: alcoli (come etanolo, glicerolo, eccetera), oli vegetali (olio di soia, olio di palma, eccetera), bio-oli (olio di pirolisi) e similari.

In alternativa, comunque, il processo dell’invenzione può impiegare anche materie prime idrocarburiche, come ad esempio gasolio sottovuoto (Vacuum Gas Oil - VGO), oli combustibili leggeri, oli deasfaltati (che però richiedono trattamenti preliminari, in particolare di desolforazione).

Rispetto ai processi di reforming a vapore della tecnica nota, l’invenzione prevede alcune modifiche distintive che rendono il processo nel suo complesso più efficiente e vantaggioso.

In particolare, le modifiche principali riguardano le condizioni operative (in particolare, la pressione parziale di idrogeno) e l’uso di speciali apparecchiature (in particolare, un eiettore invece di un tradizionale compressore) per il ricircolo dell’idrogeno.

L’invenzione fornisce così un processo per la produzione di idrogeno che, in modo semplice, economico e pienamente efficace, evita problemi e inconvenienti della tecnica nota e costituisce quindi una valida alternativa alle tecnologie note.

In particolare, il processo dell’invenzione soddisfa pienamente le crescenti richieste di elevata efficienza e basse emissioni di CO2.

Il processo dell’invenzione, oltre ad essere economicamente competitivo, permette inoltre di produrre un gas di sintesi che, a differenza di quello ottenuto per esempio per elettrolisi, è idoneo all’uso in varie applicazioni, comprese la produzione di specie chimiche che richiedono idrogeno ad elevata concentrazione, senza richiedere trattamenti supplementari.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un suo esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alle figure annesse in cui:

- la figura 1 è uno schema a blocchi di un impianto operante in attuazione del processo di produzione di idrogeno in accordo all’invenzione;

- la figura 2 è un diagramma ternario C-H-O che illustra alcune condizioni operative selezionate per il processo dell’invenzione.

In figura 1, è indicato con 1 un impianto per la produzione di idrogeno in attuazione del processo dell’invenzione.

L’impianto 1 comprende una sezione di reforming 2 e una sezione di separazione 3, collegate in serie da una linea di collegamento 4.

Una materia prima da trattare, per esempio etanolo prodotto da biomasse, è alimentata alla sezione di reforming 2 attraverso una linea di alimentazione 5.

La materia prima trattata può essere, oltre che etanolo, un’altra materia prima rinnovabile, ottenuta da biomasse o altro; per esempio, possono essere impiegate nel processo dell’invenzione materie prime quali: alcoli (come etanolo, glicerolo, eccetera), oli vegetali (olio di soia, olio di palma, eccetera), bio-oli (olio di pirolisi) e similari.

In alternativa, il processo dell’invenzione può impiegare anche materie prime idrocarburiche, come ad esempio gasolio sottovuoto (Vacuum Gas Oil - VGO), oli combustibili leggeri, oli deasfaltati (che però richiedono trattamenti preliminari, in particolare di desolforazione).

La sezione di reforming 2 comprende almeno un reattore di reforming con vapore, provvisto di un catalizzatore per reazioni di reforming.

La materia prima viene alimentata alla sezione di reforming 2 insieme a un flusso di vapore, che proviene nella fattispecie da una linea di alimentazione ausiliaria 6 che si innesta sulla linea di alimentazione 5 a valle della sezione di reforming 2, come ulteriormente descritto nel seguito.

Nella sezione di reforming 2 la materia prima è posta in contatto con il catalizzatore in presenza del vapore ed è soggetta a reazioni di reforming con formazione di idrogeno.

Dalla sezione di reforming 2 si ottiene un flusso riformato di idrogeno grezzo che è inviato, attraverso la linea di collegamento 4, alla sezione di separazione 3, dove è condotta una fase di separazione per aumentare la concentrazione di idrogeno.

La sezione di separazione 3 è, per esempio, del tipo ad assorbimento a pressione oscillante (PSA - Pressure swing adsorption) e include quindi almeno una unità PSA dove il flusso gassoso ad alta pressione proveniente dalla sezione di reforming contatta un materiale poroso di adsorbimento selettivo.

Le specie catturate ad alta pressione dal materiale di adsorbimento sono poi rilasciate a seguito di una riduzione di pressione.

La sezione di separazione 3 separa un flusso di idrogeno ad alta concentrazione, che transita in una linea di uscita idrogeno 8, da un flusso gassoso di recupero (contenente CO2, metano residuo, eccetera) che viene ricircolato attraverso una linea gas 9 alla sezione di reforming 2.

Una frazione dell’idrogeno ad alta concentrazione uscente dalla sezione di separazione 3 è prelevata dalla linea di uscita idrogeno 8 e ricircolata in ingresso alla sezione di reforming 2, tramite una linea di ricircolo 10.

La linea di ricircolo 10 è provvista di un eiettore 11 che usa come fluido motore per il ricircolo dell’idrogeno un flusso di vapore proveniente dalla sezione di reforming 2, prelevato dalla sezione di reforming 2 tramite una linea vapore 12.

L’eiettore 11 ha quindi un ingresso idrogeno, collegato alla linea di ricircolo 10, e un ingresso vapore, collegato alla linea vapore 12, e utilizza l’energia cinetica del flusso di vapore (fluido motore) per trascinare il flusso di idrogeno (flusso mosso).

L’eiettore 11 ha un’uscita collegata alla linea di alimentazione ausiliaria 6 che si innesta sulla linea di alimentazione 5 a monte della sezione di reforming 2 per fornire vapore alla sezione di reforming.

In accordo all’invenzione, la fase di reforming con vapore è condotta in condizioni termodinamiche selezionate.

In particolare, in un diagramma ternario C-O-H (figura 2), il reforming è condotto in una zona con H compreso tra 40 e 90%, carbonio compreso tra 0 e 30%, ossigeno compreso tra 40 e 80%.

Per questo scopo, si ricircola alla fase di reforming condotta nella sezione di reforming 2 una porzione dell’idrogeno ad alta concentrazione uscente dalla fase di separazione (cioè dalla sezione di separazione 3), risultante in una frazione su base secca di idrogeno in ingresso alla sezione di reforming 2 superiore o uguale a 50%, preferibilmente superiore o uguale a 70% o più.

Le condizioni di processo della fase di reforming sono quindi significativamente differenti da quelle tipiche dei processi di reforming della tecnica nota (alcune indicate nel diagramma di figura 2 a titolo comparativo).

Il processo è vantaggiosamente condotto senza fornire vapore dall’esterno, e senza necessariamente produrre vapore verso l’esterno.

Il processo è altresì vantaggiosamente condotto senza necessariamente fornire combustibile supplementare dall’esterno.

Resta infine inteso che al processo qui descritto ed illustrato possono essere apportate ulteriori modifiche e varianti che non escono dall’ambito delle annesse rivendicazioni.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Processo per la produzione di idrogeno, comprendente una fase di reforming di una materia prima contenente carbonio per ottenere un flusso riformato di idrogeno grezzo; una fase di separazione del flusso riformato di idrogeno grezzo per aumentare la concentrazione di idrogeno e separare un flusso di idrogeno ad alta concentrazione da un flusso gassoso di recupero; una fase di ricircolo di una frazione dell’idrogeno ad alta concentrazione prodotto nella fase di separazione alla fase di reforming insieme a un flusso di vapore.
2. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui la materia prima è una materia prima da fonti rinnovabili scelta nel gruppo costituito da: alcoli, ad esempio etanolo o glicerolo; oli vegetali, ad esempio olio di soia, olio di palma, eccetera; bio-oli o oli di pirolisi.
3. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui la materia prima è etanolo prodotto da biomasse.
4. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la fase di reforming è una fase di reforming catalitico con vapore, in cui la materia prima è posta in contatto con un catalizzatore in presenza di vapore ed è soggetta a reazioni di reforming con formazione di idrogeno.
5. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la fase di separazione è condotta tramite assorbimento a pressione oscillante su un materiale poroso di adsorbimento selettivo.
6. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la fase di ricircolo è condotta tramite un eiettore che usa come fluido motore per il ricircolo dell’idrogeno un flusso di vapore proveniente dalla fase di reforming.
7. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente una fase di ricircolo gas, in cui il flusso gassoso di recupero separato nella fase di separazione è ricircolato alla fase di reforming.
8. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la fase di reforming è condotta in condizioni termodinamiche selezionate in modo da operare, in un diagramma ternario C-O-H, in una zona con H compreso tra 40 e 90%, carbonio compreso tra 0 e 30%, ossigeno compreso tra 40 e 80%.
9. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la porzione dell’idrogeno ad alta concentrazione uscente dalla fase di separazione che viene ricircolata nella fase di ricircolo alla fase di reforming è selezionata in modo da risultare in una frazione su base secca di idrogeno in ingresso alla fase di reforming superiore o uguale a 50%, preferibilmente superiore o uguale a 70% o più.
10. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il processo è condotto senza fornire vapore dall’esterno, e senza necessariamente produrre vapore verso l’esterno.