(57) Реферат / Формула:
Обеспечиваются способы и системы для конверсии метана в синтез-газ. Некоторые типичные способы и системы включают реакцию метана и диоксида углерода с катализатором на основе оксида никеля в реакционной камере, при этом давая синтез-газ и восстановленные частицы никеля. Восстановленные частицы никеля можно регенерировать окислением при помощи воздуха в регенерационной камере, при этом получая регенерированный оксид никеля и тепло. Регенерированный оксид никеля и тепло можно возвращать в реакционную камеру для активации реакции получения синтез-газа.
Евразийское (21) 201791599 (13) A1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки 2017.12.29
(22) Дата подачи заявки 2016.02.04
(51) Int. Cl.
B01J 8/18 (2006.01) B01J38/12 (2006.01) C01B 3/40 (2006.01)
(54) СПОСОБЫ КОНВЕРСИИ МЕТАНА В СИНТЕЗ-ГАЗ
(31) 62/116,134
(32) 2015.02.13
(33) US
(86) PCT/US2016/016503
(87) WO 2016/130393 2016.08.18
(71) Заявитель:
САБИК ГЛОБАЛ ТЕКНОЛОДЖИС Б.В. (NL)
(72) Изобретатель: Мамедов Агаддин (US)
(74) Представитель:
Гизатуллина Е.М., Угрюмов В.М., Карпенко О.Ю., Строкова О.В. (RU)
(57) Обеспечиваются способы и системы для конверсии метана в синтез-газ. Некоторые типичные способы и системы включают реакцию метана и диоксида углерода с катализатором на основе оксида никеля в реакционной камере, при этом давая синтез-газ и восстановленные частицы никеля. Восстановленные частицы никеля можно регенерировать окислением при помощи воздуха в ре-генерационной камере, при этом получая регенерированный оксид никеля и тепло. Регенерированный оксид никеля и тепло можно возвращать в реакционную камеру для активации реакции получения синтез-газа.
V-106
СПОСОБЫ КОНВЕРСИИ МЕТАНА В СИНТЕЗ-ГАЗ
ОПИСАНИЕ Ссылка на родственные заявки
Согласно настоящей заявке испрашивается приоритет в соответствии с предварительной заявкой на выдачу патента США №62/116134, поданной 13 февраля 2015 г., которая таким образом включена ссылкой во всей своей полноте.
Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Раскрытый в настоящем документе объект относится к способам и системам для конверсии метана в газ для химического синтеза (синтез-газ).
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Газ для химического синтеза, также известный как синтез-газ, представляет собой газообразную смесь, содержащую водород (ГЬ) и монооксид углерода (СО). Синтез-газ может также содержать диоксид углерода (СО2). Синтез-газ представляет собой химическое сырье, которое можно использовать в ряде применений. Например, синтез-газ можно использовать для получения жидких углеводородов, включая олефины (например, этилен (С2Н4)), посредством процесса синтеза Фишера-Тропша. Синтез-газ можно также использовать для получения метанола (СНзОН).
Синтез-газ обычно получают в больших масштабах из метана (СН4), например, посредством процесса парового риформинга или посредством окислительного риформинга с кислородом (О2). Существующие способы могут иметь недостатки. Например, на процессы парового риформинга может влиять образование кокса, что может требовать периодической регенерации катализатора. Процессы парового риформинга могут также быть сильно эндотермическими и энергоемкими. Окислительный риформинг с кислородом может быть сильно экзотермическим и может, следовательно, вызывать проблематичный экзотермический эффект.
Альтернативный способ конверсии метана в синтез-газ может представлять собой автотермический риформинг. При автотермическом риформинге часть метана
может сгорать с кислородом с получением диоксида углерода и воды согласно химическому уравнению (1):
СН4 + 202 -> С02 + 2Н20 (1). Реакция горения является экзотермической и дает тепло. Дополнительные порции метана могут затем подвергаться сухому риформингу с диоксидом углерода согласно химическому уравнению (2) и паровому риформингу с водой согласно химическому уравнению (3) с получением синтез-газа:
СН4 + С02 -> 2СО + 2Н2 (2),
СН4 + Н20 -> СО + ЗН2 (3). Тепло, выделяющееся при реакции горения (1), может способствовать реакциям эндотермического сухого риформинга (2) и парового риформинга (3). Таким образом, потребление энергии можно снизить по сравнению со стандартными процессами сухого риформинга и парового риформинга.
Однако, процессы автотермического риформинга, как указано выше, могут иметь недостатки. Автотермический риформинг может требовать использования чистого кислорода на стадии горения. Чистый кислород может быть дорогостоящим сырьем.
Таким образом, остается необходимость в улучшенных способах и системах для конверсии метана в синтез-газ, включая способы и системы, в которых исключается необходимость в чистом кислороде в качестве сырья, в то же время также снижается общее потребление энергии.
Краткое описание раскрытого объекта
Раскрытый в настоящем документе объект обеспечивает способы и системы для конверсии метана в синтез-газ, т.е. способам и системам для получения синтез-газа из метана.
Согласно одному варианту осуществления типичный способ получения синтез-газа может предусматривать обеспечение реакционной камеры и регенерационной камеры. Реакционная камера может содержать оксид никеля. Способ может дополнительно предусматривать подачу метана и диоксида углерода в реакционную камеру, при этом происходит контакт метана и диоксида углерода с оксидом никеля для получения синтез-газа и восстановленных частиц никеля. Способ может дополнительно предусматривать отведение восстановленных частиц никеля из реакционной камеры в регенерационную камеру. Способ может дополнительно предусматривать подачу
воздуха в регенерационную камеру, при этом происходит контакт воздуха с восстановленными частицами никеля с получением регенерированного оксида никеля и тепла. Способ может дополнительно предусматривать отведение регенерированного оксида никеля и тепла из регенерационной камеры в реакционную камеру.
Согласно одному варианту осуществления типичная система для использования при конверсии метана в синтез-газ может содержать реакционную камеру, регенерационную камеру и систему циркуляции. Реакционная камера может содержать восстановленные частицы никеля. Регенерационная камера может содержать регенерированный оксид никеля. Система циркуляции может быть сконструирована для подачи восстановленных частиц никеля из реакционной камеры в регенерационную камеру и для подачи регенерированного оксида никеля из регенерационной камеры в реакционную камеру.
В некоторых вариантах осуществления оксид никеля может содержать твердый носитель. Твердый носитель может содержать оксид, выбранный из группы, состоящей из оксида алюминия, оксида магния и диоксида кремния.
Оксид никеля может содержать частицы с диаметром от приблизительно 200 мкм до приблизительно 400 мкм.
Согласно некоторым вариантам осуществления никель может содержать промотор. Промотор может содержать оксид, выбранный из группы, состоящей из оксида лантана (III), оксида церия (III), оксида платины (II), оксида бария, оксида кальция и оксида калия.
Согласно некоторым вариантам осуществления температура в реакционной камере может составлять от приблизительно 650°С до приблизительно 1050°С. Температура в реакционной камере может составлять от приблизительно 750°С до приблизительно 850°С. Согласно некоторым вариантам осуществления температура в реакционной камере может составлять от приблизительно 450°С до приблизительно 850°С. Температура в реакционной камере может составлять от приблизительно 550°С до приблизительно 750°С.
Согласно некоторым вариантам осуществления способ может предусматривать отвеление СО2 из регенерационной камеры в реакционную камеру.
Согласно некоторым вариантам осуществления система может содержать вертикальную колонну.
Краткое описание фигур
На фиг. 1 представлена принципиальная схема, показывающая типичную систему, которую можно использовать совместно со способами конверсии метана в синтез-газ согласно раскрытому в настоящем документе объекту.
На фиг. 2 представлена другая принципиальная схема, показывающая типичную систему, которую можно использовать совместно со способами конверсии метана в синтез-газ согласно раскрытому в настоящем документе объекту.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
Раскрытый в настоящем документе объект обеспечивает способы и системы для конверсии метана в газ для химического синтеза (синтез-газ), т.е. смеси монооксида углерода и водорода. Как указано выше, существует необходимость в улучшенных способах и системах, которые могут обеспечивать синтез-газ из метана без необходимости в дорогостоящем чистом кислороде и с улучшенной энергоэффективностью. Раскрытый в настоящем документе объект обеспечивает способы и системы, в которых метан реагирует с диоксидом углерода и катализатором на основе оксида никеля, например, смешанными оксидами на основе Ni. Реакцию можно проводить в реакционной камере, где монооксид углерода, водород и вода образуются вместе с восстановленными частицами никеля. Восстановленные частицы никеля могут быть покрыты частицами кокса. Восстановленные частицы никеля можно циркулировать при помощи системы циркуляции из реакционной камеры в регенерационную камеру. Воздух можно подавать в регенерационную камеру, а восстановленные частицы никеля могут сгорать с получением регенерированного оксида никеля. Частицы кокса на частицах никеля могут также сгорать, создавая диоксид углерода и тепло. Регенерированный оксид никеля можно затем циркулировать при помощи системы циркуляции назад в реакционную камеру для катализа дальнейших реакций метана. Диоксид углерода и тепло, создаваемое в регенерационной камере, можно также циркулировать в реакционную камеру для активации реакции метана в синтез-газ. Таким образом, воздух можно дополнительно использовать в качестве окислителя, а не чистый кислород, и общее потребление энергии можно снижать. Раскрытые в настоящем документе способы и системы могут иметь преимущества относительно существующих способов и систем, как описано ниже, включая улучшенную эффективность, сниженное энергопотребление и сниженную стоимость.
При использовании в настоящем документе выражение "приблизительно" или "примерно" означает в пределах диапазона приемлемой погрешности для конкретного значения, определенного специалистом в данной области техники, что будет зависеть отчасти от того, как значение измеряют или определяют, т.е. ограничений системы измерения. Например, "приблизительно" может означать диапазон до 20%, до 10%, до 5% и/или до 1% заданного значения.
Стадии реакции и регенерации
Реакцию метана с диоксидом углерода и оксидом никеля можно описать как окисление метана и можно обозначить как "стадия реакции" согласно химическому уравнению (4):
2СЩ + С02 + МО -> 2СО + ЗН2 + Н20 + М.С* (4). "МО" представляет типичный оксид никеля и не обязательно представляет собой именно оксид никеля (II) (МО); МО может также представлять оксид М (III) (М20з), а также смешанные оксиды никеля, например, смесь оксидов М (II) и М (III). "М.С*" представляет типичные восстановленные частицы никеля, которые могут быть покрыты частицами кокса (твердыми частицами углерода). М.С* может представлять собой никель в различных степенях окисления, например, металлический никель (М (0)) или смесь М (0) и М (II), и с различными количествами присутствующего кокса. Стадия реакции может давать смесь монооксида углерода, водорода, воды и восстановленных частиц никеля. Стадия реакции может быть эндотермической и расходовать тепло.
Реакцию восстановленных частиц никеля с кислородом можно описать как окисление восстановленных частиц никеля и можно обозначить как "стадию регенерации" согласно химическому уравнению (5):
М.С*+ 02^МО + С02 (5). "02" представляет молекулярный кислород, но следует понимать, что источник кислорода не обязательно является чистым кислородом, а может вместо этого включать более разбавленные источники кислорода, например, воздух. Стадия регенерации может давать регенерированный оксид никеля и диоксид углерода. Стадия регенерации может быть экзотермической и может давать тепло.
Стадию реакции согласно химическому уравнению (4) и стадию регенерации согласно химическому уравнению (5) можно объединять в общий химический процесс (6):
2СЩ+ 1,5 02 ^ 2СО + ЗН2 + Н20 (6).
Поскольку оксид никеля расходовался на стадии реакции (4) и регенерировался на стадии регенерации (5), никель рециркулирует по всему способу (6) и может использоваться каталитически.
Оксиды никеля
Используемый оксид никеля может включать оксид Ni (II), оксид Ni (III) и их комбинации. Оксид никеля может представлять собой смешанный оксид никеля, например, смесь оксидов Ni (II) и Ni (III). Оксид никеля может включать некоторое количество металлического никеля, т.е. Ni (0).
Оксид никеля может включать один или несколько дополнительных металлов. Согласно некоторым вариантам осуществления дополнительный металл(ы) можно описать как промотор. Согласно некоторым вариантам осуществления дополнительный металл(ы) может быть металлом, который, когда содержится с оксидом никеля или другими частицами никеля, может изменять окислительно-восстановительные свойства оксида никеля или других частиц никеля. Например, дополнительный металл(ы) может ускорять окисление восстановленных частиц никеля до оксида никеля. Ускорение окисления восстановленных частиц никеля до оксида никеля может снижать количество металлического никеля (Ni (0)), находящееся в системе и может снижать образование кокса. Согласно некоторым вариантам осуществления металл(ы) может представлять собой металл, который, когда содержится с оксидом никеля или другими частицами никеля, может делать частицы никеля более основными, что может снижать образование кокса.
В качестве неограничивающего примера оксид никеля может содержать один или несколько дополнительных оксидов металлов, выбранных из группы, состоящей из оксидов хрома (например, СггОз), оксидов марганца (например, MnO, М11О2, МщОз или МП2О7), оксидов меди (например, СиО), оксидов вольфрама (например, WO3), оксидов лантана (например, ЬагОз (оксид лантана (Ш))), оксидов церия (например, СегОз (оксид церия (III))), оксидов платины (например, PtO (оксид платины (II))), оксидов тория (например, TI1O2 (оксид тория (IV))), оксидов вольфрама (например, WO3 (оксид вольфрама (VI))), оксидов индия (например, I112O3 (оксид индия (III))), оксидов бария (например, ВаО), оксидов кальция (например, СаО) и оксидов калия (например, К2О) и их комбинаций. Согласно некоторым вариантам осуществления оксид никеля может содержать промотор, который включает один или несколько оксидов, выбранных из группы, состоящей из оксида лантана (III), оксида церия (III), оксида платины (II),
оксида бария, оксида кальция и оксида калия. В некоторых вариантах осуществления катализатор может содержать оксиды двух, трех, четырех или более различных металлов (элементов).
Оксид никеля может содержать твердый носитель. А именно, оксид никеля может иметь твердый носитель. В некоторых вариантах осуществления твердый носитель может включать различные соли металлов, оксиды металлоидов и оксиды металлов, например, диоксид титана (оксид титана), диоксид циркония (оксид циркония), диоксид кремния (оксид кремния), глинозем (оксид алюминия), диоксид тория (оксид тория), окись магния (оксид магния) и хлорид магния. В некоторых вариантах осуществления твердый носитель может содержать оксид алюминия (АЬОз), диоксид кремния (SiOi), оксид магния (MgO) или их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления твердый носитель может содержать оксид лантана (III) (ЬагОз). Когда оксид никеля содержит твердый носитель, катализатор может содержать никель в количестве от приблизительно 2 масс. % до приблизительно 15 масс. % относительно общей массы катализатора, а остаток катализатора может представлять собой твердый носитель и необязательно промотор. В некоторых вариантах осуществления катализатор может содержать никель в количестве от приблизительно 8 масс. % до приблизительно 10 масс. % относительно общей массы катализатора. Согласно некоторым вариантам осуществления катализатор может содержать промотор (дополнительный металл(ы)) в количестве от приблизительно 4 масс. % до приблизительно 5 масс. % относительно общей массы катализатора.
Согласно некоторым вариантам осуществления оксид никеля можно использовать без твердого носителя. А именно, оксид никеля можно использовать как оксид насыпом.
Оксид никеля при использовании с твердым носителем или без него может иметь определенный размер или диаметр частиц. Диаметр можно охарактеризовать как средний диаметр распределения частиц по размерам. Согласно некоторым вариантам осуществления оксид никеля может содержать частицы с диаметром от приблизительно 150 мкм до приблизительно 600 мкм, например, приблизительно 150 мкм, приблизительно 200 мкм, приблизительно 250 мкм, приблизительно 300 мкм, приблизительно 350 мкм, приблизительно 400 мкм, приблизительно 450 мкм, приблизительно 500 мкм, приблизительно 550 мкм или приблизительно 600 мкм. Согласно некоторым вариантам осуществления оксид никеля может содержать частицы с диаметром от приблизительно 150 мкм до приблизительно 350 мкм или от
приблизительно 200 мкм до приблизительно 400 мкм. Оксид никеля может находиться в виде гранул, пеллет и/или других частиц.
Системы и способы конверсии метана в синтез-газ
С целью иллюстрации, а не ограничения, фиг. 1 и 2 представляет схематическое изображение типичных систем, которые можно использовать совместно со способами раскрытого в настоящем документе объекта. Система 100, 200 может содержать реакционную камеру 102, 202 и регенерационную камеру 104, 204. Реакционная камера 102, 202 может содержать восстановленные частицы никеля. Регенерационная камера 104, 204 может содержать регенерированный оксид никеля. Система 100, 200 может также содержать систему циркуляции, которая соединяет реакционную камеру 102, 202 и регенерационную камеру 104, 204. Система циркуляции может быть сконструирована для подачи восстановленных частиц никеля из реакционной камеры 102, 202 в регенерационную камеру 104, 204 посредством потока 110, 210 и для подачи регенерированного оксида никеля из регенерационной камеры 104, 204 в реакционную камеру 102, 202 посредством потока 114, 214.
Реакционная камера 102, 202 и регенерационная камера 104, 204 могут иметь различные конструкции, известные в данной области техники. Согласно некоторым вариантам осуществления камеры 102, 104, 202, 204 могут представлять собой реакторы идеального вытеснения с неподвижным слоем катализатора. Согласно некоторым вариантам осуществления камеры 102, 104, 202, 204 могут представлять собой реакторы с псевдоожиженным слоем или лифт-реакторы. Согласно некоторым вариантам осуществления система 100, 200 может содержать вертикальную колонну.
Согласно типичному варианту осуществления способ получения синтез-газа может предусматривать обеспечение системы 100, 200, указанной выше, которая содержит реакционную камеру 102, 202 и регенерационную камеру 104, 204. Реакционная камера 102, 202 может содержать оксид никеля. Метан и диоксид углерода можно подавать в реакционную камеру 102, 202 посредством потока 106, 206. Метан и диоксид углерода, поданные в реакционную камеру 102, 202, могут быть сухими (т.е. не содержать или практически не содержать воду). Способ может представлять собой непрерывный способ. Другими словами, система 100, 200 может работать непрерывно.
Согласно некоторым вариантам осуществления соотношение метана к диоксиду углерода (CH^CCh), подаваемых в реакционную камеру 102, 202, может составлять от приблизительно 2:1 до приблизительно 1:2, молымоль. Согласно некоторым вариантам
осуществления соотношение метана к диоксиду углерода (СН^ССЬ), подаваемых в реакционную камеру 102, 202, может составлять приблизительно 2:1. Изменение соотношения метана к диоксиду углерода может влиять на состав синтез-газа, полученного в системе 100, 200.
Метан и диоксид углерода могут контактировать с катализатором на основе оксида никеля в реакционной камере 102, 202 для получения синтез-газа (монооксида углерода и водорода), а также воды. Синтез-газ, полученный при этом, можно отводить из реакционной камеры 102, 202 посредством потока 108, 208 продукта. Воду также можно отводить посредством потока 108, 208.
Согласно некоторым вариантам осуществления синтез-газ, отведенный посредством потока 108, 208 продукта, может иметь соотношение водород:монооксид углерода (Н^СО) от приблизительно 1,5:1 до приблизительно 3:1, например, приблизительно 2:1.
Согласно некоторым вариантам осуществления воду можно удалять из синтез-газа в потоке 108, 208 продукта. Воду можно удалять способами, известными в данной области техники. В качестве неограничивающего примера воду можно удалять конденсацией, например, путем охлаждения потока 108, 208 продукта.
Во время стадии реакции оксид никеля может восстанавливаться до восстановленных частиц никеля, как представлено в химическом уравнении (4). Восстановленные частицы никеля могут быть неэффективными в качестве катализатора для конверсии метана и диоксида углерода в синтез-газ. По меньшей мере, часть восстановленных частиц никеля можно отводить из реакционной камеры 102, 202 в регенерационную камеру 104, 204 посредством потока 110, 210. Согласно некоторым вариантам осуществления частицы никеля, отведенные из реакционной камеры 102, 202 в регенерационную камеру 104, 204 посредством потока 110, 210, могут полностью восстанавливаться до металлического никеля, который может быть покрыт частицами кокса. Воздух можно подавать в регенерационную камеру 104, 204 посредством потока 112, 212. Воздух может при этом контактировать с восстановленными частицами никеля для сжигания (окисления) восстановленных частиц никеля. Любой коксовый остаток на восстановленных частицах никеля может также окисляться. Контакт воздуха с восстановленными частицами никеля в регенерационной камере 104, 204 может, таким образом, давать регенерированный оксид никеля и тепло на стадии регенерации, как представлено в химическом уравнении (5). Стадия регенерации может также давать диоксид углерода, как показано в химическом уравнении (5).
По меньшей мере, часть регенерированного оксида никеля и тепла, получаемых на стадии регенерации, можно затем отводить из регенерационной камеры 104, 204 в реакционную камеру 102, 202 посредством потока 114, 214. Согласно некоторым вариантам осуществления частицы никеля, отведенные из регенерационной камеры 104, 204 в реакционную камеру 102, 202 посредством потока 114, 214, могут полностью окисляться до регенерированного оксида никеля. Поток диоксида углерода 116, 216 можно отводить из регенерационной камеры 104, 204. Согласно некоторым вариантам осуществления, по меньшей мере, часть диоксида углерода можно отводить из регенерационной камеры 204 в реакционную камеру 202 посредством потока 218.
Согласно некоторым вариантам осуществления система 100, 200 может работать в режиме, аналогичном режиму системы для каталитического крекинга со взвешенным катализатором (FCC). Например, один или несколько из вводов метана и диоксида углерода (например, поток 106, 206) можно использовать для переноса частиц никеля (например, оксида никеля и/или восстановленных частиц никеля) через реакционную камеру 102, 202 в регенерационную камеру 104, 204 посредством потока ПО, 210. Один или несколько из вводов кислорода (например, поток воздуха 112, 212) может поддерживать частицы никеля псевдоожиженными. Частицы никеля (например, восстановленные частицы никеля) можно регенерировать в регенерационной камере 104, 204 (например, для получения регенерированного оксида никеля), а затем отводить в реакционную камеру 102, 202 (например, посредством потока 114, 214).
Согласно некоторым вариантам осуществления температура в реакционной камере 102, 202 может составлять от приблизительно 650°С до приблизительно 1050°С, например, приблизительно 650°С, приблизительно 700°С, приблизительно 750°С, приблизительно 800°С, приблизительно 850°С, приблизительно 900°С, приблизительно 950°С, приблизительно 1000°С или приблизительно 1050°С. Температура в реакционной камере 102, 202 может составлять от приблизительно 750°С до приблизительно 850°С.
Согласно некоторым вариантам осуществления температура в регенерационной камере 104, 204 может составлять от приблизительно 450°С до приблизительно 850°С, например, приблизительно 450°С, приблизительно 500°С, приблизительно 550°С, приблизительно 600°С, приблизительно 650°С, приблизительно 700°С, приблизительно 750°С, приблизительно 800°С или приблизительно 850°С. Температура в регенерационной камере 104, 204 может составлять от приблизительно 550°С до приблизительно 750°С.
Различные частицы никеля (оксиды никеля (включая регенерированные оксиды никеля) и восстановленные частицы никеля) могут циркулировать между реакционной камерой 102, 202 и регенерационной камерой 104, 204. Частицы никеля могут оставаться твердыми и могут циркулировать в виде твердых частиц. Частицы никеля могут оставаться стабильными при температурах в реакционной камере 102, 202 и регенерационной камере 104, 204, например, до приблизительно 850°С, приблизительно 900°С, приблизительно 950°С, приблизительно 1000°С, приблизительно 1050°С или свыше 1050°С.
Систему 100, 200 можно масштабировать в зависимости от желаемого объема производства синтез-газа. В качестве неограничивающего примера лабораторная система 100, 200 может содержать реакционную и регенерационную камеры 102, 202, 104, 204 с диаметрами от приблизительно 15 мм до приблизительно 20 мм. В таких вариантах осуществления количество частиц никеля, циркулирующих в системе 100, 200, может составлять от приблизительно 70 мл до приблизительно 200 мл, например, приблизительно 100 мл.
Согласно некоторым вариантам осуществления часовая объемная скорость газа (GHSV) системы 100, 200 может составлять от приблизительно 3600 ч"1 до приблизительно 8000 ч"1, например, приблизительно 5000 ч"1. Согласно некоторым вариантам осуществления давление в системе 100, 200 может быть практически атмосферным давлением (например, приблизительно 1 бар).
Согласно некоторым вариантам осуществления линейная пространственная скорость газа через реакционную камеру 102, 202 и регенерационную камеру 104, 204 может составлять от приблизительно 4 м/секунду до приблизительно 6 м/секунду. Согласно некоторым вариантам осуществления линейную пространственную скорость газа через камеры 102, 202, 104, 204 можно регулировать для содействия циркуляции частиц катализатора в системе 100, 200 (например, по потокам ПО, 210, 114, 214).
Когда тепло отводят из регенерационной камеры 104, 204 в реакционную камеру 102, 202 посредством потока 114, 214, тепло, полученное на стадии регенерации, можно применять на стадии реакции. Таким образом, экзотермическую стадию регенерации можно использовать для содействия эндотермической стадии реакции, снижая необходимость в приложении тепла от внешних источников к реакционной камере 102, 202. Отвод тепла из регенерационной камеры 104, 204 в реакционную камеру 102, 202 может, таким образом, снижать потребление энергии и улучшать общие экономические
показатели процесса. Согласно некоторым вариантам осуществления тепло и катализатор могут циркулировать по тем же потокам 114, 214.
Когда диоксид углерода отводят из регенерационной камеры 204 в реакционную камеру 202 посредством потока 218, диоксид углерода можно рециркулировать по системе и приводить в реакцию с метаном для получения синтез-газа. Таким образом, ввод диоксида углерода посредством потока 206 можно снижать, при этом улучшая общие экономические показатели процесса.
Как указано выше, способы и системы раскрытого в настоящем документе объекта могут иметь некоторые преимущества относительно некоторых существующих процессов превращения метана в синтез-газ. Поскольку раскрытые в настоящем документе системы и способы могут использовать воздух, а не чистый кислород, в качестве окислителя, использования дорогостоящего кислорода можно избежать, при этом улучшая экономические показатели. Диоксид углерода, образовавшийся в ходе раскрытых в настоящем документе способов, можно рециркулировать в реакцию получения синтез-газа, что может снижать необходимость во внешних источниках диоксида углерода и дополнительно улучшать экономические показатели. Стадия регенерации раскрытого в настоящем документе объекта может давать тепло для стадии реакции, что может снижать потребление энергии и опять-таки может улучшать экономические показатели. Катализатор на основе никеля может циркулировать по системам раскрытого в настоящем документе объекта, регенерируя катализатор в месте нахождения и устраняя необходимость в отдельной стадии регенерации катализатора, что может дополнительно улучшать экономические показатели и эффективность.
Примеры
Пример 1. Получение синтез-газа
Синтез-газ получали при помощи отдельных, чередующихся циклов реакции и регенерации катализатора (оксида никеля), используя реактор с неподвижным слоем. В реактор с неподвижным слоем загружали 8 мл катализатора на основе смешанных оксидов лантана (La) и марганца (Мп). Метан и диоксид углерода в соотношении СН4:С02 2:1 (молымоль) подавали в реактор. Температура реактора составляла 850°С. Время контакта составляло 1 секунду. Расход смеси метана и диоксида углерода составлял 480 мл/минуту.
Синтез-газ отводили из реактора. Конверсия метана составляла 80%, а конверсия диоксида углерода составляла 85%.
Подачу метана и диоксида углерода затем заменяли на воздух. Таким образом реактор переключали с режима реакции на режим регенерации. Диоксид углерода отводили из реактора, что указывало на сгорание частиц кокса на катализаторе. Через десять (10) минут после того, как воздух впервые подавали в реактор, образование диоксида углерода значительно снижалось, что указывало на полное сгорание фрагментов кокса на катализаторе и регенерацию катализатора. Воздух подавали в реактор в общем 20 минут. Подачу воздуха затем заменяли на подачу метана и диоксида углерода, завершая цикл реакции.
Хотя раскрытый в настоящем документе объект и его преимущества были подробно описаны, следует понимать, что различные изменения, замещения и преобразования можно сделать в настоящем документе без отклонения от сущности и объема раскрытого объекта, определенного приложенной формулой изобретения. Кроме того, объем раскрытого объекта не ограничивается конкретными вариантами осуществления, описанными в описании. Следовательно, приложенная формула изобретения предназначена для включения в свой объем таких альтернатив.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ получения синтез-газа, предусматривающий:
a. обеспечение реакционной камеры и регенерационной камеры, причем реакционная камера содержит оксид никеля;
b. подачу метана и диоксида углерода в реакционную камеру, при этом происходит контакт метана и диоксида углерода с оксидом никеля с получением синтез-газа и восстановленных частиц никеля;
c. отведение восстановленных частиц никеля из реакционной камеры в регенерационную камеру;
d. подачу воздуха в регенерационную камеру, при этом происходит контакт воздуха с восстановленными частицами никеля с получением регенерированного оксида никеля и тепла; и
e. отведение регенерированного оксида никеля и тепла из регенерационной камеры в реакционную камеру.
2. Способ по п. 1, в котором оксид никеля содержит твердый носитель.
3. Способ по п. 1, в котором твердый носитель содержит оксид, выбранный из группы, состоящей из оксида алюминия, оксида магния и диоксида кремния.
4. Способ по п. 1, в котором оксид никеля содержит частицы с диаметром от приблизительно 200 мкм до приблизительно 400 мкм.
5. Способ по п. 1, в котором оксид никеля содержит промотор.
6. Способ по п. 5, в котором промотор содержит оксид, выбранный из группы состоящей из оксида лантана (III), оксида церия (III), оксида платины (II), оксида бария, оксида кальция и оксида калия.
7. Способ по п. 1, в котором температура в реакционной камере составляет от приблизительно 650°С до приблизительно 1050°С.
8. Способ по п. 7, в котором температура в реакционной камере составляет от приблизительно 750°С до приблизительно 850°С.
9. Способ по п. 1, в котором температура в регенерационной камере составляет от приблизительно 450°С до приблизительно 850°С.
10. Способ по п. 9, в котором температура в регенерационной камере составляет
от приблизительно 550°С до приблизительно 750°С.
11. Способ по п. 1, дополнительно предусматривающий отведение диоксида углерода из регенерационной камеры в реакционную камеру.
12. Система для использования при конверсии метана в синтез-газ, содержащая:
a. реакционную камеру, содержащую восстановленные частицы никеля;
b. регенерационную камеру, содержащую регенерированный оксид никеля; и
c. систему циркуляции, сконструированную для подачи восстановленных частиц никеля из реакционной камеры в регенерационную камеру и для подачи регенерированного оксида никеля из регенерационной камеры в реакционную камеру.
13. Система по п. 12, дополнительно содержащая вертикальную колонну.
(19)
(19)
(19)
1/2
2/2
