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DE102019008016A1 - Method and device for the production of carbon monoxide by reverse water gas shift - Google Patents

Method and device for the production of carbon monoxide by reverse water gas shift Download PDF

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DE102019008016A1
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hydrogen
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gas
carbon monoxide
carbon dioxide
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DE102019008016.5A
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German (de)
Inventor
Thomas Haselsteiner
Albrecht HEINZEL
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Kohlenmonoxid enthaltenden Produktgases (15), wobei ein Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltender Einsatzstrom (2) in einem Reaktor (R) durch reverse Wassergas-Shift in ein kohlenmonoxidhaltiges Zwischenprodukt (4) umgesetzt wird, von dem das Produktgas (15) abgetrennt wird. Kennzeichnend hierbei ist, dass die reverse Wassergas-Shift-Reaktion (R) bei Temperaturen von mehr als 1250°C nichtkatalytisch und homogene in der Gasphase durchgeführt und hierzu erforderliche Wärme durch Verbrennung von im Einsatzstrom (2) enthaltenem Wasserstoff erzeugt wird.The invention relates to a method and a device for generating a product gas (15) containing carbon monoxide, a feed stream (2) containing hydrogen and carbon dioxide being converted into a carbon monoxide-containing intermediate product (4) in a reactor (R) by reverse water gas shift which the product gas (15) is separated. A characteristic feature here is that the reverse water-gas shift reaction (R) is carried out non-catalytically and homogeneously in the gas phase at temperatures of more than 1250 ° C and the heat required for this is generated by combustion of the hydrogen contained in the feed stream (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Kohlenmonoxid enthaltenden Produktgases, wobei ein Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltender Einsatzstrom in einem Reaktor durch reverse Wassergas-Shift in ein kohlenmonoxidhaltiges Zwischenprodukt umgesetzt wird, von dem das Produktgas abgetrennt wird.The invention relates to a process for producing a product gas containing carbon monoxide, a feed stream containing hydrogen and carbon dioxide being converted in a reactor by reverse water gas shift into an intermediate product containing carbon monoxide, from which the product gas is separated off.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention also relates to a device for carrying out the method according to the invention.

Kohlenmonoxid enthaltende Produktgase wie Oxo- oder Synthesegase, werden gewöhnlich in einem thermo-chemischen Konversionsprozess aus fossilen kohlenstoffhaltigen Einsätzen wie etwa Erdgas durch allo- oder autotherme Dampfreformierung oder Partielle Oxidation gewonnen. Bei all diesen Verfahren wird Kohlendioxid erzeugt und in die Atmosphäre freigesetzt, wo es sich anreichert und den Treibhauseffekt verstärkt. Es wird daher angestrebt, bei der Kohlenmonoxiderzeugung den Verbrauch fossiler Energieträger zu reduzieren und vermehrt regenerative Energieträger einzusetzen.Product gases containing carbon monoxide, such as oxo or synthesis gases, are usually obtained in a thermo-chemical conversion process from fossil carbon-containing inputs such as natural gas by allo- or autothermal steam reforming or partial oxidation. All of these processes create carbon dioxide and release it into the atmosphere, where it accumulates and increases the greenhouse effect. The aim is therefore to reduce the consumption of fossil fuels in the production of carbon monoxide and to use more renewable energy sources.

Die einfachste Möglichkeit dies zu erreichen, ist der Ersatz der fossilen Energieträger durch landwirtschaftlich erzeugte Biomasse. Allerdings vermindert sich dadurch die für die Nahrungsmittelproduktion verfügbare Anbaufläche, was angesichts der zunehmenden Weltbevölkerung mittel- bis langfristig zu Konflikten führen dürfte.The easiest way to achieve this is to replace fossil fuels with agriculturally produced biomass. However, this reduces the acreage available for food production, which in view of the increasing world population is likely to lead to conflicts in the medium to long term.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, aus regenerativ - z.B. durch Windkraft oder Photovoltaik - gewonnener Elektroenergie in einem Elektrolyseur Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten und den so gewonnenen Wasserstoff mit Kohlendioxid, das als Nebenprodukt in vielen Industrieprozessen anfällt, durch katalytisch unterstützte reverse Wassergas-Shift (kurz rWGS) gemäß der Gleichung CO2 + H2 ⇒ CO + H2O in einer endothermen Reaktion zu Kohlenmonoxid umzusetzen.Another possibility is to split water into hydrogen and oxygen in an electrolyser from renewable electrical energy - e.g. through wind power or photovoltaics - and to split the hydrogen obtained in this way with carbon dioxide, which is a by-product in many industrial processes, through catalytically supported reverse water gas shift (rWGS for short) according to the equation CO 2 + H 2 ⇒ CO + H 2 O to convert to carbon monoxide in an endothermic reaction.

Die hierbei verwendeten, in einem Festbett angeordneten Katalysatoren sind selektiv für die rWGS-Reaktion und unterdrücken die thermodynamisch ebenso begünstigte Methanisierung (CO2 + 4H2 => CH4 + 2H2O). Der thermodynamisch stark limitierte Umsatz der rWGS nimmt mit steigender Reaktionstemperatur zu. So erreicht die Massenwirkungskonstante Kp, die bei 400°C einen Wert von lediglich 0,1 besitzt, bei 800°C einen Wert von ca. 1. Der Transport der benötigten Reaktionswärme wird durch Eigenschaften des Katalysatorbetts und die konstruktionsbedingt eingeschränkten Möglichkeiten der Wärmeübertragung begrenzt, so dass je nach der Art des verwendeten Katalysators die Umsetzung lediglich in einem Temperaturbereich zwischen 400 - 700°C durchgeführt werden kann.The catalysts used here, arranged in a fixed bed, are selective for the rWGS reaction and suppress the methanation, which is also thermodynamically favored (CO 2 + 4H 2 => CH 4 + 2H 2 O). The thermodynamically very limited conversion of the rWGS increases with increasing reaction temperature. The mass action constant Kp, which has a value of only 0.1 at 400 ° C, reaches a value of approx. 1 at 800 ° C. The transport of the required heat of reaction is limited by the properties of the catalyst bed and the design-related limited possibilities of heat transfer, so that, depending on the type of catalyst used, the reaction can only be carried out in a temperature range between 400-700 ° C.

Zum Ausgleich der Umsatzlimitierungen werden nach dem Stand der Technik Kohlendioxid und/oder Wasserstoff mit hohem Überschuss in den zur Durchführung der rWGS-Reaktion eingesetzten rWGS-Reaktor eingeleitet. Um das Produktgas in der gewünschten Zusammensetzung (beispielsweise mit H2/CO = 1) zu erhalten, werden nicht umgesetztes Kohlendioxid und überschüssiger Wasserstoff mit erheblichem Aufwand aus dem Produktstrom abgetrennt und vor den rWGS-Reaktor zurückgeführt.To compensate for the conversion limitations, according to the prior art, carbon dioxide and / or hydrogen are introduced in a large excess into the rWGS reactor used to carry out the rWGS reaction. In order to obtain the product gas in the desired composition (for example with H2 / CO = 1), unconverted carbon dioxide and excess hydrogen are separated from the product stream with considerable effort and returned to the rWGS reactor.

Eine dritte Möglichkeit, die klimaschädlichen Auswirkungen der Kohlenmonoxiderzeugung zu reduzieren, ist durch die elektrolytische Zerlegung von Kohlendioxid und Wasser unter Einsatz von regenerativ gewonnener Elektroenergie gegeben. Verfahren dieser Art sind jedoch bisher nicht für den großtechnischen Einsatz geeignet, da sie sich gegenwärtig noch im Entwicklungsstadium befinden.A third possibility to reduce the climate-damaging effects of carbon monoxide production is given by the electrolytic decomposition of carbon dioxide and water using regenerative electrical energy. However, processes of this type are not yet suitable for large-scale use, since they are currently still in the development stage.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, durch die die Beschränkungen des Standes der Technik überwunden werden.The object of the present invention is therefore to provide a method and a device of the generic type by means of which the limitations of the prior art are overcome.

Diese Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die reverse Wassergas-Shift-Reaktion bei Temperaturen von mehr als 1250°C nichtkatalytische und homogen in der Gasphase durchgeführt und hierzu erforderliche Wärme durch Verbrennung von im Einsatzstrom enthaltenem Wasserstoff erzeugt wird.In terms of the process, this object is achieved according to the invention in that the reverse water-gas shift reaction is carried out non-catalytically and homogeneously in the gas phase at temperatures of more than 1250 ° C. and the heat required for this is generated by combustion of hydrogen contained in the feed stream.

Bei Temperaturen von mehr als 1250°C läuft die rWGS-Reaktion ohne den Einsatz eines Katalysators in der Gasphase hinreichend schnell ab. Gleichzeitig nimmt die Massenwirkungskonstante Kp einen Wert von ca. 2,8 an, so dass ausreichend hohe Umsätze bei vergleichsweise geringen nicht umgesetzten und zurückzuführenden Kohlendioxid- und Wasserstoffmengen erzielt werden. Weiterhin wird Methan nur in kleinen Mengen gebildet, da die Methanisierung unter diesen Bedingungen thermodynamisch nur wenig begünstigt ist.At temperatures of more than 1250 ° C, the rWGS reaction proceeds sufficiently quickly in the gas phase without the use of a catalyst. At the same time, the constant of mass action Kp assumes a value of approx. 2.8, so that sufficiently high conversions are achieved with comparatively low unconverted and recirculated amounts of carbon dioxide and hydrogen. Furthermore, methane is only formed in small quantities, since methanation is only slightly thermodynamically favored under these conditions.

Dem für die rWGS-Reaktion verwendeten Reaktor wird Sauerstoff in einer Menge zugeführt, die u.U. nicht ausreicht, um den gesamten im Einsatzstrom vorhandenen Wasserstoff zu verbrennen, die aber genügt, die Temperatur in der Gasphase auf über 1250°C anzuheben. Vorzugsweise wird die rWGS autotherm durchgeführt und die gesamte hierfür benötigte Wärme durch die Verbrennung von im Einsatzstrom enthaltenem Wasserstoff erzeugt. Der Sauerstoff kann stromaufwärts des rWGS-Reaktors dem Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltenden Einsatzstrom zudosiert und mit diesem homogen vermischt werden. Vorzugsweise wird aber der Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltende Einsatzstrom getrennt vom Sauerstoff über einen Brenner in den Reaktionsraum des rWGS-Reaktors eingeleitet und erst dort mit diesem gemischt.The reactor used for the rWGS reaction is supplied with oxygen in an amount which may not be sufficient to burn all of the hydrogen present in the feed stream, but which is sufficient to raise the temperature in the gas phase to over 1250 ° C. The rWGS is preferably carried out autothermally and all of the heat required for this is obtained from the combustion of im Feed stream contained hydrogen generated. The oxygen can be metered into the feed stream containing hydrogen and carbon dioxide upstream of the rWGS reactor and mixed with it homogeneously. Preferably, however, the feed stream containing hydrogen and carbon dioxide is introduced separately from the oxygen via a burner into the reaction chamber of the rWGS reactor and only mixed there with it there.

Die bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugte Verbrennungswärme entsteht in der Gasphase, und somit direkt dort, wo sie als Reaktionswärme für die rWGS-Reaktion benötigt wird. Anders als bei einer allothermen Prozessführung gemäß dem Stand der Technik, wirkt sich der Transport der Reaktionswärme daher auf die rWGS-Reaktion nicht oder nur in sehr geringerem Maß limitierend aus.The heat of combustion generated in the reaction of hydrogen and oxygen is generated in the gas phase, and thus directly where it is required as heat of reaction for the rWGS reaction. In contrast to an allothermal process management according to the prior art, the transport of the heat of reaction therefore has no or only a very minor limiting effect on the rWGS reaction.

Für die Durchführung der rWGS-Reaktion wird zweckmäßigerweise ein Reaktor eingesetzt, wie er ähnlich aus dem Stand der Technik für die Synthesegaserzeugung durch Partielle Oxidation bekannt ist. Das im rWGS-Reaktor erhältliche kohlenmonoxidhaltige Zwischenprodukt wird anschließend beispielsweise in einer Quencheinrichtung in direktem Kontakt mit Wasser oder in einem speziellen Wärmeübertrager (Synthesegaskühler) durch Verdampfen von Wasser abgekühlt, ehe aus ihm das Kohlenmonoxid enthaltende Produktgas abgetrennt wird.To carry out the rWGS reaction, it is expedient to use a reactor similar to that known from the prior art for the production of synthesis gas by partial oxidation. The carbon monoxide-containing intermediate product available in the rWGS reactor is then cooled, for example in a quench device in direct contact with water or in a special heat exchanger (synthesis gas cooler) by evaporation of water, before the product gas containing carbon monoxide is separated from it.

Zur Abtrennung des Kohlenmonoxid enthaltenden Produktgases wird vorgeschlagen, das im rWGS-Reaktor erhaltene Zwischenprodukt nach seiner Abkühlung einer Sauergaswäsche zu unterziehen, in der Kohlendioxid mit Hilfe eines geeigneten Waschmittels, wie beispielsweise Methanol, ausgewaschen wird, wobei ein weitgehend aus Kohlenmonoxid und ggf. Wasserstoff bestehendes Gasgemisch und ein mit Kohlendioxid beladenes Waschmittel erhalten werden. Je nach seiner Zusammensetzung, wird das weitgehend aus Kohlenmonoxid und ggf. Wasserstoff bestehende Gasgemisch als Produktgas abgegeben oder, um die für das Produktgas gewünschte Zusammensetzung einzustellen, einem weiteren Trennschritt unterzogen, in dem beispielsweise überschüssiger Wasserstoff zur Rückführung vor den rWGS-Reaktor in einem kryogenen Prozess, über Membranen oder durch Druckwechseladsorption abgetrennt wird.To separate the product gas containing carbon monoxide, it is proposed that the intermediate product obtained in the rWGS reactor be subjected to acid gas scrubbing after cooling, in which carbon dioxide is washed out with the aid of a suitable scrubbing agent, such as methanol, with a largely consisting of carbon monoxide and possibly hydrogen Gas mixture and a detergent laden with carbon dioxide can be obtained. Depending on its composition, the gas mixture consisting largely of carbon monoxide and possibly hydrogen is released as product gas or, in order to set the desired composition for the product gas, subjected to a further separation step in which, for example, excess hydrogen is returned to the rWGS reactor in a cryogenic Process that is separated by membranes or by pressure swing adsorption.

Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, das in der Sauergaswäsche mit Kohlendioxid beladene Waschmittel durch Strippung zu regenerieren, wobei für den Einsatz im rWGS-Reaktor bestimmter Wasserstoff als Strippgas dient. Zweckmäßigerweise wird der bei der Strippung mit Kohlendioxid beladene Wasserstoffstrom zur Bereitstellung des Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltenden Einsatzstroms verwendet, wozu Kohlendioxid aus einer externen Quelle und evtl. auch Wasserstoff zugemischt werden.A preferred variant of the process according to the invention provides for the scrubbing agent loaded with carbon dioxide in the acid gas scrubber to be regenerated by stripping, with hydrogen used as the stripping gas for use in the rWGS reactor. The hydrogen stream loaded with carbon dioxide during the stripping is expediently used to provide the feed stream containing hydrogen and carbon dioxide, for which purpose carbon dioxide from an external source and possibly also hydrogen are added.

Besonders bevorzugt wird zumindest ein Teil des im erfindungsgemäßen Verfahren benötigten Wasserstoffs durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen, wobei der eingesetzte elektrische Strom sinnvollerweise aus einer oder mehreren regenerativen Energiequellen bezogen wird. Ein Teil des für die Elektrolyse benötigten Stroms kann über einen mit einer Dampfturbine gekoppelte Generator erzeugt werden, wobei während der Abkühlung des kohlenmonoxidhaltigen Zwischenprodukts anfallender Dampf in der Dampfturbine entspannt wird.Particularly preferably, at least part of the hydrogen required in the process according to the invention is obtained from water by electrolysis, the electrical current used being sensibly drawn from one or more renewable energy sources. Part of the electricity required for the electrolysis can be generated by a generator coupled to a steam turbine, with the steam produced during the cooling of the carbon monoxide-containing intermediate product being expanded in the steam turbine.

Der für die Verbrennung von Wasserstoff im rWGS-Reaktor benötigte Sauerstoff wird vorzugsweise ebenfalls durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen, wobei es sich zweckmäßigerweise um dieselbe Elektrolyse handelt, in der auch Wasserstoff für die rWGS-Reaktion erzeugt wird. Ein Teil oder die Gesamtmenge des bei der Elektrolyse anfallenden Sauerstoffs wird im rWGS-Reaktor verwendet, um Wärme für die rWGS-Reaktion durch die Verbrennung von Wasserstoff zu liefern. Bei der Elektrolyse überschüssig anfallender Sauerstoff wird sinnvollerweise als zusätzlicher Produktstrom abgegeben. Während der rWGS-Reaktion gebildetes Wasser wird zweckmäßigerweise aus dem kohlenmonoxidhaltigen Zwischenprodukt auskondensiert und nach einer optionalen Aufreinigung der Elektrolyse zur Zerlegung zugeführt.The oxygen required for the combustion of hydrogen in the rWGS reactor is preferably also obtained from water by electrolysis, which is expediently the same electrolysis in which hydrogen is also generated for the rWGS reaction. Some or all of the oxygen produced during electrolysis is used in the rWGS reactor to provide heat for the rWGS reaction through the combustion of hydrogen. Oxygen that arises in excess during electrolysis is expediently given off as an additional product stream. Water formed during the rWGS reaction is expediently condensed out of the carbon monoxide-containing intermediate and, after an optional purification, fed to the electrolysis for decomposition.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Kohlenmonoxid enthaltenden Produktgases, mit einem Reaktor, in dem ein Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltender Einsatzstrom durch reverse Wassergas-Shift in ein kohlenmonoxidhaltiges Zwischenprodukt umgesetzt werden kann, sowie einer Trenneinrichtung zur Abtrennung des Produktgases aus dem kohlenmonoxidhaltigen Zwischenprodukt.The invention also relates to a device for generating a product gas containing carbon monoxide, with a reactor in which a feed stream containing hydrogen and carbon dioxide can be converted into an intermediate product containing carbon monoxide by reverse water gas shift, and a separating device for separating the product gas from the intermediate product containing carbon monoxide.

Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Reaktor mit einer feuerfesten thermischen Isolierung ausgeführt ist, die einen im Wesentlichen leeren Reaktionsraum umschließt, in dem die reverse Wassergas-Shift-Reaktion bei Temperaturen von mehr als 1250°C nichtkatalytisch und homogen in der Gasphase durchgeführt und hierzu erforderliche Wärme durch Verbrennung von im Einsatzstrom enthaltenem Wasserstoff erzeugt werden kann.The object is achieved in terms of the device according to the invention in that the reactor is designed with a fireproof thermal insulation which encloses an essentially empty reaction space in which the reverse water-gas shift reaction at temperatures of more than 1250 ° C non-catalytically and homogeneously in the Gas phase carried out and the heat required for this can be generated by combustion of hydrogen contained in the feed stream.

Das der Reaktionsraum des rWGS-Reaktors im Wesentlichen leer ist, bedeutet, dass er insbesondere keinen Katalysator enthält. Dagegen können sich etwa Einrichtungen für die Zuführung von Einsatzstoffen sowie Messeinrichtungen in das Innere des Reaktionsraum erstrecken. Vorzugsweise ist der rWGS-Reaktor ähnlich aufgebaut wie ein aus dem Stand der Technik bekannter, für die Synthesegaserzeugung durch Partielle Oxidation verwendbarer Reaktor. Er weist einen stählernen, im Wesentlichen zylindrischen und sich nach oben verjüngenden Druckbehälter mit senkrechter Achse auf, der mit einer feuerfesten Isolierung ausgekleidet ist, die den Reaktionsraum umschließt. Am höchsten Punkt des Reaktors ist ein senkrecht nach unten feuernder Prozessbrenner angeordnet, über den der Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltende Einsatzstrom dem Rektionsraum zugeführt werden kann. Über eine Öffnung am unteren Ende des Reaktors ist das erzeugte kohlenmonoxidhaltige Zwischenprodukt aus dem Reaktionsraum abziehbar, um beispielsweise in einer Quencheinrichtung in direktem Kontakt mit Wasser abgekühlt zu werden.The fact that the reaction space of the rWGS reactor is essentially empty means that, in particular, it does not contain any catalyst. On the other hand, devices for feeding input materials and measuring devices into the Extend interior of the reaction space. The rWGS reactor is preferably constructed similarly to a reactor known from the prior art which can be used for the generation of synthesis gas by partial oxidation. It has a steel, essentially cylindrical and upwardly tapering pressure vessel with a vertical axis, which is lined with a fireproof insulation which encloses the reaction space. At the highest point of the reactor there is a process burner which fires vertically downwards and via which the feed stream containing hydrogen and carbon dioxide can be fed to the reaction chamber. The carbon monoxide-containing intermediate product produced can be withdrawn from the reaction space via an opening at the lower end of the reactor, for example in order to be cooled in direct contact with water in a quenching device.

Die stromabwärts des rWGS-Reaktors angeordnete Trenneinrichtung zur Abtrennung des Produktgases aus dem kohlenmonoxidhaltigen Zwischenprodukt umfasst bevorzugt eine Sauergaswäsche, in der Kohlendioxid mit Hilfe eines geeigneten Waschmittels, wie beispielsweise Methanol, auswaschbar ist und ein weitgehend aus Kohlenmonoxid und evtl. Wasserstoff bestehendes Gasgemisch sowie ein mit Kohlendioxid beladenes Waschmittel erhältlich sind. Sinnvollerweise ist die Sauergaswäsche mit dem rWGS-Reaktor derart verbunden, dass bei der Regenerierung des beladenen Waschmittels anfallendes Kohlendioxid als Einsatz vor den rWGS-Reaktor zurückgeführt werden kann.The separating device arranged downstream of the rWGS reactor for separating the product gas from the carbon monoxide-containing intermediate preferably comprises an acid gas scrubber in which carbon dioxide can be washed out with the aid of a suitable washing agent such as methanol and a gas mixture consisting largely of carbon monoxide and possibly hydrogen as well as a Carbon dioxide loaded detergents are available. The acid gas scrubbing is sensibly connected to the rWGS reactor in such a way that the carbon dioxide produced during the regeneration of the loaded scrubbing agent can be fed back as an input upstream of the rWGS reactor.

Je nach der Zusammensetzung des Zwischenprodukts und der gewünschten Qualität des Produktgases, kann die Trenneinrichtung eine oder mehrere weitere Vorrichtungen zur Gaszerlegung umfassen. Beispielsweise kann der Sauergaswäsche ein kryogener Gaszerleger nachgeschaltet sein, mit dem aus dem weitgehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehenden Gasgemisch überschüssiger Wasserstoff zur Rückführung vor den rWGS-Reaktor abtrennbar ist.Depending on the composition of the intermediate product and the desired quality of the product gas, the separation device can comprise one or more further devices for gas separation. For example, the acid gas scrubber can be followed by a cryogenic gas separator with which excess hydrogen can be separated from the gas mixture, which largely consists of carbon monoxide and hydrogen, for recycling upstream of the rWGS reactor.

In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Sauergaswäsche zur Regenerierung des mit Kohlendioxid beladenen Waschmittels eine Strippeinrichtung, in der für den Einsatz im rWGS-Reaktor bestimmter Wasserstoff als Strippgas verwendet werden kann. Zweckmäßigerweise ist die Strippeinrichtung derart mit dem rWGS-Reaktor verbunden, dass der bei der Strippung mit Kohlendioxid beladene Wasserstoff zur Bereitstellung des Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltenden Einsatzstroms eingesetzt werden kann.In one embodiment of the device according to the invention, the acid gas scrubber for regenerating the washing agent loaded with carbon dioxide comprises a stripping device in which hydrogen intended for use in the rWGS reactor can be used as stripping gas. The stripping device is expediently connected to the rWGS reactor in such a way that the hydrogen loaded with carbon dioxide during the stripping can be used to provide the feed stream containing hydrogen and carbon dioxide.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst in einer bevorzugten Ausgestaltung zumindest einen Elektrolyseur zur elektrochemischen Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Der Elektrolyseur ist sinnvollerweise mit dem rWGS-Reaktor derart verbunden, dass der erzeugbare Wasserstoff dem rWGS-Reaktor als Teil des Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltenden Einsatzstroms zugeführt werden kann. Weiterhin kann die Verbindung zwischen diesem oder einem anderen Elektrolyseur und dem rWGS-Reaktor so ausgeführt sein, dass der bei der Elektrolyse anfallende Sauerstoff ganz oder zum Teil im rWGS-Reaktor verwendbar ist, um Reaktionswärme für die rWGS-Reaktion durch die Verbrennung von Wasserstoff zu liefern.In a preferred embodiment, the device according to the invention comprises at least one electrolyzer for the electrochemical decomposition of water into hydrogen and oxygen. The electrolyser is usefully connected to the rWGS reactor in such a way that the hydrogen that can be generated can be fed to the rWGS reactor as part of the feed stream containing hydrogen and carbon dioxide. Furthermore, the connection between this or another electrolyser and the rWGS reactor can be designed in such a way that all or part of the oxygen produced during the electrolysis can be used in the rWGS reactor to heat the reaction for the rWGS reaction through the combustion of hydrogen deliver.

Bevorzugt ist der Elektrolyseur mit dem rWGS-Reaktor über die Sauergaswäsche verbunden, so dass zumindest ein Teil des durch die elektrochemische Wasserzerlegung erhältlichen Wasserstoffs in der Strippeinrichtung des Regenerierteils als Strippgas einsetzbar ist.The electrolyser is preferably connected to the rWGS reactor via the acid gas scrubber, so that at least some of the hydrogen obtainable through the electrochemical water decomposition can be used as stripping gas in the stripping device of the regeneration part.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.In the following, the invention is based on one in the 1 schematically illustrated embodiment will be explained in more detail.

Die 1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der Wasserstoff für die rWGS-Reaktion durch elektrochemische Zerlegung von Wasser gewonnen wird.The 1 shows a preferred embodiment of the method according to the invention, in which hydrogen for the rWGS reaction is obtained by electrochemical decomposition of water.

Ein weitgehend aus Wasserstoff und Kohlendioxid bestehender Einsatzstrom 1 wird durch den Verdichter V angesaugt und mit erhöhtem Druck über Leitung 2 in den rWGS-Reaktor R eingeleitet, wo er durch nichtkatalytische homogene reverse Wassergas-Shift bei Temperaturen von mehr als 1250°C in der Gasphase umgesetzt wird. Die für die insgesamt endotherm ablaufende reverse Wassergas-Shift benötigte Wärme wird vollständig durch Verbrennung eines Teils des eingesetzten Wasserstoffs erzeugt, wozu dem rWGS-Reaktor R Sauerstoff 3 zugeführt wird. Das kohlenmonoxidhaltige Zwischenprodukt 4, das daneben auch Wasserstoff, Kohlendioxid und Wasser umfasst und den rWGS-Reaktor mit hoher Temperatur verlässt, wird in der Kühleinrichtung K soweit abgekühlt, dass Wasser 5 auskondensiert und ein abgekühltes, weitgehend aus Kohlendioxid, Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes Gasgemisch 6 erhalten wird, das zur Abtrennung von Kohlendioxid in die Sauergaswäsche S, bei der es sich beispielsweise um eine Methanolwäsche handelt, eingeleitet werden kann.A feed stream consisting largely of hydrogen and carbon dioxide 1 is sucked in by the compressor V and with increased pressure via the line 2 into the rWGS reactor R. initiated, where it is converted by non-catalytic homogeneous reverse water gas shift at temperatures of more than 1250 ° C in the gas phase. The heat required for the overall endothermic reverse water-gas shift is generated entirely by burning part of the hydrogen used, including the rWGS reactor R. oxygen 3 is fed. The carbon monoxide intermediate 4th , which also includes hydrogen, carbon dioxide and water and leaves the rWGS reactor at a high temperature, is cooled in the cooling device K to such an extent that water 5 condenses out and a cooled gas mixture consisting largely of carbon dioxide, hydrogen and carbon monoxide 6th is obtained, which can be introduced to the separation of carbon dioxide in the acid gas scrubber S, which is, for example, a methanol scrubber.

Das aus dem kohlenmonoxidhaltigen Zwischenprodukt 4 auskondensierte Wasser 5 wird nach einer evtl. erforderlichen Aufbereitung (nicht dargestellt) dem Elektrolyseur E zugeführt, wo es zusammen mit weiterem Wasser 7 unter Einsatz von elektrischem Strom 8 in Wasserstoff 9 und Sauerstoff 10 zerlegt wird, von dem ein erster Teil 3 dem rWGS-Reaktor R zugeführt und ein zweiter Teil 11 als Produkt abgegeben wird. Vorzugsweise wird die gesamte im Elektrolyseur E eingesetzte Strommenge aus einer regenerativen Energiequelle (nicht dargestellt) bezogen.That from the intermediate product containing carbon monoxide 4th condensed water 5 is fed to the electrolyser E after a possibly required treatment (not shown), where it is fed together with further water 7th using electric current 8th in hydrogen 9 and oxygen 10 is disassembled, of which a first part 3 the rWGS reactor R. fed and a second part 11 is sold as a product. The entire amount of electricity used in the electrolyser E is preferably obtained from a regenerative energy source (not shown).

In der Sauergaswäsche S wird das weitgehend aus Kohlendioxid, Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehende Gasgemisch 6 im Gegenstrom zu regeneriertem Waschmittel 12 durch die Absorberkolonne A geleitet, um Kohlendioxid weitgehend selektiv auszuwaschen. Ein von Kohlendioxid gereinigtes, vorwiegend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehendes Gasgemisch 13 verlässt die Sauergaswäsche S, während mit Kohlendioxid beladenes Waschmittel 14 vom Sumpf der Absorberkolonne A abgezogen wird. In der Trennvorrichtung C wird das Gasgemisch 13 in einem kryogenen Prozess, über Membranen, durch Druckwechseladsorption oder eine Kombination dieser Verfahren in ein Kohlenmonoxid enthaltendes Produktgas 15 sowie Rohwasserstoff 16 getrennt.In the acid gas scrubber S, the gas mixture consisting largely of carbon dioxide, hydrogen and carbon monoxide is used 6th in countercurrent to regenerated detergent 12th through the absorber column A. directed to largely selectively wash out carbon dioxide. A gas mixture that has been cleaned of carbon dioxide and consists primarily of carbon monoxide and hydrogen 13th leaves the acid gas scrubber S while the detergent loaded with carbon dioxide 14th from the bottom of the absorber column A. is deducted. In the separation device C, the gas mixture 13th in a cryogenic process, via membranes, by pressure swing adsorption or a combination of these processes into a product gas containing carbon monoxide 15th as well as raw hydrogen 16 Cut.

Zu seiner Regenerierung wird das beladene Waschmittel 14 im Wärmetauscher W gegen bereits regeneriertes Waschmittel 12 angewärmt und über das Drosselorgan a auf den Kopf der Strippkolonne B entspannt, wobei ein Teil des absorbierten Kohlendioxids in die Gasphase übergeht. Um weiteres Kohlendioxid abzutrennen, wird das beladene Waschmittel auf seinem Weg nach unten in intensiven Kontakt mit Wasserstoff 9, 16 gebracht, der als Strippgas wirkt und der Strippkolonne B in ihrem unteren Bereich aufgegeben wird. Falls erforderlich, kann zusätzlich Strippdampf über einen im Sumpfraum der Strippkolonne B angeordneten Reboiler (nicht dargestellt) erzeugt werden. Aus dem über Leitung 17 aus der Sauergaswäsche S abgezogenen, Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltenden Gasgemisch wird durch Zudosierung von aus einer externen Quelle bezogenem Kohlendioxid 18 der weitgehend aus Wasserstoff und Kohlendioxid bestehende Einsatzstrom 1 erhalten.The loaded detergent is used to regenerate it 14th in the heat exchanger W against detergent that has already been regenerated 12th warmed and via the throttle element a on the head of the stripping column B. relaxed, with part of the absorbed carbon dioxide going into the gas phase. In order to separate further carbon dioxide, the loaded detergent comes into intensive contact with hydrogen on its way down 9 , 16 brought, which acts as a stripping gas and the stripping column B. is abandoned in its lower area. If necessary, stripping steam can also be used in the bottom space of the stripping column B. arranged reboiler (not shown) are generated. From the over line 17th from the acid gas scrubber S withdrawn, hydrogen and carbon dioxide-containing gas mixture is obtained by metering in carbon dioxide obtained from an external source 18th the feed stream consisting largely of hydrogen and carbon dioxide 1 receive.

Claims (10)

Verfahren zur Erzeugung eines Kohlenmonoxid enthaltenden Produktgases (15), wobei ein Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltender Einsatzstrom (2) in einem Reaktor (R) durch reverse Wassergas-Shift in ein kohlenmonoxidhaltiges Zwischenprodukt (4) umgesetzt wird, von dem das Produktgas (15) abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die reverse Wassergas-Shift-Reaktion (R) bei Temperaturen von mehr als 1250°C nichtkatalytisch und homogen in der Gasphase durchgeführt und hierzu erforderliche Wärme durch Verbrennung von im Einsatzstrom (2) enthaltenem Wasserstoff erzeugt wird.Process for generating a product gas (15) containing carbon monoxide, a feed stream (2) containing hydrogen and carbon dioxide being converted in a reactor (R) by reverse water gas shift into an intermediate product (4) containing carbon monoxide, from which the product gas (15) is separated is, characterized in that the reverse water gas shift reaction (R) is carried out non-catalytically and homogeneously in the gas phase at temperatures of more than 1250 ° C and the heat required for this is generated by combustion of the hydrogen contained in the feed stream (2). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reverse Wassergas-Shift-Reaktion (R) autotherm durchgeführt und die gesamte hierfür benötigte Wärme durch die Verbrennung von im Einsatzstrom (2) enthaltenem Wasserstoff erzeugt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the reverse water-gas shift reaction (R) is carried out autothermally and all the heat required for this is generated by the combustion of hydrogen contained in the feed stream (2). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Reaktor (R) zugeführte Wasserstoff (9) aus Wasser durch Elektrolyse (E) gewonnen wird, wobei der für die Elektrolyse (E) notwendige elektrische Strom (8) aus einer oder mehreren erneuerbaren Energiequellen zugeführt wird.Method according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the hydrogen (9) supplied to the reactor (R) is obtained from water by electrolysis (E), the electrical current (8) required for the electrolysis (E) being supplied from one or more renewable energy sources. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Verbrennung von Wasserstoff im Reaktor (R) benötigte Sauerstoff (3) aus Wasser durch Elektrolyse (E) gewonnen wird, wobei der für die Elektrolyse (E) notwendige elektrische Strom (8) aus erneuerbaren Energiequellen zugeführt wird.Method according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the oxygen (3) required for the combustion of hydrogen in the reactor (R) is obtained from water by electrolysis (E), the electrical current (8) required for the electrolysis (E) being supplied from renewable energy sources . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abtrennung von Kohlendioxid aus dem kohlenmonoxidhaltigen Zwischenprodukt (4) eine Sauergaswäsche eingesetzt wird.Method according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that an acid gas scrubber is used to separate carbon dioxide from the carbon monoxide-containing intermediate product (4). Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den Einsatz im Reaktor (R) bestimmter Wasserstoff in der Sauergaswäsche (S) bei der Regenerierung (B) des mit Kohlendioxid beladenen Waschmittels (14) als Strippgas (9, 16) eingesetzt wird.Procedure according to Claim 5 , characterized in that hydrogen intended for use in the reactor (R) is used as stripping gas (9, 16) in the acid gas scrubber (S) during the regeneration (B) of the scrubbing agent (14) loaded with carbon dioxide. Vorrichtung zur Erzeugung eines Kohlenmonoxid enthaltenden Produktgases (15), mit einem Reaktor (R), in dem ein Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltender Einsatzstrom (2) durch reverse Wassergas-Shift in ein kohlenmonoxidhaltiges Zwischenprodukt (4) umgesetzt werden kann, sowie einer Trenneinrichtung (K, S, C) zur Abtrennung des Produktgases (15) aus dem kohlenmonoxidhaltigen Zwischenprodukt (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (R) mit einer feuerfesten thermischen Isolierung ausgeführt ist, die einen im Wesentlichen leeren Reaktionsraum umschließt, in dem die reverse Wassergas-Shift-Reaktion bei Temperaturen von mehr als 1250°C nichtkatalytisch und homogen in der Gasphase durchgeführt und hierzu erforderliche Wärme durch Verbrennung von im Einsatzstrom (2) enthaltenem Wasserstoff erzeugt werden kann.Apparatus for generating a product gas (15) containing carbon monoxide, with a reactor (R) in which a feed stream (2) containing hydrogen and carbon dioxide can be converted into an intermediate product (4) containing carbon monoxide by reverse water gas shift, as well as a separation device (K , S, C) for separating the product gas (15) from the carbon monoxide-containing intermediate product (4), characterized in that the reactor (R) is designed with a fireproof thermal insulation which encloses an essentially empty reaction space in which the reverse water gas Shift reaction carried out non-catalytically and homogeneously in the gas phase at temperatures of more than 1250 ° C and the heat required for this can be generated by combustion of hydrogen contained in the feed stream (2). Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Elektrolyseur (E) zur elektrochemischen Zerlegung von Wasser (7) in Wasserstoff (9) und Sauerstoff (10) umfasst, der mit dem Reaktor (R) derart verbunden ist, dass der erzeugbare Wasserstoff (9) dem Reaktor (R) als Teil des Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltenden Einsatzstroms (2) zugeführt werden kann.Device according to Claim 7 , characterized in that it comprises an electrolyser (E) for the electrochemical decomposition of water (7) into hydrogen (9) and oxygen (10), which is connected to the reactor (R) in such a way that the hydrogen (9) that can be generated is the Reactor (R) can be fed as part of the feed stream (2) containing hydrogen and carbon dioxide. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Elektrolyseur (E) zur elektrochemischen Zerlegung von Wasser (7) in Wasserstoff (9) und Sauerstoff (10) umfasst, der mit dem Reaktor (R) derart verbunden ist, dass der erzeugbare Sauerstoff (10) ganz oder zum Teil im Reaktor (R) verwendbar ist, um Reaktionswärme für die reverse Wassergas-Shift-Reaktion durch die Verbrennung von Wasserstoff zu liefern.Device according to one of the Claims 7 or 8th , characterized in that it comprises an electrolyser (E) for the electrochemical decomposition of water (7) into hydrogen (9) and oxygen (10), which is connected to the reactor (R) in such a way that the oxygen (10) that can be generated is completely or can be used in part in the reactor (R) in order to supply heat of reaction for the reverse water gas shift reaction through the combustion of hydrogen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung eine Sauergaswäsche (S) zur Abtrennung von Kohlendioxid aus dem kohlenmonoxidhaltigen Zwischenprodukt (4) umfasst, in der für den Einsatz im Reaktor (R) bestimmter Wasserstoff bei der Regenerierung (B) des mit Kohlendioxid beladenen Waschmittels (14) als Strippgas (9, 16) eingesetzt werden kann.Device according to one of the Claims 7 to 9 , characterized in that the separating device comprises an acid gas scrubber (S) for separating carbon dioxide from the carbon monoxide-containing intermediate product (4), in which hydrogen intended for use in the reactor (R) is used during the regeneration (B) of the scrubbing agent (14 ) can be used as stripping gas (9, 16).
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