用于生产烃的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于生产烃的方法和设备。

背景技术

再生烃的特征在于，其通过使用再生底物来生产。再生底物可以是例如再生二氧化碳(其例如从生物质获得)和再生氢(其例如通过水的电解获得，尤其是通过使用再生性地产生的电力)。再生底物的生产以及再生底物转化成再生烃是能量密集的，并且因此也是成本密集的。目前用于生产再生烃的成本是由化石原料生产相同烃的生产成本的若干倍。

目前存在不同的实现生产再生烃的路线。在这一点上，将仅简要地概述最重要的路线，这些路线是费托合成(Fischer-Tropsch-Synthese)、醇制燃料路线(Alcohol-to-Fuel-Route)、甲醇路线(Methanol-Route)和TIGAS方法(TIGAS-Verfahren)。

费托合成实现生产不同的合成烃燃料，特别是柴油、煤油、汽油和液化气。然而，该技术具有两个缺点：第一个缺点是所述产物一起产生并且选择性很小，因此必须同时将所有所述产物投放市场。通过这种路线，在实践中无法实现在同时仅产生少量其他产物的情况下期望地生产特定的产物。费托合成的第二个缺点在于，需要一氧化碳作为底物。因此，再生地获得的二氧化碳必须首先还原成一氧化碳，这只有用逆水煤气变换(Reverse-Water-Gas-Shift，RWGS)和固体氧化物电解(Solid-Oxide-Electrolysis，SOEC)这两项不成熟的技术才有可能实现。与RWGS和SOEC关联的在超过800℃的范围中的高温对所需的材料和催化剂提出了极端的要求。此外，在这些条件下，活性表面的结焦可能相对较快。

醇制燃料路线基于通过合成气发酵来生产乙醇，其中通过微生物手段将二氧化碳和/或一氧化碳以及氢转化成乙醇。随后将乙醇脱水成乙烯，该乙烯低聚成低聚物。随后将低聚物氢化以得到烃。通过这种方式，可以以相对高的选择性生产不同的烃，例如煤油。除了合成气发酵的典型的低空间时间产率之外，按比例放大的不同方面也看做是关键的。因此产生的问题是，在工业的大规模上，醇制燃料路线在未来是否可以占主导地位。

基于由二氧化碳和氢

图1示出了根据现有技术的根据甲醇路线的方法。将包含二氧化碳和/或一氧化碳以及氢或者由二氧化碳和/或一氧化碳以及氢组成的质量流78输送至甲醇的合成13。由此产生了包括甲醇、水和未转化的底物的质量流71。即使对于大于90％的非常高的转化率，该损失也不被接受。因此进行质量流71的分离14，其中，在分离14中，通过冷凝使水和甲醇与未转化的底物分离。未转化的底物形成质量流72，其再次输送至甲醇的合成13。在分离14中形成的由甲醇和水组成的混合物以质量流73输送至蒸馏15，以便将甲醇从水分离。所述水可以在质量流75中输送至废水处理17。由于随后的烃合成19在气相中进行，所以将甲醇必须以质量流74输送至冷凝16(蒸馏塔顶部的冷凝器)并以随后的质量流76输送至蒸发18。在冷凝16中形成的冷凝物16的一部分可以作为质量流79输回到塔顶部。在分离14中要进行第一冷却81、在蒸馏15中要进行第一加热82、在冷凝16中要进行第二冷却83、在蒸发18中要进行第二加热84。这使得该过程能量密集并且因此成本密集。尽管这样，也有必要将未转化的底物输回到质量流72，在考虑到再生地获取这些底物时的高的能量消耗时，这是可以理解的。

甲醇至汽油技术的替代技术是TIGAS法，其第一步产生主要含有甲醇、二甲醚和水的混合物。该混合物未经过分离水而直接转化成汽油。尽管这种简化以及不同的技术和经济优势，但是TIGAS技术目前不适合于生产再生烃，因为类似于费托合成，TIGAS方法使用一氧化碳作为底物(3CO+3H

为了可以成本低廉地生产液态烃，在所有方法中都需要尽可能完全地使用所投入的底物和/或在所述方法中尽可能少地使用能量。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种可以成本低廉地生产液态烃的方法和设备。

根据本发明的生产烃的方法包括以下步骤：a)执行水的电解，由此产生氢和氧；b)产生具有二氧化碳和一氧化碳或基本上由二氧化碳或一氧化碳组成的碳源；c)由在步骤a)中产生的氢和在步骤b)中产生的碳源来生产烃，其中，所产生的烃的至少一部分作为液态烃存在，并且除烃之外还形成具有氢、二氧化碳和一氧化碳或基本上由氢和二氧化碳或氢和一氧化碳组成的废气以及可选地气态烃；其中，在步骤c)中，在第一方法阶段中，在平衡反应中生产甲醇(13)，并且将甲醇、在平衡反应中未转化的氢和在平衡反应中未转化的碳源输送至第二方法阶段，在该第二方法阶段中由甲醇生产烃(6)；d)将废气与液态烃分离；e)执行废气回收(8)，其中所述废气与在步骤a)中产生的氧或与在步骤a)中产生的氧和水或仅与水反应，由此形成具有水、二氧化碳和一氧化碳或基本上由水和二氧化碳组成或基本上由水和一氧化碳组成的回收产物，并且其中所述回收产物可选地分别具有氢。

在废气回收期间有利地产生热量，其同样可以加以利用，例如通过将所述热量转化为电力，例如通过在燃气轮机中执行步骤e)中的反应，和/或通过使用所述热量来例如执行蒸发和/或蒸馏。由于将所述热量转化为电力或加以利用，所以用于生产烃的所述方法有利地是成本低廉的。可以通过使废气与在步骤a)中产生的氧燃烧来执行废气回收，所述氧由于其纯度而特别地富含能量。这具有附加的优点，即在步骤a)中在电解中产生的氧也被加以利用，由此所述方法更加成本低廉。替代地，可以通过利用与水反应来执行废气的气化来执行废气回收。所述气化可以在不添加氧或在添加步骤a)中在电解中产生的氧的情况下执行。在此在气化中利用氧也使得所述方法特别地成本低廉。在步骤e)中通过使用在步骤a)中产生的氧而不使用空气进行反应，此外有利地实现基本上没有不希望的物质，例如氮和/或稀有气体在此引入到所述方法中。

为了实现所生产的烃的部分以液态烃的形式存在，可以对在步骤c)中产生的反应产物执行冷却。在此积累的液态烃可以特别好地投放市场。

在此在步骤c)中规定，在第一方法阶段中在平衡反应中生产甲醇，并且将甲醇、在平衡反应中未转化的氢和在平衡反应中未转化的碳源输送至第二方法阶段，在该第二方法阶段中由甲醇生产烃。与根据现有技术的方法(参见图1)相比，未转化的氢和未转化的碳源没有输回到甲醇的合成中(参见质量流72)。由此取消了能量密集的甲醇分离，因此所述方法特别地成本低廉。这通过如下方式实现，即在第二方法阶段之后在步骤e)中在废气回收中将未转化的氢和未转化的碳源转化为回收产物。借助本发明，使用步骤c)中的作为两阶段方法程序的设计方案实现特别有效的甲醇合成。

在此在步骤e)中，在执行废气回收(8)时可以有利地且灵活地实现不同的底物组合，该底物与废气聚到一起以发生反应。这样可以将废气与在步骤a)中产生的氧聚到一起。此外可行的是，将废气与在步骤a)中产生的氧以及与水、尤其是新鲜水聚到一起，以发生废气回收的反应。最后可行的是，废气仅与水进行反应。因此，作为所生成的氧的替代或补充，水、尤其是新鲜水与废气发生反应。

在每种情况下都因此形成回收产物，其具有水、二氧化碳和一氧化碳，或基本上由水和二氧化碳组成或基本上由水和一氧化碳组成，并且其中，所述回收产物可选地分别具有氢。因此在产物侧上可能有不同的反应路径。

在此特别优选的是，在第一方法阶段的平衡反应中形成水，该水不与甲醇、在平衡反应中未转化的氢和在平衡反应中未转化的碳源分离。由此也使得所述方法特别成本低廉。在第一方法阶段的平衡反应中形成的水可以在步骤g)中分离。所述烃优选具有饱和烃和/或烯烃或优选由饱和烃和/或烯烃组成。液态烃、尤其是饱和烃，可以例如是汽油、煤油、柴油和/或液化气。

步骤c)中的用于生产烃的具体的反应条件取决于例如要生产什么烃。例如，在汽油的生产中，压力可以为20bar至30bar，温度可以为200℃至400℃、尤其是250℃至400℃，并且可以存在非均质的催化剂，例如沸石催化剂、尤其是ZSM-5催化剂。

所述方法优选包括以下步骤：f)从所述回收产物分离水。由此，所述回收产物基本上由二氧化碳，一氧化碳和/或氢组成。由此所述回收产物比若水仍然存在于回收产物中时具有更大的价值。

在步骤f)中分离的水优选地在步骤a)中用于电解，以便由其产生氢和氧，和/或在步骤e)中使用，以便执行与废气的反应。与新鲜水不同，在步骤f)中分离的水已经去除了矿物质。因此，可以减少输送至所述方法并需要预先去除矿物质的新鲜水的量，从而使所述方法更加成本低廉。此外，所述方法因此也适于在缺少新鲜水资源的区域中执行。

优选地，步骤c)中的烃也由在步骤e)中生产的回收产物产生。由此，有利地在所述方法中不损失或仅损失很少的碳，因此所述方法更加成本低廉。在此尤其优选的是，在步骤f)中分离水，因为烃的生产是平衡反应，并且包含在回收产物中的水将降低步骤c)中液态烃的产率。

在步骤e)中产生的热量优选地部分地或全部输送至所述方法的一个吸热步骤或多个吸热步骤。由此可以降低执行所述方法的成本。所述一个或多个吸热步骤可以是例如蒸发和/或蒸馏。

优选地连续执行所述方法。由此特别地产生液态烃的连续质量流，废气的连续质量流和回收产物的连续质量流。

优选地，在步骤c)中生产的烃的一部分作为气态烃存在，并且在步骤e)中也与在步骤c)中生产的气态烃的至少一部分反应。因此，在步骤e)中有利地产生比仅与二氧化碳和/或一氧化碳以及与氢进行反应更多的热量。这在步骤e)中释放的热量不足以在所述方法中维持吸热过程时是特别重要的。在此特别优选的是，所述反应为气化。

优选地，在步骤c)中，气态烃的所述部分形成废气的一部分和/或气态烃的所述部分通过蒸馏从液态烃分离并且随后与废气混合。

气态烃特别优选地包括C

在步骤c)中还形成水，并且所述方法优选包括以下步骤：g)将水与废气和烃分离。这可以例如通过水的冷凝和与液态烃的相分离来进行。在此特别优选的是，将步骤g)中分离的水在步骤a)中用于电解，以便由其产生氢和氧，和/或在步骤e)中使用，以便执行与废气的反应。与新鲜水不同，在步骤g)中分离的水已经去除了矿物质。因此，可以减少输送至所述方法并需要预先去除矿物质的新鲜水的量，从而使所述方法更加成本低廉。此外，所述方法因此也适于在缺少新鲜水资源的区域中执行。如果在步骤e)中使用在步骤g)中分离的水，以便执行与废气的反应，则此外带来如下优点，即可能溶解在水中的烃也被气化。

在步骤b)中，优选地从空气提取二氧化碳、燃烧生物质、气化生物质和/或产生燃烧废气。由术语“直接空气捕获”(direct air capture，DAC)已知从空气提取二氧化碳的方法。例如，借助吸附或通过与氢氧化钠或氢氧化钾的反应从空气提取二氧化碳，然后通常通过输入能量再次脱附，并且由此使其可用于后续过程。为了从空气提取二氧化碳或从生物质获得二氧化碳，可以有利地再生地、也就是说不使用化石碳源地获得烃。替代地可以想到，使用来自不可避免的燃烧过程的燃烧废气。如果从空气提取二氧化碳，则这具有的优点是，基本上没有不希望的物质，例如氮和/或稀有气体进入所述方法。

优选地借助在步骤a)中产生的氧来使生物质燃烧或气化。由此可以有利地实现，基本上没有不希望的物质，例如氮和/或稀有气体进入所述方法。

根据本发明的设备被配置用于执行根据本发明的方法或其优选实施方式。

附图说明

下面将参考所附示意图进一步解释本发明。其中

图1示出了常规方法的流程图；

图2示出了根据本发明的方法的流程图；以及

图3示出了根据本发明的方法的优选实施方式的流程图。

具体实施方式

如从图2可以看出的，生产烃的方法包括以下步骤：a)执行水的电解3，由此产生氢和氧；b)产生具有二氧化碳和/或一氧化碳或基本上由二氧化碳和/或一氧化碳组成的碳源4；c)由在步骤a)中产生的氢和在步骤b)中产生的碳源来生产5烃，其中，所产生的烃的至少一部分作为液态烃6存在，并且除所述烃6之外还形成具有氢、二氧化碳和/或一氧化碳组成的废气；d)将废气与液态烃6分离；e)执行废气回收8，其中所述废气与在步骤a)中产生的氧和/或与水反应，由此形成具有二氧化碳和/或一氧化碳、水以及可选地氢的回收产物。

可以例如通过执行废气与在步骤a)中产生的氧的燃烧来执行所述废气回收。在另一示例中，可以通过与水的反应来执行废气的气化从而执行所述废气回收。可以在不添加氧或在添加在步骤a)中的电解中产生的氧的情况下执行所述气化。

图2示出了，新鲜水1可以在质量流51中输送至电解3。可以在质量流53中将在步骤a)中产生的氢输送至反应器，在该反应器中在步骤c)中生产烃6。可以在与质量流53分开的质量流55中运输在步骤a)中产生的氧，从而氢和氧不可混合。

为了在步骤b)中提供碳源，可以在质量流52中提供含碳的初始物质2。由质量流52可以产生碳源，该碳源可以在质量流54中输送至反应器。例如，可以在步骤b)中从空气提取二氧化碳，从而所述含碳的初始物质2是空气。在步骤b)中，可以燃烧和/或气化生物质，从而所述含碳的初始物质2是生物质。如果燃烧生物质，则主要产生是二氧化碳；如果气化生物质，则主要产生一氧化碳。可以想到，借助在步骤a)中产生的氧来气化或燃烧所述生物质。这具有的优点是，由此没有氮或惰性气体进入所述过程。为此，在步骤a)中产生的氧可以部分地或完全地在质量流70中提供，所述质量流与质量流53分开运输，从而不发生氧与氢的混合。在另一示例中，可以尤其通过作为含碳的初始物质的化石燃料的气化和/或燃烧来产生燃烧废气。

可以在步骤c)中在至少200℃、尤其是250℃至400℃的反应器温度下进行烃的生产5。压力可以为20bar至30bar，并且可以存在非均质的催化剂，例如沸石催化剂、尤其是ZSM-5催化剂。

在步骤d)中分离的废气可以在质量流58中提供，并且可以具有-氢，

-二氧化碳和/或一氧化碳，

-可选地气态烃、尤其是C

-氢，

-二氧化碳和/或一氧化碳，

-可选地气态烃、尤其是C

在步骤e)中使用在步骤a)中产生的氧来执行燃烧或气化的情况下，质量流55可与质量流58混合，以便执行废气回收8。在步骤e)中执行气化的情况下，在步骤g)中分离的水7可以至少部分地在步骤e)中使用，以便执行与废气的反应，参见质量流67和质量流65。替代地或除此之外，步骤e)中的气化可以借助另一新鲜水11来执行，参见质量流66和质量流65。

在此在步骤e)中，在执行废气回收8时可以有利地且灵活地实现不同的底物组合，该底物与废气聚到一起以发生反应。这样可以将废气与在步骤a)中产生的氧聚到一起。此外可行的是，将废气与在步骤a)中产生的氧以及与水、尤其是新鲜水聚到一起，以发生废气回收的反应。最后可行的是，仅与水执行废气的反应。因此，作为所生成的氧的替代或补充，水、尤其是另一新鲜水11与废气发生反应。

在每种情况下都因此形成回收产物，其具有水、二氧化碳和一氧化碳，或基本上由水和二氧化碳组成或基本上由水和一氧化碳组成，并且其中，所述回收产物可选地分别具有氢。

因此在产物侧上可能有不同的反应路径。

在步骤e)之后形成具有二氧化碳、一氧化碳、氢和/或水和/或基本上由二氧化碳、一氧化碳、氢和/或水组成的质量流59。如果在步骤e)中执行燃烧，废气中所含的碳基本上转化成二氧化碳。如果在步骤e)中执行气化，则在质量流59中一氧化碳的份额将高于二氧化碳的份额。图2还示出了，所述方法可以包括以下步骤：f)从回收产物分离9水12。水12的分离可以通过水12的冷凝来进行。由此产生质量流63，该质量流由在步骤f)中分离的水12形成。在步骤f)中分离的水12可以在步骤a)中用于电解3(参见质量流69)，以便由其产生氢和氧，并且/或者可以在步骤e)中使用，以便执行与废气的反应。在质量流69中未使用的质量流63的份额可以形成质量流64。作为使用在步骤f)中分离的水12的替代方案，还可以在澄清设备中净化并排出所述水12。

图2示出，在步骤c)中也可以由在步骤e)中产生的回收产物来生产烃。为此，在水12的分离9的下游，可以沿朝向反应器的方向输送具有二氧化碳、一氧化碳和/或氢或基本上由二氧化碳、一氧化碳和/或氢组成的质量流60。质量流60的一部分可以可选地在质量流61中作为残余废气10引出，以便取出可能出现的副产物并且因此抑制其在所述方法中的富集。然后将由质量流60可选地扣除质量流61后形成的质量流62输送至反应器。

所述方法可以连续执行。这意味着，例如，尤其质量流53、质量流54和质量流58是连续的。

在步骤e)中产生的热量优选地部分地或完全地输送至所述方法的一个吸热步骤或多个吸热步骤，例如蒸发和/或蒸馏。

还可以想到的是，在步骤c)中所生产的烃的一部分作为气态烃存在，并且在步骤e)中也至少使用在步骤c)中生产的气态烃6的一部分执行反应。在此，在步骤c)中，气态烃的所述部分可以作为废气的一部分而形成(这意味着，在图2中，质量流58在其起始处就已经具有气态烃的所述部分)和/或气态烃的所述部分可以通过蒸馏作为质量流68与液态烃6分离，并且随后与废气混合，即添加给质量流58。气态烃可以具有C

如从图3可以看出，在步骤c)中，可以在第一方法阶段中在平衡反应中生产13甲醇，并且可以将所述甲醇、在平衡反应中未转化的氢和在平衡反应中未转化的碳源输送至第二方法阶段，在该第二方法阶段中由甲醇生产烃。为了生产13甲醇，可以提供质量流78，该质量流具有氢并且具有一氧化碳和/或二氧化碳，或者该质量流基本上由氢组成并且由一氧化碳和/或二氧化碳组成。在第一方法阶段中，反应条件可以例如包括：200℃至300℃的温度，至少50bar、尤其是50bar至250bar的压力，以及能够加入金属氧化物催化剂。

通过生产13甲醇，形成了质量流71，该质量流包含甲醇和氢，以及一氧化碳和/或二氧化碳，以及可选地水。在不分离上述物质的情况下将质量流71输送至以甲醇作为底物的烃的生产19，即输送至第二方法阶段。在第二方法阶段中，例如，压力可以为20bar至30bar，温度可以为200℃至400℃、尤其是250℃至400℃，并且可以存在非均质催化剂，例如沸石催化剂、尤其是ZSM-5催化剂。类似于图1地执行步骤d)和步骤e)。此外，废气还可以具有C

可以想到，在第一方法阶段的平衡反应中形成水(如果用二氧化碳作为底物来生产甲醇)，将该水输送至第二方法阶段。直到步骤d)才分离所述水。

所述方法对于烃的生产特别有利地使用作为来自甲醇合成13的优选产物的甲醇来运行。所述甲醇又可以用作用于生产(19)的另外的高价值液态烃的富有价值的初始物质(底物)或中间产物。

在所述烃包含C

如果在同样有其他化工设备或制药工业设备的场所执行所述方法，则在步骤e)中产生的热量同样可以投放市场。在步骤e)中产生的热量可以加以利用，例如以便在其他设备中执行吸热过程、例如蒸发或蒸馏。

设备被配置为执行所述方法。