FR3107195A1 - Method and apparatus for the production of chemical compounds - Google Patents
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Abstract
Le procédé et l'appareil selon l'invention permettent la production de composés chimiques sans l'utilisation de catalyseurs. Pour cela, les réacteurs de compression sont fournis avec les réactifs nécessaires aux produits souhaités. De plus, les conditions de réaction sont contrôlées au moyen d'un dispositif de contrôle électronique. Pour ce faire, les réacteurs de compression sont notamment combinés avec une machine électronique, ce qui permet d'influencer le temps de séjour dans les réacteurs. En outre, il est prévu d'augmenter les pressions des réactifs à l'aide d'un compresseur. En outre, les conditions de fonctionnement sont enregistrées à l'aide de capteurs et/ou d'analyseurs appropriés. Figure pour l’abrégé : Figure 12 The method and apparatus according to the invention allow the production of chemical compounds without the use of catalysts. For this, the compression reactors are supplied with the reagents necessary for the desired products. In addition, the reaction conditions are controlled by means of an electronic control device. To do this, the compression reactors are in particular combined with an electronic machine, which makes it possible to influence the residence time in the reactors. In addition, it is planned to increase the pressures of the reactants using a compressor. In addition, operating conditions are recorded using appropriate sensors and / or analyzers. Figure for the abstract: Figure 12
Description
Description détaillée de l’inventionDetailed description of the invention
L'utilisation de réacteurs à flux est courante dans la fabrication de produits chimiques car ils sont relativement peu coûteux et faciles à fabriquer. Par exemple, le méthane, l'ammoniac et le méthanol sont couramment produits de manière catalytique dans des réacteurs ou des tubes à écoulement fluide, en particulier dans les réacteurs à lit fixe, à lit fluidisé ou à lit fluidisé. Par exemple, le méthane est produit à partir de CO, CO2et H2par le procédé Sabatier, il en va de même pour le méthanol ou l'éthanol, mais moins d'hydrogène est ajouté par atome de carbone, et H2et N2sont utilisés pour produire du NH3par le procédé Haber Bosch. Toutes les réactions ci-dessus ont en commun de se produire à l'échelle technique sur des catalyseurs solides. Alors que les catalyseurs contenant du zinc sont généralement utilisés pour la production de méthanol, les catalyseurs contenant du fer sont utilisés pour le procédé Haber-Bosch et les catalyseurs contenant du nickel sont utilisés pour le procédé Sabatier. L'utilisation de réacteurs à flux est courante car ils sont relativement peu coûteux et faciles à fabriquer. Cependant, la pureté des réactifs CO, CO2, N2et H2est très exigeante, sinon les catalyseurs utilisés seront empoisonnés. Par conséquent, ces substances doivent être purifiées de manière complexe avant d'être introduites dans le processus catalytique respectif. Cela s'applique en particulier au CO et au CO2s'ils ont été formés au cours d'un processus dans lequel des composants inorganiques tels que le calcium, le sodium, le vanadium, le phosphore, le soufre ou similaires étaient présents. L'inconvénient de ce type de réacteur est également sa difficile contrôlabilité et ses longs temps de démarrage, c'est-à-dire qu'il ne peut pas être exploité de manière dynamique. De plus, un refroidissement intermédiaire est nécessaire en raison de la forte chaleur de la plupart des réactions. Si cela n'est pas fait, seules de très faibles sélectivités peuvent être atteintes. De plus, en raison des catalyseurs utilisés, les réacteurs ne sont conçus que pour une seule réaction spécifique et ne peuvent donc être utilisés que pour cette seule réaction. Les réacteurs de compression dits pulsés représentent un autre contrôle de processus possible. Ce type de réacteur est généralement décrit, par exemple, dans US 8,691,079 B2, US 2,814,551, US 2,814,552 et dans ""Pulsed Compression Technology : A Breakthrough in the Production of Hydrogen", M. Glouchenkov and A. Kronberg, WHEC 16/Jun. 13-16, 2006"". L'idée de base est que les réactifs gazeux sont introduits dans une chambre de réaction via au moins une soupape d'admission, ce mélange gazeux est ensuite comprimé via un piston et ainsi chauffé. La réaction souhaitée est déclenchée par la température élevée, puis la pression et donc la température baissent à nouveau en raison du mouvement du piston et les produits ainsi produits quittent alors la chambre de réaction via au moins une soupape de sortie. Ce processus est répété périodiquement, comparable à celui d'un moteur à combustion interne. La différence, cependant, est que dans les moteurs à combustion interne, l'accent est mis sur l'énergie fournie et les gaz d'échappement sont rejetés dans l'atmosphère, alors que dans les réacteurs à compression pulsée, l'objectif est d'obtenir des produits utilisables. De cette manière, des températures bien supérieures à mille Kelvin et des pressions de plusieurs centaines de bars peuvent être représentées pendant une courte période sans que les composants du réacteur ne soient soumis à une charge trop élevée, car l'expansion ultérieure du gaz entraîne un refroidissement du mélange réactionnel et donc une réduction de la charge des composants. Afin d'utiliser l'énergie dissipée lors de la dilatation, au moins deux chambres de réaction sont généralement couplées mécaniquement de telle sorte que la dilatation d'une chambre de réaction entraîne une compression dans la deuxième chambre de réaction. Cela peut être réalisé, par exemple, par un arrangement de piston libre (US8691079B2, "Pulsed Compression Technology : A Breakthrough in the Production of Hydrogen", M. Glouchenkov et A. Kronberg, WHEC 16/Jun. 13-16, 2006). On peut également imaginer une connexion de deux pistons opposés, tournant en sens inverse, fermant chacun une chambre de réacteur (US2814551). En outre, les réacteurs basés sur des moteurs à piston alternatif qui fonctionnent comme des reformeurs et sont utilisés pour produire du gaz de synthèse (Lim, Emmanuel G. et al. "The Engine Reformer : Syngas Production in an Engine for Compact Gas-to-Liquids Synthesis"). The Canadian Journal of Chemical Engineering 94.4 (2016) : 623-635). Cependant, les réacteurs de compression pulsée n'ont pas été largement utilisés pour les raisons suivantes :The use of flow reactors is common in chemical manufacturing because they are relatively inexpensive and easy to manufacture. For example, methane, ammonia, and methanol are commonly produced catalytically in fluid-flow reactors or tubes, particularly in fixed-bed, fluidized-bed, or fluidized-bed reactors. For example, methane is produced from CO, CO 2 and H 2 by the Sabatier process, the same is true for methanol or ethanol, but less hydrogen is added per carbon atom, and H 2 and N 2 are used to produce NH 3 by the Haber Bosch process. All the above reactions have in common that they occur on a technical scale on solid catalysts. While zinc-containing catalysts are typically used for methanol production, iron-containing catalysts are used for the Haber-Bosch process, and nickel-containing catalysts are used for the Sabatier process. The use of flow reactors is common because they are relatively inexpensive and easy to manufacture. However, the purity of the CO, CO 2 , N 2 and H 2 reagents is very demanding, otherwise the catalysts used will be poisoned. Therefore, these substances must be purified in a complex way before being introduced into the respective catalytic process. This applies in particular to CO and CO 2 if they were formed during a process in which inorganic components such as calcium, sodium, vanadium, phosphorus, sulfur or the like were present. The disadvantage of this type of reactor is also its difficult controllability and its long start-up times, ie it cannot be operated dynamically. In addition, intermediate cooling is required due to the high heat of most reactions. If this is not done, only very low selectivities can be achieved. Also, due to the catalysts used, the reactors are only designed for one specific reaction and therefore can only be used for that one reaction. The so-called pulsed compression reactors represent another possible process control. This type of reactor is generally described, for example, in US 8,691,079 B2, US 2,814,551, US 2,814,552 and in "Pulsed Compression Technology: A Breakthrough in the Production of Hydrogen", M. Glouchenkov and A. Kronberg, WHEC 16/Jun 13-16, 2006". The basic idea is that the gaseous reactants are introduced into a reaction chamber via at least one inlet valve, this gaseous mixture is then compressed via a piston and thus heated. The reaction desired is triggered by the high temperature, then the pressure and thus the temperature drop again due to the movement of the piston and the products thus produced then leave the reaction chamber via at least one outlet valve.This process is repeated periodically, comparable to that of an internal combustion engine. The difference, however, is that in internal combustion engines the emphasis is on the energy supplied and the exhaust gases are released into the atmosphere, whereas in the reacts pulsed compressors, the objective is to obtain usable products. In this way, temperatures well above a thousand Kelvin and pressures of several hundred bar can be represented for a short time without the reactor components being subjected to too high a load, since the subsequent expansion of the gas leads to a cooling of the reaction mixture and therefore a reduction in the loading of the components. In order to utilize the energy dissipated during expansion, at least two reaction chambers are usually mechanically coupled such that expansion of one reaction chamber results in compression in the second reaction chamber. This can be achieved, for example, by a free piston arrangement (US8691079B2, "Pulsed Compression Technology: A Breakthrough in the Production of Hydrogen", M. Glouchenkov and A. Kronberg, WHEC 16/Jun. 13-16, 2006) . One can also imagine a connection of two opposite pistons, rotating in opposite directions, each closing a reactor chamber (US2814551). Also, reactors based on reciprocating piston engines that operate as reformers and are used to produce syngas (Lim, Emmanuel G. et al. "The Engine Reformer: Syngas Production in an Engine for Compact Gas-to -Liquid Synthesis"). The Canadian Journal of Chemical Engineering 94.4 (2016): 623-635). However, pulsed compression reactors have not been widely used for the following reasons:
1. L'étanchéité de l'enceinte du réacteur vers l'extérieur est essentielle pour les mélanges toxiques, inflammables ou explosifs pour des raisons de sécurité. Cependant, comme des joints dynamiques sont utilisés sur le piston, il arrive souvent que le succès ne soit pas total, ce qui peut entraîner des risques pour l'environnement.1. Sealing the reactor enclosure to the outside is essential for toxic, flammable or explosive mixtures for safety reasons. However, as dynamic seals are used on the piston, it often happens that the success is not complete, which can lead to environmental risks.
2. En raison des pertes par frottement, le travail de dilatation est souvent insuffisant pour fournir suffisamment d'énergie pour comprimer l'autre piston. Dans le document US2814551, il est décrit que dans un tel cas, un gaz supplémentaire, généralement un gaz inerte, est injecté dans la chambre du réacteur pour y augmenter la pression. De cette façon, l'énergie fournie pour la compression peut être augmentée, mais des valves et des compresseurs supplémentaires sont nécessaires pour cela. 3.2. Due to friction losses, the work of expansion is often insufficient to provide enough energy to compress the other piston. In document US2814551, it is described that in such a case, an additional gas, generally an inert gas, is injected into the reactor chamber to increase the pressure therein. In this way, the energy supplied for compression can be increased, but additional valves and compressors are required for this. 3.
3. Le processus est très difficile à contrôler, car, par exemple, la fréquence des mouvements du piston et donc le temps de séjour dépendent de l'énergie libérée dans la réaction et donc de la quantité de réactif fournie.3. The process is very difficult to control, because, for example, the frequency of the piston movements and therefore the residence time depend on the energy released in the reaction and therefore on the quantity of reagent supplied.
4. L'appareil doit être démarré pneumatiquement, ce qui nécessite un grand nombre de valves et un câblage compliqué.4. The device must be started pneumatically, which requires a large number of valves and complicated wiring.
5. Souvent, des températures et des pressions relativement élevées doivent être réalisées afin d'obtenir des énergies d'activation suffisamment élevées pour démarrer la réaction. Cela peut être désavantageux en ce qui concerne la sélectivité de la réaction.5. Often relatively high temperatures and pressures must be achieved in order to obtain activation energies high enough to start the reaction. This can be disadvantageous with regard to the selectivity of the reaction.
6. Comme il n'est pas possible de contrôler directement le début de la réaction, mais qu'elle est déclenchée uniquement par la pression et la température, celle-ci peut déjà avoir lieu avant le point mort haut du piston, ce qui a pour conséquence que celui-ci est d'une part fortement sollicité mécaniquement et d'autre part freiné. Ce dernier point peut faire en sorte qu'il n'atteigne pas du tout le point mort haut, et le réacteur de compression pulsatoire peut s'arrêter.6. Since the onset of the reaction cannot be directly controlled, but is only triggered by pressure and temperature, the reaction may already take place before the top dead center of the piston, which has as a consequence that it is on the one hand strongly mechanically stressed and on the other hand braked. This last point may cause it to not reach top dead center at all, and the pulsating compression reactor may shut down.
L'invention divulguée dans les revendications 1 et 10 est basée sur la problématique de la présentation d'un procédé ainsi que d'un appareil produisant des hydrocarbures, notamment du méthane et/ou des alcools et/ou des éthers, et/ou de l'ammoniac.The invention disclosed in claims 1 and 10 is based on the problem of presenting a method as well as an apparatus producing hydrocarbons, in particular methane and/or alcohols and/or ethers, and/or ammonia.
Le procédé selon l'invention résout ces problèmes selon le terme générique de la revendication 1, et l'appareil selon l'invention résout ces problèmes selon le terme générique de la revendication 10.The method according to the invention solves these problems according to the generic term of claim 1, and the apparatus according to the invention solves these problems according to the generic term of claim 10.
Selon l'invention, elle est destinée à fournir des composés contenant du carbone, en particulier des composés gazeux ou liquides, et/ou de l'azote à des réacteurs à compression à mouvement alternatif ou à un réacteur à piston rotatif. Si l'hydrogénation doit avoir lieu, l'hydrogène est en outre fourni aux chambres du réacteur. À l'aide d'un système de commande électronique qui évalue les capteurs et calcule des modèles mathématiques et commande les actionneurs, les paramètres de fonctionnement des réacteurs sont déterminés et influencés afin d'optimiser le rendement et/ou la sélectivité d'au moins un produit souhaité. Pour cela, les valeurs réelles obtenues par les capteurs et/ou les analyseurs sont comparées aux valeurs de consigne enregistrées dans l'unité de commande électronique, et les paramètres de fonctionnement des réacteurs sont modifiés par des actionneurs appropriés de telle sorte que les valeurs réelles se rapprochent des valeurs de consigne. De plus, selon l'invention, il est prévu que le rendement maximal et/ou la sélectivité d'au moins un produit soit utilisé comme point de consigne et qu'une optimisation indépendante des paramètres de fonctionnement des réacteurs ait lieu dans l'unité de contrôle électronique. Ceci est particulièrement utile lorsque la qualité ou la composition des réactifs fournis fluctue, et que l'optimisation continue des paramètres de fonctionnement signifie que les réacteurs continuent à être exploités dans leur plage de fonctionnement optimale. C'est-à-dire que l'unité de commande électronique se réapprend continuellement. Ce réapprentissage est une priorité dans le domaine des réseaux neuronaux ou de l'intelligence artificielle, il ne sera donc pas abordé plus avant ici. Contrairement à l'art antérieur, dans lequel différents réacteurs ou catalyseurs doivent être utilisés pour différents produits, le procédé selon l'invention et l'appareil associé offrent l'avantage que les paramètres de fonctionnement des réacteurs de compression, tels que la température de réaction, le temps de séjour, la pression de réaction, la composition du réactif, les temps d'ouverture et de fermeture des vannes, peuvent être modifiés sur une large gamme, de sorte qu'une grande variété de produits peut être produite avec le même appareil. Dans les réacteurs à compression alternatifs, au moins deux chambres de réacteur sont en forme de cylindre et sont disposées en ligne. Une disposition en deux rangées sous forme de "bancs" est également possible, les deux bancs étant disposés de manière inclinée selon un angle de 40° à 120°, de préférence selon un angle de 42° à 90°, de manière extrêmement préférable selon un angle de 45° à 60° l'un par rapport à l'autre. Dans les deux cas, c'est-à-dire la conception en ligne ou en V, tous les pistons qui se déplacent dans les cylindres agissent sur un arbre commun, en particulier un vilebrequin, via une bielle dans chaque cas. C'est-à-dire que la conception est en principe un moteur à piston alternatif. Un dispositif, par exemple une machine électrique (E-machine), est couplé à ce vilebrequin, par lequel la vitesse de l'arbre et donc le temps de séjour dans les chambres de réaction peuvent être modifiés : Si le temps de séjour doit être augmenté, le vilebrequin est freiné à l'aide d'au moins un dispositif, si le temps de séjour doit être réduit, le vilebrequin est accéléré à l'aide du dispositif, ou le couple de freinage du dispositif est réduit. Les machines électriques utilisées sont, par exemple, des collecteurs, tels que les moteurs à courant continu ou à courant alternatif monophasé, ou des machines à champ tournant, telles que les machines asynchrones triphasées, les machines synchrones triphasées, les moteurs asynchrones monophasés, les moteurs synchrones monophasés. Les machines E qui peuvent être utilisées à la fois comme moteur et comme générateur sont préférables, car elles peuvent fournir de l'énergie au réacteur de compression d'une part, mais aussi en extraire de l'autre, de sorte qu'un fonctionnement très souple est possible. En outre, l'énergie à dissiper pendant la décélération peut être convertie en électricité lorsque la machine électrique est utilisée comme générateur et alimente le réseau électrique ou est mise à la disposition d'autres consommateurs électriques.According to the invention, it is intended to supply compounds containing carbon, in particular gaseous or liquid compounds, and/or nitrogen to reciprocating compression reactors or to a rotary piston reactor. If hydrogenation is to take place, hydrogen is additionally supplied to the reactor chambers. Using an electronic control system that evaluates the sensors and calculates mathematical models and controls the actuators, the operating parameters of the reactors are determined and influenced in order to optimize the yield and/or the selectivity of at least a desired product. For this, the actual values obtained by the sensors and/or the analyzers are compared with the setpoint values recorded in the electronic control unit, and the operating parameters of the reactors are modified by suitable actuators in such a way that the actual values approach the setpoint values. Furthermore, according to the invention, provision is made for the maximum yield and/or the selectivity of at least one product to be used as the set point and for independent optimization of the operating parameters of the reactors to take place in the unit. electronic control. This is particularly useful when the quality or composition of reagents supplied fluctuates, and continuous optimization of operating parameters means that reactors continue to operate within their optimum operating range. That is, the electronic control unit continually relearns itself. This relearning is a priority in the field of neural networks or artificial intelligence, so it will not be discussed further here. Unlike the prior art, in which different reactors or catalysts have to be used for different products, the process according to the invention and the associated apparatus offer the advantage that the operating parameters of the compression reactors, such as the temperature of reaction, residence time, reaction pressure, reactant composition, valve opening and closing times, can be varied over a wide range, so a wide variety of products can be produced with the same device. In reciprocating compression reactors, at least two reactor chambers are cylinder-shaped and are arranged in line. An arrangement in two rows in the form of "benches" is also possible, the two benches being arranged inclined at an angle of 40° to 120°, preferably at an angle of 42° to 90°, extremely preferably according to an angle of 45° to 60° to each other. In both cases, i.e. in-line or V-design, all the pistons moving in the cylinders act on a common shaft, specifically a crankshaft, via a connecting rod in each case. That is, the design is in principle a reciprocating piston engine. A device, for example an electric machine (E-machine), is coupled to this crankshaft, by which the shaft speed and thus the residence time in the reaction chambers can be changed: If the residence time is to be increased, the crankshaft is braked using at least one device, if the dwell time is to be reduced, the crankshaft is accelerated using the device, or the braking torque of the device is reduced. The electrical machines used are, for example, collectors, such as single-phase direct current or alternating current motors, or rotating field machines, such as three-phase asynchronous machines, three-phase synchronous machines, single-phase asynchronous motors, single-phase synchronous motors. E-machines that can be used as both a motor and a generator are preferable, since they can supply energy to the compression reactor on the one hand, but also extract it from the other, so that an operation very flexible is possible. Furthermore, the energy to be dissipated during the deceleration can be converted into electricity when the electric machine is used as a generator and feeds into the electricity grid or is made available to other electrical consumers.
Si une machine E est utilisée comme moteur, le démarrage de l'appareil est très facile, car le vilebrequin est tracté pour ce cas. En outre, on peut représenter ici des réactions dans lesquelles l'énergie libérée par la réaction n'est pas suffisante pour assurer un fonctionnement autonome de l'appareil. C'est notamment le cas des réactions endothermiques. Dans ce cas, l'appareil est entraîné par la machine électrique. Afin de réduire le coût d'une machine E, lorsque la puissance de sortie des réacteurs de compression est élevée et que la puissance de freinage associée du vilebrequin est élevée, il est possible de combiner une petite machine E (pour le démarrage et pour compenser les pics de courte durée) et un puissant frein à courant de Foucault ou à eau, qui prend en charge la majeure partie de la puissance de freinage. Dans ce cas, le rendement actuel est naturellement beaucoup plus faible, mais des flux de chaleur élevés sont alors produits, qui peuvent être utilisés comme chaleur de processus. En plus de la conception décrite ci-dessus comme une machine à piston alternatif, une conception comme une machine à piston rotatif peut également être mise en œuvre selon l'invention. Pour ce faire, le rotor, comme le vilebrequin, est également couplé à un dispositif, par exemple une machine électrique, au moyen de laquelle la vitesse de rotation du rotor de la machine à piston rotatif et donc le temps de séjour dans les chambres de réaction peuvent être modifiés. En outre, comme nous l'avons déjà décrit ci-dessus, la production d'énergie électrique est ainsi possible. Selon l'invention, au moins un des produits résultants a une valeur calorifique d'au moins 12MJ/kg, avantageusement d'au moins 20MJ/kg, extrêmement avantageusement d'au moins 30MJ/kg. La proportion d'au moins un produit ayant une valeur calorifique d'au moins 12MJ/kg dans le flux de matière sortant du réacteur est d'au moins 5%, avantageusement d'au moins 10%, extrêmement avantageusement d'au moins 20%. Le procédé convient avantageusement si la somme des pouvoirs calorifiques volumétriques des produits est supérieure à la somme des pouvoirs calorifiques volumétriques des réactifs. Les produits comprennent les hydrocarbures aliphatiques (C2H2, CH4, etc.), les hydrocarbures aromatiques, les alcaloïdes, les acides aminés, les graisses, les hétérocycles, NH3, les alcools (CH3CH2OH, CH3OH, etc.), HCHO, C2H4, éthers (diméthyl éther (DME), diéthyl éther (DEE), polyoxyméthylène diméthyl éther (POMDME) etc.), amines, amides, urée, CS2, thiocyanates, carbamate, acides organiques (par ex. acide acétique).If an E-machine is used as the engine, starting the device is very easy, since the crankshaft is pulled for this case. In addition, reactions can be represented here in which the energy released by the reaction is not sufficient to ensure independent operation of the device. This is particularly the case for endothermic reactions. In this case, the device is driven by the electric machine. In order to reduce the cost of an E machine, when the output power of the compression reactors is high and the associated braking power of the crankshaft is high, it is possible to combine a small E machine (for starting and to compensate peaks of short duration) and a powerful eddy current or water brake, which takes over most of the braking power. In this case, the current efficiency is naturally much lower, but then high heat fluxes are produced, which can be used as process heat. In addition to the design described above as a reciprocating piston machine, a design as a rotary piston machine can also be implemented according to the invention. To do this, the rotor, like the crankshaft, is also coupled to a device, for example an electric machine, by means of which the rotational speed of the rotor of the rotary-piston machine and therefore the residence time in the chambers of reaction can be changed. Furthermore, as we have already described above, the production of electrical energy is thus possible. According to the invention, at least one of the resulting products has a calorific value of at least 12MJ/kg, advantageously at least 20MJ/kg, extremely advantageously at least 30MJ/kg. The proportion of at least one product having a calorific value of at least 12MJ/kg in the flow of material leaving the reactor is at least 5%, advantageously at least 10%, extremely advantageously at least 20 %. The process is advantageously suitable if the sum of the volumetric calorific values of the products is greater than the sum of the volumetric calorific values of the reactants. Products include aliphatic hydrocarbons (C 2 H 2 , CH 4 , etc.), aromatic hydrocarbons, alkaloids, amino acids, fats, heterocycles, NH 3 , alcohols (CH 3 CH 2 OH, CH 3 OH, etc.), HCHO, C 2 H 4 , ethers (dimethyl ether (DME), diethyl ether (DEE), polyoxymethylene dimethyl ether (POMDME) etc.), amines, amides, urea, CS2, thiocyanates, carbamate, acids organic (e.g. acetic acid).
À cette fin, un, avantageusement au moins deux, des composés suivants ou leurs dérivés sont introduits dans les chambres du réacteur : N2, H2, CO, CO2, aldéhydes, en particulier HCHO, alcools, en particulier CH3OH et éthanol, soufre, NH3. Si l'on ajoute de l'oxygène, on ajoute toujours moins d'oxygène que ce qui serait nécessaire pour une oxydation complète du composé, selon l'invention moins de 80%, avantageusement moins de 40%, particulièrement avantageusement moins de 20% de la quantité d'oxygène qui serait nécessaire pour une oxydation complète. Le CH4peut ainsi être produit à partir du CO ou du CO2et de l'H2selon les équations suivantes.To this end, one, advantageously at least two, of the following compounds or their derivatives are introduced into the chambers of the reactor: N 2 , H 2 , CO, CO 2 , aldehydes, in particular HCHO, alcohols, in particular CH 3 OH and ethanol, sulphur, NH 3 . If oxygen is added, less oxygen is always added than would be necessary for complete oxidation of the compound, according to the invention less than 80%, advantageously less than 40%, particularly advantageously less than 20% the amount of oxygen that would be needed for complete oxidation. CH 4 can thus be produced from CO or from CO 2 and H 2 according to the following equations.
H2+ CO2→ CO + H2O H2 + CO2 → CO + H2O
3 H2+ CO → CH4+ H2O 3H2 + CO → CH4 + H2O
Pour augmenter le rendement, l'H2et le CO/CO2non consommés sont séparés du flux de produits résultant et recyclés dans le réacteur. Les mêmes réactifs sont également utilisés pour produire du méthanol et de l'éthanol, respectivement, mais moins d'hydrogène est ajouté par atome de carbone.To increase the yield, the unconsumed H 2 and CO/CO 2 are separated from the resulting product stream and recycled to the reactor. The same reagents are also used to produce methanol and ethanol, respectively, but less hydrogen is added per carbon atom.
CO + 2H2→ CH3OHCO + 2H 2 → CH 3 OH
CO2+ 3H2→ CH3OH + H2OCO 2 + 3H 2 → CH 3 OH + H 2 O
2CO + 4H2→ CH3CH2OH + H2O2CO + 4H2 → CH3CH2OH + H2O
2CO2+ 6H2→ CH3CH2OH + 3H2O 2CO2 + 6H2 → CH3CH2OH + 3H2O
N2et H2sont utilisés pour produire de l'ammoniac.N 2 and H 2 are used to produce ammonia.
N2+ 3H2→ 2 NH3 N2 + 3H2 → 2NH3
Le CO2et le NH3sont ajoutés aux réacteurs pour la production de carbamate d'ammonium.CO 2 and NH 3 are added to the reactors for the production of ammonium carbamate.
2NH3+ CO2→ H2NCOONH4 2NH3 + CO2 → H2NCOONH4
L'urée peut alors être produite à partir du carbamate d'ammonium formé.Urea can then be produced from the ammonium carbamate formed.
H2NCOONH4→ H2NCONH2+ H2OH 2 NCONH 4 → H 2 NCONH 2 + H 2 O
L'acide acétique peut être produit à partir des réactifs que sont le méthanol et le monoxyde de carbone. La pression de réaction est d'au moins 30bar, de préférence d'au moins 50bar, de préférence d'au moins 70bar. La température de réaction se situe entre 100°C et 350°C, de préférence entre 150°C et 300°C, de préférence entre 150°C et 250°C.Acetic acid can be produced from the reactants methanol and carbon monoxide. The reaction pressure is at least 30 bar, preferably at least 50 bar, preferably at least 70 bar. The reaction temperature is between 100°C and 350°C, preferably between 150°C and 300°C, preferably between 150°C and 250°C.
CH3OH + CO → CH3COOH.CH 3 OH + CO → CH 3 COOH.
Pour la production d'éthyne, le méthane est utilisé comme réactif, la température de réaction est d'au moins 1500°C, de préférence d'au moins 1700°C, de préférence d'au moins 1800°C. Pour obtenir une haute sélectivité, la température de réaction est ouverte en ouvrant la vanne de sortie avant le point mort bas, c'est-à-dire avant la fin du temps de détente.For the production of ethyne, methane is used as a reagent, the reaction temperature is at least 1500°C, preferably at least 1700°C, preferably at least 1800°C. To achieve high selectivity, the reaction temperature is turned on by opening the outlet valve before bottom dead center, i.e. before the end of the expansion time.
2CH4→ 2C2H2+ 2H2 2CH4 → 2C2H2 + 2H2
L'acétaldéhyde est produit sur de l'éthyne et de l'oxygène à des pressions de réaction d'au moins 8 bars, de préférence 9 bars, de préférence au moins 10. La température de réaction est au maximum de 350°C, de préférence de 300°C, de préférence au maximum de 250°C. Pour augmenter le rendement, l'éthyne non consommée est séparée du flux de produit résultant et recyclée dans le réacteur du côté du réactif.Acetaldehyde is produced over ethyne and oxygen at reaction pressures of at least 8 bars, preferably 9 bars, preferably at least 10. The reaction temperature is at most 350°C, preferably 300°C, preferably at most 250°C. To increase yield, unconsumed ethyne is separated from the resulting product stream and recycled to the reactor on the reactant side.
2C2H4+ O2 → 2CH3CHO2C 2H4 + O2 → 2CH 3 CHO
En outre, l'acétaldéhyde peut également être produit à partir d'éthanol et d'oxygène, et le recyclage de l'éthanol non utilisé dans le compartiment du réacteur augmente le rendement. La séparation de l'acétaldéhyde de l'eau formée et de l'éthanol non utilisé est réalisée par une distillation ultérieure.Additionally, acetaldehyde can also be produced from ethanol and oxygen, and recycling unused ethanol back to the reactor compartment increases yield. The separation of the acetaldehyde from the water formed and the unused ethanol is carried out by subsequent distillation.
2C2H5OH + O2 → 2CH3CHO + H2O2C 2 H 5 OH + O2 → 2CH 3 CHO + H 2 O
L'éthanol peut également être produit à partir d'éthène et d'eau dans le processus de l'invention.Ethanol can also be produced from ethene and water in the process of the invention.
C2H4+ H2O → C2H5OH C2H4 + H2O → C2H5OH
Les réactifs pour la production d'autres produits, tels que le HCHO, sont le CO et/ou le CO2et l'H2, pour le CH3OH et le CH3CH2OH, le CO et/ou le CO2et l'H2, pour le DME, le CH3OH, pour le POMDME, le CH3OH et le HCHO, pour le DEE, l'éthanol. Afin d'augmenter le rendement des réactions décrites ci-dessus, il est en outre prévu, selon l'invention, de retirer un flux partiel de produit en aval des compartiments du réacteur et de le réinjecter dans les compartiments du réacteur. Les conditions de réaction dans les chambres de réaction pour le démarrage de la réaction sont avantageusement d'au moins 50bar, avantageusement d'au moins 60bar, avantageusement d'au moins 70bar. Les températures de réaction au début de la réaction se situent entre 200°C et 500°C, avantageusement entre 250°C et 450°C, plus avantageusement entre 280°C et 400°C. Afin d'obtenir des rendements suffisamment élevés dans les réactions dont le rendement est influencé négativement par la présence d'oxygène, la concentration en oxygène au début de la réaction est au maximum de 1%, avantageusement au maximum de 0,5%, extrêmement avantageusement au maximum de 500ppm. Cela permet d'éviter ou de réduire l'oxydation des produits et la diminution de leur valeur calorifique.The reactants for the production of other products, such as HCHO, are CO and/or CO 2 and H 2 , for CH 3 OH and CH 3 CH 2 OH, CO and/or CO 2 and H 2 , for DME, CH 3 OH, for POMDME, CH 3 OH and HCHO, for DEE, ethanol. In order to increase the yield of the reactions described above, provision is also made, according to the invention, to withdraw a partial flow of product downstream from the compartments of the reactor and to reinject it into the compartments of the reactor. The reaction conditions in the reaction chambers for starting the reaction are advantageously at least 50 bar, advantageously at least 60 bar, advantageously at least 70 bar. The reaction temperatures at the start of the reaction are between 200°C and 500°C, preferably between 250°C and 450°C, more preferably between 280°C and 400°C. In order to obtain sufficiently high yields in reactions whose yield is negatively influenced by the presence of oxygen, the oxygen concentration at the start of the reaction is at most 1%, advantageously at most 0.5%, extremely advantageously at most 500 ppm. This makes it possible to avoid or reduce the oxidation of the products and the reduction of their calorific value.
Pour des raisons de sécurité, il est conseillé d'alimenter les réactifs réactifs ou combustibles, tels que l'hydrogène, l'éthanol, le CH4ou le méthanol, directement en amont de l'entrée de la chambre du réacteur, c'est-à-dire en aval des réactifs non combustibles, tels que le CO, le CO2ou le N2, ou directement dans la chambre du réacteur via une vanne indépendante de la vanne d'entrée. Dans ce cas, les entrées et sorties du réacteur sont avantageusement fermées. Cette alimentation directe convient également aux réactifs liquides. Le rapport de compression des réacteurs à piston est d'au moins 1:8, avantageusement d'au moins 1:15, extrêmement avantageusement d'au moins 1:20. Le temps de séjour des réactifs dans la chambre du réacteur est d'au plus 10s, avantageusement d'au plus 1s, extrêmement avantageusement d'au plus 0,1s.For safety reasons, it is advisable to feed reactive or combustible reactants, such as hydrogen, ethanol, CH 4 or methanol, directly upstream of the reactor chamber inlet, i.e. that is to say downstream of the non-combustible reactants, such as CO, CO 2 or N 2 , or directly in the reactor chamber via a valve independent of the inlet valve. In this case, the inlets and outlets of the reactor are advantageously closed. This direct feed is also suitable for liquid reagents. The compression ratio of piston reactors is at least 1:8, preferably at least 1:15, most preferably at least 1:20. The residence time of the reactants in the reactor chamber is at most 10s, advantageously at most 1s, extremely advantageously at most 0.1s.
Le vilebrequin est entouré d'un "carter" qui est fixé aux parois du réacteur au moyen de vis. Les joints utilisés au niveau des articulations sont des joints statiques, ce qui assure une bien meilleure étanchéité vers l'extérieur que les joints dynamiques des pistons. Cependant, ces joints dynamiques du piston au niveau de la douille de la chambre du réacteur restent un point critique, car les réactifs peuvent pénétrer dans le carter du moteur par leur intermédiaire. En conjonction avec l'oxygène présent dans l'environnement, cela peut conduire à la formation de mélanges explosifs, tels que l'oxygène gazeux, et par conséquent à une explosion ou une déflagration dans le carter. Si des réactifs ou des produits toxiques sont impliqués, comme le formaldéhyde, ils peuvent s'échapper dans l'environnement, ce qui doit également être évité. Selon l'invention, cela est évité en rinçant le carter avec des réactifs ininflammables et non toxiques ou peu toxiques, tels que N2, CO et/ou CO2, qui sont ensuite introduits dans la chambre du réacteur. Une amélioration supplémentaire peut être obtenue si le carter ou les réactifs et les produits qu'il contient sont épuisés, de sorte qu'une pression plus faible que dans l'environnement est établie. Au moins un réactif et/ou produit inflammable ou toxique est alors également introduit directement en amont du compartiment du réacteur, ou plus préférablement directement dans le compartiment du réacteur par une vanne indépendante de la vanne d'entrée, avantageusement avec les entrées et les sorties du réacteur fermées. Afin d'augmenter la pression dans la chambre du réacteur, il est utile de fournir les réactifs à la chambre du réacteur déjà à une pression élevée. Dans le cas le plus simple, cela peut se faire par l'intermédiaire de compresseurs, mais un arrangement de turbocompresseur est plus logique du point de vue énergétique, surtout dans le cas de réactions exothermiques : dans ce cas, l'enthalpie est extraite du flux de produit chauffé par une turbine, qui est disposée en aval des chambres du réacteur, et transférée par un arbre à un compresseur du côté du réactif. Les pressions du côté du réactif et donc finalement les pressions dans la chambre du réacteur peuvent être modifiées par des mesures appropriées, telles que des soupapes de décharge du côté du réactif et/ou du produit, des géométries de turbine et/ou de compresseur variables. L'appareil peut être conçu comme un appareil à deux temps, à quatre temps ou à quatre + 2*X- temps. La description suivante concerne, sans s'y limiter, une chambre de réacteur et une conception exemplaire de moteur alternatif dont le vilebrequin est monté sous les pistons.The crankshaft is surrounded by a "crankcase" which is fixed to the walls of the reactor by means of screws. The seals used at the joints are static seals, which provide a much better seal to the outside than the dynamic seals of the pistons. However, these dynamic piston seals at the reactor chamber sleeve remain a critical point, as reactants can enter the motor housing through them. In conjunction with the oxygen present in the environment, this can lead to the formation of explosive mixtures, such as gaseous oxygen, and consequently to an explosion or deflagration in the crankcase. If toxic reagents or products are involved, such as formaldehyde, they can escape into the environment, which should also be avoided. According to the invention, this is avoided by rinsing the casing with non-flammable and non-toxic or slightly toxic reagents, such as N 2 , CO and/or CO 2 , which are then introduced into the reactor chamber. Further improvement can be obtained if the sump or the reactants and products contained therein are depleted, so that a lower pressure than in the environment is established. At least one reagent and/or flammable or toxic product is then also introduced directly upstream of the reactor compartment, or more preferably directly into the reactor compartment by a valve independent of the inlet valve, advantageously with inlets and outlets of the reactor closed. In order to increase the pressure in the reactor chamber, it is useful to supply the reactants to the reactor chamber already at an elevated pressure. In the simplest case, this can be done through compressors, but a turbocharger arrangement makes more sense from an energy point of view, especially in the case of exothermic reactions: in this case, the enthalpy is extracted from the product stream heated by a turbine, which is arranged downstream of the reactor chambers, and transferred by a shaft to a compressor on the reactant side. The reactant side pressures and thus ultimately the pressures in the reactor chamber can be varied by appropriate measures, such as reactant and/or product side relief valves, variable turbine and/or compressor geometries . The device can be designed as a two-stroke, four-stroke or four + 2*X-stroke device. The following description relates to, but is not limited to, an exemplary reactor chamber and reciprocating engine design with the crankshaft mounted below the pistons.
Appareil à deux temps:Two-stroke device:
1. l'admission et la compression (le piston se déplace vers le haut).1. intake and compression (piston moves up).
2. réaction principale et poussée (le piston se déplace vers le bas)2. main and thrust reaction (piston moves down)
Pour cette construction, les soupapes peuvent, mais ne doivent pas être complètement omises, puisque le piston ferme ou libère alternativement l'entrée et la sortie.For this construction, the valves can, but must not be completely omitted, since the piston alternately closes or releases the inlet and the outlet.
Appareil à quatre temps:Four-stroke device:
1. l'admission (admission ouverte, échappement fermé, le piston se déplace vers le bas).1. intake (intake open, exhaust closed, piston moves down).
2. compression (entrée et sortie fermées, le piston se déplace vers le bas)2. compression (inlet and outlet closed, piston moves down)
3. réaction principale et expansion (le piston se déplace vers le bas)3. main reaction and expansion (piston moves down)
4. expulsion (échappement ouvert, admission fermée, le piston se déplace vers le haut)4. expulsion (exhaust open, intake closed, piston moves up)
Cette configuration nécessite des vannes d'entrée et de sortie sur les chambres du réacteur. Ceux-ci peuvent être entraînés par au moins un arbre à cames. Dans le secteur des moteurs, on connaît des dispositifs supplémentaires permettant de faire varier les temps d'ouverture et de fermeture de ces soupapes et qui sont également utilisés ici, comme les actionneurs piézoélectriques, les commandes de soupapes hydrauliques, les arbres à cames réglables, etc. Ces mesures peuvent être utilisées pour influencer les conditions de réaction dans la chambre du réacteur. Par exemple, il est possible d'ouvrir la soupape d'échappement après le troisième cycle, avant même que le piston n'atteigne le point mort bas, afin d'abaisser la pression et donc la température dans la chambre du réacteur plus rapidement que ne le permettrait le seul mouvement du piston. De cette façon, il est possible de geler les réactions et d'éviter les réactions secondaires indésirables. En outre, la soupape d'admission peut être ouverte avant que le point mort haut du piston ne soit atteint dans la course d'extension, en particulier avant que le point mort bas du piston ne soit atteint, de sorte que les produits retournent vers le côté réactif. Par conséquent, un mélange de produits et de réactifs est aspiré lors de la prochaine aspiration, ce qui augmente le rendement des produits. Un effet similaire est obtenu si la vanne de sortie reste ouverte pendant le cycle d'aspiration, de sorte que les produits sont réaspirés dans la chambre du réacteur.This configuration requires inlet and outlet valves on the reactor chambers. These can be driven by at least one camshaft. In the engine sector, additional devices are known for varying the opening and closing times of these valves and which are also used here, such as piezoelectric actuators, hydraulic valve controls, adjustable camshafts, etc These measurements can be used to influence the reaction conditions in the reactor chamber. For example, it is possible to open the exhaust valve after the third cycle, even before the piston has reached bottom dead center, in order to lower the pressure and therefore the temperature in the reactor chamber faster than only the movement of the piston would allow it. In this way, it is possible to freeze the reactions and avoid unwanted side reactions. In addition, the inlet valve can be opened before the top dead center of the piston is reached in the extension stroke, especially before the bottom dead center of the piston is reached, so that the products return to the reactive side. As a result, a mixture of products and reagents is aspirated on the next aspiration, increasing product yield. A similar effect is obtained if the outlet valve remains open during the suction cycle, so that the products are sucked back into the reactor chamber.
Appareil à quatre temps + 2*X :Four-stroke device + 2*X:
Il s'agit d'une évolution de l'appareil à quatre temps. Afin d'augmenter le rendement, la vanne de sortie n'est pas ouverte au quatrième cycle, mais au moins un autre cycle de compression et de réaction est connecté.It is an evolution of the four-stroke device. In order to increase the yield, the outlet valve is not opened in the fourth cycle, but at least one more compression and reaction cycle is connected.
1. l'admission (admission ouverte, échappement fermé, le piston se déplace vers le bas)1. intake (intake open, exhaust closed, piston moves down)
2. compression 1 (entrée et sortie fermées, le piston se déplace vers le haut)2. compression 1 (inlet and outlet closed, piston moves up)
3. réaction principale 1 et expansion 1 (le piston se déplace vers le bas)3. main reaction 1 and expansion 1 (piston moves down)
4. compression 2 (le piston se déplace vers le haut)4. compression 2 (piston moves up)
5. réaction principale 2 et expansion 2 (le piston se déplace vers le bas)5. main reaction 2 and expansion 2 (piston moves down)
répéter x fois le cycle de compression et de réaction principalerepeat the main compression and reaction cycle x times
6 +2*x : expansion (sortie ouverte, entrée fermée, le piston se déplace vers le haut)6 +2*x: expansion (outlet open, inlet closed, piston moves up)
x est un élément des nombres naturels, de sorte qu'il en résulte des nombres de cycle de somme de 6, 8, 10, etc. Il est souvent utile d'ajouter au moins un réactif pour la deuxième réaction principale. Cela peut se faire, par exemple, en ouvrant la vanne d'entrée ou en ajoutant directement au moins un autre réactif via un dispositif d'alimentation supplémentaire dans la chambre du réacteur. D'une part, il est possible de nourrir un des réactifs qui a déjà été alimenté dans la première réaction principale, ce qui peut, d'autre part, augmenter le rendement et/ou la sélectivité. Cependant, il est également possible de nourrir au moins un réactif différent de ceux de la première réaction principale, ce qui permet de produire sélectivement un produit différent de celui de la réaction principale. L'addition peut être effectuée, par exemple, en ouvrant la vanne d'entrée et en l'aspirant dans la chambre du réacteur ou en ajoutant directement au moins un réactif via un dispositif d'alimentation supplémentaire dans la chambre du réacteur. Quel que soit le nombre de cycles, le rendement peut être encore augmenté en prélevant un flux partiel de produit en aval de la chambre du réacteur et en le renvoyant dans la chambre du réacteur, en particulier du côté de l'entrée, c'est-à-dire du côté du réactif. La quantité de produit recyclé de cette manière peut être modifiée au moyen d'actionneurs appropriés, tels que des soupapes et/ou des soufflantes. Ceci est particulièrement utile pour les réactions d'équilibre et/ou les réactions avec augmentation de volume, puisque l'équilibre peut ainsi être déplacé du côté du produit. Une autre façon d'augmenter le rendement est de séparer les réactifs non consommés du flux de produits et de les renvoyer dans les réacteurs.x is an element of the natural numbers, so it results in sum cycle numbers of 6, 8, 10, etc. It is often useful to add at least one reagent for the second main reaction. This can be done, for example, by opening the inlet valve or by directly adding at least one other reagent via an additional feed device into the reactor chamber. On the one hand, it is possible to feed one of the reactants which has already been fed into the first main reaction, which can, on the other hand, increase the yield and/or the selectivity. However, it is also possible to feed at least one reactant different from those of the first main reaction, which makes it possible to selectively produce a product different from that of the main reaction. The addition can be carried out, for example, by opening the inlet valve and sucking it into the reactor chamber or by directly adding at least one reactant via an additional feed device into the reactor chamber. Regardless of the number of cycles, the yield can be further increased by taking a partial stream of product downstream of the reactor chamber and returning it to the reactor chamber, especially from the inlet side, that is i.e. on the reactant side. The amount of product recycled in this way can be varied by means of suitable actuators, such as valves and/or blowers. This is particularly useful for equilibrium reactions and/or reactions with increasing volume, since the equilibrium can thus be shifted towards the product side. Another way to increase yield is to separate unconsumed reactants from the product stream and return them to the reactors.
La réaction peut également être influencée par la température des réactifs introduits dans la chambre du réacteur. Par exemple, le rendement des réactions endothermiques ou des réactions avec augmentation de volume peut être augmenté si la température des réactifs est élevée avant qu'ils n'entrent dans la chambre de réaction. Cette augmentation de la température peut être réalisée de manière efficace sur le plan énergétique en couplant thermiquement le flux de réactifs au flux de produits en aval des chambres du réacteur et/ou au fluide de refroidissement du réacteur de compression. Le fluide de refroidissement est nécessaire pour éviter la surchauffe de l'appareil. En outre, pour les réactions exothermiques, comme la production de méthane à partir de CO ou de CO2et de H2, ou la production d'ammoniac à partir de N2et de H2, le refroidissement des réactifs est utile. Comme, comme décrit ci-dessus, le début de la réaction ne peut souvent pas être déclenché de manière définie uniquement par les pressions et les températures régnant dans les chambres du réacteur et/ou les températures devraient être augmentées à un point tel que cela aurait un effet négatif sur la sélectivité, selon l'invention, une énergie supplémentaire est fournie à la chambre du réacteur à court terme en plus de l'énergie de compression afin de dépasser l'énergie d'activation et ainsi démarrer la réaction. Cela peut se faire via au moins l'une des méthodes ou l'un des dispositifs suivants : Étincelle électrique (notamment via une bougie d'allumage), décharge corona, micro-ondes et impulsion laser.The reaction can also be influenced by the temperature of the reactants introduced into the reactor chamber. For example, the yield of endothermic reactions or reactions with increased volume can be increased if the temperature of the reactants is raised before they enter the reaction chamber. This temperature increase can be achieved in an energy-efficient manner by thermally coupling the reactant flow to the product flow downstream of the reactor chambers and/or to the compression reactor coolant. Coolant is necessary to prevent overheating of the device. Also, for exothermic reactions, such as the production of methane from CO or CO 2 and H 2 , or the production of ammonia from N 2 and H 2 , cooling the reactants is useful. Since, as described above, the start of the reaction often cannot be triggered in a definite way solely by the pressures and temperatures prevailing in the reactor chambers and/or the temperatures would have to be increased to such an extent that it would a negative effect on the selectivity, according to the invention, additional energy is supplied to the reactor chamber in the short term in addition to the compression energy in order to exceed the activation energy and thus start the reaction. This can be done via at least one of the following methods or devices: Electric spark (including via a spark plug), corona discharge, microwave, and laser pulse.
Pour augmenter encore l'apport d'énergie dans le compartiment du réacteur, il est possible d'utiliser un petit compartiment de réacteur d'allumage séparé, qui est relié au compartiment principal du réacteur par des ouvertures. Dans cette chambre, on choisit généralement une composition de gaz différente de celle de la chambre principale du réacteur. Ainsi, par exemple, un mélange gazeux inflammable contenant de l'oxygène peut y être fourni, alors que la chambre principale du réacteur ne contient pas d'oxygène ou du moins beaucoup moins d'oxygène. Le mélange gazeux contenu dans la chambre du réacteur d'allumage est alors enflammé, par exemple par une bougie d'allumage. L'onde de pression et le front de flamme qui en résultent migrent par les ouvertures dans la chambre principale du réacteur et y déclenchent la réaction principale. Afin d'augmenter le rendement du processus, la composition du produit ou du gaz est mesurée en aval de la chambre du réacteur et les paramètres de processus correspondants sont réglés par une unité de commande électronique : La vitesse du vilebrequin est abaissée, la pression du réactif est augmentée (pour les réactions avec réduction de volume), la pression du réactif est abaissée (pour les réactions avec augmentation de volume), la quantité de produit renvoyé du côté du réactif est augmentée, la soupape d'entrée est ouverte avant que la soupape de sortie ne soit ouverte, ce qui provoque l'écoulement des produits vers le côté du réactif, l'énergie fournie au réacteur est augmentée (par exemple en augmentant la tension d'allumage), le nombre de cycles est augmenté, en particulier au-dessus de quatre. Si la sélectivité est trop faible, il est possible, entre autres Il est possible d'augmenter la vitesse du vilebrequin, de réduire le nombre de cycles jusqu'à l'éjection, de réduire la pression du réactif, de réduire la quantité de produit renvoyé du côté du réactif, de fermer la soupape d'entrée dans le cycle d'admission avant d'atteindre le point mort bas, d'ouvrir la soupape de sortie et/ou d'entrée dans le cycle de détente avant d'atteindre le point mort bas, de cycler l'énergie fournie au réacteur et/ou de réduire l'énergie individuelle (par exemple, plusieurs impulsions laser ou étincelles d'allumage).To further increase the energy input into the reactor compartment, it is possible to use a separate small ignition reactor compartment, which is connected to the main reactor compartment via openings. In this chamber, a different gas composition is generally chosen from that of the main chamber of the reactor. Thus, for example, a flammable gas mixture containing oxygen can be supplied there, while the main chamber of the reactor contains no oxygen or at least much less oxygen. The gas mixture contained in the chamber of the ignition reactor is then ignited, for example by a spark plug. The resulting pressure wave and flame front migrate through openings into the main reactor chamber and initiate the main reaction there. In order to increase the process yield, the product or gas composition is measured downstream of the reactor chamber and the corresponding process parameters are regulated by an electronic control unit: The crankshaft speed is lowered, the reactant is increased (for reactions with volume reduction), reactant pressure is lowered (for reactions with volume increase), the amount of product returned to the reactant side is increased, the inlet valve is opened before the outlet valve is opened, causing the products to flow to the reactant side, the energy supplied to the reactor is increased (e.g. by increasing the ignition voltage), the number of cycles is increased, by especially above four. If the selectivity is too low, it is possible, among other things It is possible to increase the speed of the crankshaft, to reduce the number of cycles until ejection, to reduce the pressure of the reactant, to reduce the quantity of product returned to the reactant side, to close the inlet valve in the intake cycle before reaching bottom dead center, to open the outlet and/or inlet valve in the expansion cycle before reaching the bottom dead centre, to cycle the energy supplied to the reactor and/or to reduce the individual energy (for example, several laser pulses or ignition sparks).
Si de l'H2est nécessaire à la réaction, il peut être produit par exemple par électrolyse. Afin d'augmenter l'efficacité énergétique, il est conseillé de recourir à l'électrolyse à haute température, l'énergie thermique nécessaire au fonctionnement de l'électrolyseur étant au moins partiellement fournie par couplage thermique au flux de produits chauds. Pour ce faire, l'eau est évaporée à l'aide du flux de produit chaud et amenée à l'électrolyseur à au moins 600°C, de préférence à au moins 650°C, de manière extrêmement préférable à au moins 700°C. Si l'énergie thermique du flux de produit n'est pas suffisante, la vapeur d'eau peut être couplée thermiquement au flux d'H2et/ou d'O2 sortant de l'électrolyseur. En outre, un chauffage d'appoint est possible.If H 2 is necessary for the reaction, it can be produced for example by electrolysis. In order to increase energy efficiency, it is advisable to use high temperature electrolysis, the thermal energy necessary for the operation of the electrolyser being at least partially supplied by thermal coupling to the flow of hot products. To do this, the water is evaporated using the hot product stream and fed to the electrolyser at at least 600°C, preferably at least 650°C, extremely preferably at least 700°C . If the thermal energy of the product flow is not sufficient, the water vapor can be thermally coupled to the flow of H 2 and/or O2 leaving the electrolyser. In addition, additional heating is possible.
Une réduction des coûts d'investissement du côté de l'électrolyseur d'hydrogène peut être obtenue si le CO et le H2O sont introduits dans la chambre de réaction de sorte qu'une réaction de déplacement du gaz d'eau se produiseA reduction in investment costs on the side of the hydrogen electrolyzer can be achieved if CO and H 2 O are introduced into the reaction chamber so that a water gas shift reaction occurs
CO + H2O <----> CO2+ H2 CO + H 2 O <----> CO 2 + H 2
Selon l'invention, ce procédé permet, par exemple, de réduire d'environ 1/3 la quantité de H2à produire par électrolyse lors de la méthanisation du CO ou du CO2. Dans ce processus, l'hydrogène nécessaire peut déjà être ajouté en parallèle à l'eau. Afin d'augmenter le rendement, il est toutefois conseillé d'ajouter l'hydrogène par la suite. L'opération 4 temps + x- est particulièrement avantageuse ici, c'est-à-dire que l'hydrogène n'est ajouté que pour la deuxième ou l'une des réactions suivantes, car on peut ainsi assurer une séparation de la réaction de déplacement eau-gaz et de la méthanisation. Une autre possibilité est de séparer spatialement la réaction de déplacement eau-gaz et la méthanisation, c'est-à-dire de les laisser se dérouler dans deux compartiments de réacteur différents : La réaction de conversion du gaz à l'eau a lieu dans un premier réacteur, le CO2et l'H2qui y sont produits ainsi que l'hydrogène supplémentaire nécessaire sont ensuite acheminés vers le second réacteur dans lequel la méthanisation a lieu. Le principal avantage de ce procédé, c'est-à-dire la séparation des différentes réactions dans les différents réacteurs, est que l'on peut régler différentes conditions de réaction dans les différents réacteurs par le biais de différents paramètres de processus, tels que les températures des réactifs, les compressions, les pressions des réacteurs, les temps de commande des vannes (pour les vannes d'entrée et/ou de sortie), les temps des énergies d'activation supplémentaires fournies et les pressions des réactifs. En outre, les réactifs et produits indésirables peuvent être séparés des premiers réacteurs entre les réacteurs, de sorte que seuls les réactifs souhaités pour cette réaction sont introduits dans les seconds réacteurs. Cette méthode est particulièrement utile dans le cas d'une disposition en V des compartiments du réacteur : la réaction de déplacement du gaz d'eau peut avoir lieu sur un banc, par exemple, et la méthanisation sur l'autre. L'eau non utilisée peut être séparée entre les deux rives. Bien entendu, le processus décrit ne se limite pas à la réaction de déplacement de l'eau et du gaz, mais peut être utilisé pour toutes les réactions dans lesquelles le produit final est formé via des intermédiaires.According to the invention, this process makes it possible, for example, to reduce by approximately 1/3 the quantity of H 2 to be produced by electrolysis during the methanization of CO or CO 2 . In this process, the necessary hydrogen can already be added in parallel to the water. In order to increase the yield, however, it is advisable to add the hydrogen afterwards. The 4-stroke + x- operation is particularly advantageous here, i.e. the hydrogen is only added for the second or one of the following reactions, because in this way a separation of the reaction can be ensured. water-gas displacement and methanization. Another possibility is to spatially separate the water-gas shift reaction and the methanation, i.e. to let them take place in two different reactor compartments: The water-gas shift reaction takes place in a first reactor, the CO 2 and H 2 which are produced there as well as the necessary additional hydrogen are then routed to the second reactor in which the methanisation takes place. The main advantage of this process, i.e. the separation of the different reactions in the different reactors, is that one can set different reaction conditions in the different reactors through different process parameters, such as reactant temperatures, compressions, reactor pressures, valve actuation times (for inlet and/or outlet valves), times of additional activation energy delivered, and reactant pressures. Additionally, unwanted reactants and products can be separated from the first reactors between reactors, so that only the reactants desired for that reaction are fed to the second reactors. This method is particularly useful in the case of a V-shaped arrangement of the reactor compartments: the water gas displacement reaction can take place on one bench, for example, and the methanation on the other. Unused water can be separated between the two banks. Of course, the described process is not limited to the water and gas displacement reaction, but can be used for all reactions in which the end product is formed via intermediates.
Cette grande flexibilité dans le contrôle des réactions distingue clairement le procédé selon l'invention et l'appareil selon l'invention de l'art antérieur : contrairement aux systèmes de réaction basés sur le catalyseur, qui ne peuvent être utilisés que pour une réaction très spécifique en raison du catalyseur utilisé dans chaque cas, les paramètres du procédé ainsi que les réactifs peuvent être variés dans une très large gamme selon l'invention, ce qui permet la préparation d'une grande variété de produits à partir d'une grande variété de réactifs. La sélection du produit souhaité et/ou la régulation du processus s'effectue, comme déjà expliqué, à l'aide d'une unité de contrôle électronique.This great flexibility in controlling the reactions clearly distinguishes the process according to the invention and the apparatus according to the invention from the prior art: unlike the reaction systems based on the catalyst, which can only be used for a very specific due to the catalyst used in each case, the process parameters as well as the reactants can be varied within a very wide range according to the invention, which allows the preparation of a wide variety of products from a wide variety of reagents. The selection of the desired product and/or the regulation of the process takes place, as already explained, with the aid of an electronic control unit.
Par exemple, un premier mode peut produire du méthane à partir de H2et de CO2,For example, a first mode can produce methane from H 2 and CO 2 ,
4H2+ CO2→ CH4+ 2H2O 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O
dans un autre mode, le méthanolin another mode, methanol
CO2+ 3H2→ CH3OH + H2OCO 2 + 3H 2 → CH 3 OH + H 2 O
et dans un autre mode encore, le diméthyl éther (DME).and in yet another mode, dimethyl ether (DME).
2 CH3OH → CH3-O-CH3+ H2O2CH 3 OH → CH 3 -O-CH 3 + H 2 O
peut être produit. Ici, comme décrit ci-dessus, les différentes chambres de réacteur peuvent fonctionner dans le même mode ou dans des modes ou des conditions de réaction différents. Les différents modes diffèrent dans le cas le plus simple en ce qui concerne les conditions de réaction, mais peuvent également différer en ce qui concerne les réactifs.can be produced. Here, as described above, the different reactor chambers can be operated in the same mode or under different reaction modes or conditions. The different modes differ in the simplest case with respect to reaction conditions, but may also differ with respect to reactants.
Selon l'invention, la commutation entre les différents modes ainsi que la commande et la régulation s'effectuent à l'aide d'une unité de commande électronique. Au moins une des variables suivantes sert de variables de contrôle pour le contrôle : Composition cible du produit, Composition réelle du produit, Courbe de pression cible dans la chambre du réacteur, Courbe de pression réelle dans la chambre du réacteur, Pression cible maximale dans la chambre du réacteur, Pression réelle maximale dans la chambre du réacteur, Augmentation de pression cible dans la chambre du réacteur, Temps de séjour réel dans la chambre du réacteur, Pression du réactif cible, Température du réactif cible, Température du produit cible, composition de consigne du réactif, augmentation réelle de la pression dans l'espace du réacteur, vitesse de rotation réelle du vilebrequin ou du rotor, temps de séjour de consigne dans l'espace du réacteur, pression réelle du réactif, température réelle du réactif, température réelle du produit, composition réelle du réactif, vitesse de rotation de consigne du vilebrequin ou du rotor, temps de séjour de consigne dans l'espace du réacteur. Au moins une des variables suivantes, qui peuvent être ajustées par des actionneurs correspondants, servent de variables manipulées : Quantités d'éduit fournies, puissance du refroidisseur d'éduit, puissance du réchauffeur d'éduit, régulateur de pression d'éduit, vitesse de la machine E, vitesse du vilebrequin ou du rotor, énergie fournie/déchargée par la machine E, temps d'ouverture des valves (valves d'entrée, valves de sortie), temps de fermeture des valves (valves d'entrée, valves de sortie), quantité de produit recirculé, variation du taux de compression, géométrie variable de la turbine, géométrie variable du compresseur, quantité de produit contournée par la turbine, quantité d'éduit refoulé vers le compresseur, position du papillon des gaz du côté du réactif, position de la soupape de contre-pression du côté du produit, temps d'activation de l'énergie supplémentaire fournie par une bougie d'allumage, un laser, des micro-ondes ou une décharge corona, nombre d'activations de l'énergie supplémentaire fournie par une bougie d'allumage, un laser, des micro-ondes ou une décharge corona par cycle de travail, temps et nombre d'alimentations du réactif directement dans la chambre du réacteur avec les soupapes d'entrée et de sortie fermées. Une façon d'augmenter encore le rendement et la sélectivité est de disposer en aval des compartiments du réacteur au moins un catalyseur adapté à la réaction particulière. Comme la plus grande partie de la réaction a déjà eu lieu dans les réacteurs de compression, elle peut être rendue beaucoup plus petite que d'habitude. En prenant l'exemple de la production de méthane à partir de H2et de CO2et/ou de CO, un catalyseur de méthanisation doit être installé en aval des chambres du réacteur. Le nickel, le ruthénium, l'aluminium, le cobalt ou le cérium peuvent être utilisés comme composants actifs. Dans le cas de la production de NH3à partir de H2et de N2, on utilise cependant des catalyseurs à base de fer. Si une turbine est située en aval des réacteurs, les catalyseurs sont avantageusement situés en amont de cette turbine, car ils y sont à un niveau de pression plus élevé.According to the invention, the switching between the different modes as well as the control and regulation take place with the aid of an electronic control unit. At least one of the following variables serves as control variables for the control: Target product composition, Actual product composition, Target pressure curve in the reactor chamber, Actual pressure curve in the reactor chamber, Maximum target pressure in the reactor chamber, maximum actual pressure in reactor chamber, target pressure rise in reactor chamber, actual residence time in reactor chamber, target reactant pressure, target reactant temperature, target product temperature, composition of reactant set point, actual pressure rise in the reactor space, actual crankshaft or rotor rotational speed, set residence time in the reactor space, actual reactant pressure, actual reactant temperature, actual temperature of the product, actual composition of the reactant, set speed of rotation of the crankshaft or rotor, set residence time in the space of the reactant ur. At least one of the following variables, which can be adjusted by corresponding actuators, serve as manipulated variables: Product quantities delivered, product cooler power, product heater power, product pressure regulator, machine E, crankshaft or rotor speed, energy supplied/discharged by machine E, valve opening times (inlet valves, outlet valves), valve closing times (inlet valves, outlet valves) outlet), quantity of recirculated product, variation of the compression rate, variable geometry of the turbine, variable geometry of the compressor, quantity of product bypassed by the turbine, quantity of educt discharged towards the compressor, position of the throttle valve on the side of the reagent, position of the back pressure valve on the product side, activation time of the additional energy supplied by a spark plug, laser, microwaves or corona discharge, number of activations of the 'in additional energy provided by spark plug, laser, microwave or corona discharge per duty cycle, time and number of reactant feeds directly into reactor chamber with inlet and outlet valves closed . One way to further increase yield and selectivity is to provide downstream of the reactor compartments at least one catalyst suitable for the particular reaction. Since most of the reaction has already taken place in the compression reactors, it can be made much smaller than usual. Taking the example of the production of methane from H 2 and CO 2 and/or CO, a methanation catalyst must be installed downstream of the reactor chambers. Nickel, ruthenium, aluminum, cobalt or cerium can be used as active components. In the case of the production of NH 3 from H 2 and N 2 , however, iron-based catalysts are used. If a turbine is located downstream of the reactors, the catalysts are advantageously located upstream of this turbine, since they are there at a higher pressure level.
Un autre avantage du procédé et de l'appareil selon l'invention est que les réacteurs de compression Die peuvent également être utilisés comme compresseurs pour comprimer au moins un produit en cours de fabrication : Pour ce faire, le piston ne se contente pas d'expulser les produits dans le cycle d'expulsion, mais les transporte dans une cuve de stockage et/ou un processus en aval, notamment un processus fonctionnant sous pression. C'est-à-dire que les produits sont à la fois transportés et comprimés par les réacteurs de compression dans la course d'éjection, les réacteurs de compression fonctionnant ici comme des compresseurs à piston. Dans le meilleur des cas, on peut se passer d'un compresseur supplémentaire ou d'une soufflante pour transporter et comprimer au moins un produit, ou du moins les concevoir de manière à ce qu'ils soient nettement plus petits. Dans les réactions exothermiques, l'énergie nécessaire à cette fin est fournie par la réaction chimique, de sorte qu'aucune conversion en une autre forme d'énergie, comme l'énergie électrique, n'est nécessaire, de sorte que le rendement est nettement supérieur à celui des réacteurs et compresseurs à flux chimique ou à lit fixe fonctionnant séparément. Si l'énergie de la réaction n'est pas suffisante, le transport des produits ou leur compression peuvent être réalisés à l'aide d'une énergie mécanique, qui est transmise au vilebrequin par la machine électrique.Another advantage of the method and of the apparatus according to the invention is that the Die compression reactors can also be used as compressors to compress at least one product during manufacture: To do this, the piston does not just expel the products in the expulsion cycle, but transports them to a storage tank and/or a downstream process, in particular a process operating under pressure. That is to say that the products are both transported and compressed by the compression reactors in the ejection stroke, the compression reactors here functioning as piston compressors. In the best case, an additional compressor or blower can be dispensed with to transport and compress at least one product, or at least can be designed so that they are significantly smaller. In exothermic reactions, the energy needed for this purpose is provided by the chemical reaction, so no conversion to another form of energy, such as electrical energy, is necessary, so the yield is significantly higher than separately operated chemical flow or fixed bed reactors and compressors. If the energy of the reaction is not enough, the transport of the products or their compression can be carried out with the help of mechanical energy, which is transmitted to the crankshaft by the electric machine.
Dans ce qui suit, l'appareil selon l'invention et la méthode seront expliqués en référence à des chiffres.In the following, the apparatus according to the invention and the method will be explained with reference to figures.
La
Cela devient pertinent, par exemple, lorsque des gaz sont introduits sous forme d'éduits, qui résultent d'une réaction d'oxydation avec l'air, comme ils le font, par exemple, lors de la combustion d'hydrocarbures. Dans ce cas, il se forme d'une part du CO et du CO2, mais d'autre part de grandes quantités de N2sont contenues, qui ne participent pas à la combustion. Si ce mélange est introduit dans la chambre de réaction avec H2, des hydrocarbures sont formés, comme du méthane, mais aussi de l'eau et du NH3. Ce NH3peut être facilement absorbé dans l'eau alimentant une colonne à contre-courant ou à co-courant à des températures inférieures à 30°, de préférence inférieures à 20°C, et de manière extrêmement préférable inférieures à 15°C. Cette eau est ensuite évacuée et chauffée pour expulser à nouveau le NH3, ce qui "régénère" l'eau pour qu'elle puisse à nouveau absorber le NH3. Il est ensuite refroidi et renvoyé dans le flux de produits pour absorber davantage de NH3. Comme l'eau produite dans la réaction est également séparée des hydrocarbures de cette manière, elle est éliminée, sinon la quantité d'eau transportée dans la boucle augmenterait. La quantité de chaleur nécessaire à la désorption de l'ammoniac peut être appliquée en couplant thermiquement la désorption au flux de produit en amont de l'épurateur et/ou au fluide de refroidissement du réacteur. L'appareil peut être utilisé pour produire du méthane en tant que produit (8) en ajoutant du CO2et/ou du CO comme réactifs et de l'H2comme réactifs. Pour des raisons de sécurité, il est utile de purger le carter (32) comme indiqué sur les figures 3a,b,c avec un réactif ininflammable et non toxique, en l'occurrence du CO2(voir ci-dessous). De plus, la production d'ammoniac est possible en utilisant l'azote et l'hydrogène comme réactifs. Dans ce cas, il est logique de purger le logement (32) avec de l'azote. La production simultanée de NH3et de CH4est également possible, comme déjà décrit ci-dessus, en alimentant les réacteurs en CO2et/ou CO ainsi qu'en H2et en azote. L'appareil et le procédé selon l'invention ne sont pas limités à ces composés, mais peuvent être utilisés dans toutes les réactions dans lesquelles aucun produit de réaction solide n'est formé, en particulier aucun produit de réaction abrasif. Il s'agit notamment, comme déjà décrit ci-dessus, de NH3, HCHO, CS2, de thiocyanates (y compris le thiocyanate d'ammonium), de diméthyl éther (DME), de diéthyl éther (DEE), CH4, POMDME, d'alcools (méthanol, éthanol), de carbamate d'ammonium, d'urée, d'acétaldéhyde, d'acide acétique.This becomes relevant, for example, when gases are introduced in the form of educts, which result from an oxidation reaction with air, as they do, for example, during the combustion of hydrocarbons. In this case, on the one hand CO and CO 2 are formed, but on the other hand large quantities of N 2 are contained which do not participate in the combustion. If this mixture is introduced into the reaction chamber with H 2 , hydrocarbons are formed, such as methane, but also water and NH 3 . This NH 3 can be easily absorbed in the water supplying a countercurrent or cocurrent column at temperatures below 30°, preferably below 20°C, and extremely preferably below 15°C. This water is then evacuated and heated to expel the NH 3 again, which "regenerates" the water so that it can once again absorb the NH 3 . It is then cooled and returned to the product stream to absorb more NH 3 . As the water produced in the reaction is also separated from the hydrocarbons in this way, it is removed, otherwise the amount of water transported in the loop would increase. The amount of heat required to desorb the ammonia can be applied by thermally coupling the desorption to the product stream upstream of the scrubber and/or to the reactor coolant. The apparatus can be used to produce methane as product (8) by adding CO 2 and/or CO as reactants and H 2 as reactants. For safety reasons, it is useful to purge the housing (32) as shown in Figures 3a,b,c with a non-flammable and non-toxic reagent, in this case CO 2 (see below). Additionally, the production of ammonia is possible using nitrogen and hydrogen as reactants. In this case, it makes sense to purge the housing (32) with nitrogen. The simultaneous production of NH 3 and CH 4 is also possible, as already described above, by supplying the reactors with CO 2 and/or CO as well as with H 2 and nitrogen. The apparatus and method according to the invention are not limited to these compounds, but can be used in all reactions in which no solid reaction product is formed, in particular no abrasive reaction product. These include, as already described above, NH 3 , HCHO, CS2, thiocyanates (including ammonium thiocyanate), dimethyl ether (DME), diethyl ether (DEE), CH 4 , POMDME, alcohols (methanol, ethanol), ammonium carbamate, urea, acetaldehyde, acetic acid.
Dans la
Selon la méthode de l'invention, le contrôle et la régulation sont effectués à l'aide d'une unité de commande électronique. Comme variables d'entrée pour la commande, on utilise au moins une des variables suivantes : la composition du produit, la courbe de pression dans la chambre du réacteur, la pression maximale dans la chambre du réacteur, l'augmentation de la pression dans la chambre du réacteur, la vitesse du vilebrequin, le temps de séjour dans la chambre du réacteur, la pression du réactif, la température du réactif, la température du produit, la composition du réactif, la quantité du réactif. Les actuateurs ou les variables manipulées sont au moins l'un des éléments suivants : Quantité d'éduit, sortie du refroidisseur d'éduit, sortie du réchauffeur d'éduit, contrôleur de pression d'éduit, régime du moteur E, régime du vilebrequin, énergie fournie/déchargée du moteur E, temps d'ouverture des soupapes (soupapes d'admission, soupapes de sortie,), quantité de produit recyclé, variation du taux de compression, géométrie variable de la turbine, géométrie variable du compresseur, quantité de produit en dérivation de la turbine, quantité d'éduit déchargée après le compresseur, position du papillon des gaz du côté de l'éduit, position du clapet de contre-pression côté produit, temps d'activation de l'énergie supplémentaire fournie par une bougie d'allumage, un laser, des micro-ondes ou une décharge corona, nombre d'activations de l'énergie supplémentaire fournie par une bougie d'allumage, un laser, des micro-ondes ou une décharge corona par cycle de travail, temps et nombre d'alimentations du réactif fourni directement dans la chambre du réacteur avec les vannes d'entrée et de sortie fermées.According to the method of the invention, the control and the regulation are carried out using an electronic control unit. As input variables for the control, at least one of the following variables is used: the composition of the product, the pressure curve in the reactor chamber, the maximum pressure in the reactor chamber, the pressure increase in the reactor chamber, crankshaft speed, residence time in reactor chamber, reactant pressure, reactant temperature, product temperature, reactant composition, reactant amount. Actuators or manipulated variables are at least one of the following: Fluid quantity, fluid cooler output, fluid heater output, fluid pressure controller, E-motor speed, crankshaft speed , energy supplied/discharged from the engine E, valve opening time (intake valves, outlet valves,), quantity of recycled product, variation of the compression ratio, variable geometry of the turbine, variable geometry of the compressor, quantity by-pass of the turbine, amount of product discharged after the compressor, position of the throttle valve on the product side, position of the back pressure valve on the product side, activation time of the additional energy supplied by spark plug, laser, microwave or corona discharge, number of activations of additional energy provided by spark plug, laser, microwave or corona discharge per duty cycle , time and number of foods tations of the reactant supplied directly into the reactor chamber with the inlet and outlet valves closed.
En particulier, la courbe de pression, la pression maximale et le gradient d'augmentation de la pression dans les chambres du réacteur se sont avérés être des variables de processus importantes. Ces variables peuvent être déterminées à l'aide de capteurs de pression raccordés fluidiquement à la chambre de réacteur respective et à l'évaluation correspondante dans l'unité de commande électronique. En plus de leur influence sur la conversion en sélectivité, ces variables sont également importantes pour éviter la surcharge mécanique des réacteurs de compression. Afin d'éviter toute surcharge, leurs valeurs sont limitées à l'aide de l'unité de commande électronique. Ceci est réalisé en particulier en réduisant les quantités de réactif fournies et/ou en abaissant les températures et/ou les pressions des réactifs et/ou le taux de compression et/ou en augmentant la quantité de produit recyclé du côté des réactifs et/ou en déplaçant l'énergie d'activation fournie en plus par les bougies d'allumage, par exemple, à des moments ultérieurs. Dans ce contexte, il est particulièrement important que la réaction soit incontrôlée, très rapide et précoce, surtout si elle se produit bien avant le point mort haut. Ces réactions incontrôlées peuvent conduire à des détonations dans la chambre du réacteur, ce qui impose une charge mécanique et thermique très élevée aux composants des réacteurs de compression. Outre la détermination de cet état au moyen des capteurs de pression décrits ci-dessus, qui sont reliés à la chambre de réacteur respective, il est également possible de déterminer les réactions incontrôlées, de type impact, à l'aide de capteurs de bruit de structure, en particulier à l'aide d'éléments longitudinaux piézoélectriques, et de capteurs d'accélération qui sont disposés à l'extérieur des chambres de réacteur sur l'appareil selon l'invention. Leurs signaux sont évalués dans une unité de contrôle électronique et comparés aux valeurs attendues. Si une réaction incontrôlée est détectée, les contre-mesures déjà décrites ci-dessus peuvent être déclenchées via l'unité de commande électronique.In particular, the pressure curve, the peak pressure and the pressure rise gradient in the reactor chambers were found to be important process variables. These variables can be determined using pressure sensors fluidically connected to the respective reactor chamber and the corresponding evaluation in the electronic control unit. In addition to their influence on the conversion to selectivity, these variables are also important to avoid the mechanical overload of the compression reactors. In order to avoid overloading, their values are limited using the electronic control unit. This is achieved in particular by reducing the quantities of reagent supplied and/or by lowering the temperatures and/or the pressures of the reagents and/or the compression ratio and/or by increasing the quantity of recycled product on the side of the reagents and/or by shifting the activation energy additionally provided by the spark plugs, for example, to later times. In this context, it is particularly important that the reaction is uncontrolled, very fast and early, especially if it occurs well before top dead center. These uncontrolled reactions can lead to detonations in the reactor chamber, which places a very high mechanical and thermal load on the components of compression reactors. In addition to the determination of this state by means of the pressure sensors described above, which are connected to the respective reactor chamber, it is also possible to determine uncontrolled reactions, such as impact, by means of noise sensors of structure, in particular using piezoelectric longitudinal elements, and acceleration sensors which are arranged outside the reactor chambers on the device according to the invention. Their signals are evaluated in an electronic control unit and compared with expected values. If an uncontrolled reaction is detected, the countermeasures already described above can be triggered via the electronic control unit.
En plus de prévenir les dommages mécaniques dus à des pressions excessives dans les réacteurs ou à des gradients de pression trop importants, les capteurs de pression et/ou de bruit solidien et/ou d'accélération décrits ci-dessus peuvent également être utilisés pour détecter une réaction trop lente ou l'absence totale de réaction. Dans ce cas, le rendement diminuerait considérablement et une grande quantité de réactifs non réagis atteindrait le côté produit. Dans ce cas, l'unité de commande électronique augmenterait les températures et/ou les pressions et/ou le taux de compression du produit fourni et/ou du réactif et/ou réduirait la quantité de produit renvoyé du côté du réactif et/ou réduirait l'énergie d'activation supplémentaire fournie par les bougies d'allumage, par exemple. par exemple, et/ou l'ajout de réactif introduit directement dans l'espace du réacteur avec les vannes d'entrée et de sortie fermées est décalé à des moments antérieurs et/ou le nombre d'événements d'activation fournis en plus, comme des étincelles électriques, et/ou le nombre d'ajouts de réactif effectués directement dans l'espace du réacteur et/ou la quantité d'énergie d'activation fournie en plus est augmenté.In addition to preventing mechanical damage due to excessive pressures in the reactors or too large pressure gradients, the pressure and/or structure-borne noise and/or acceleration sensors described above can also be used to detect too slow a reaction or no reaction at all. In this case, the yield would drastically decrease and a large amount of unreacted reactants would reach the product side. In this case, the electronic control unit would increase the temperatures and/or the pressures and/or the compression ratio of the delivered product and/or the reactant and/or reduce the amount of product returned to the reactant side and/or reduce the additional activation energy provided by spark plugs, for example. for example, and/or the addition of reagent introduced directly into the reactor space with the inlet and outlet valves closed is shifted to earlier times and/or the number of activation events additionally provided, such as electric sparks, and/or the number of reactant additions made directly to the reactor space and/or the amount of additionally supplied activation energy is increased.
Le problème de la réaction trop lente ou de l'absence totale de réaction se pose en particulier au début des réacteurs de compression, car leurs composants en contact avec le réacteur, et en particulier les chambres du réacteur, sont encore froids à ce moment-là. Cela peut conduire à ce que les températures de réaction cibles ne soient pas atteintes. Pour éviter cela, lors du démarrage des réacteurs à compression, il est prévu, selon l'invention, qu'ils soient exploités de manière traînante avant que tous les réactifs soient introduits dans les chambres du réacteur. Comme décrit ci-dessus, cela est réalisé dans le cas le plus simple au moyen d'une machine électrique couplée au vilebrequin des réacteurs de compression à mouvement alternatif. De plus, selon l'invention, il est prévu de préchauffer le liquide de refroidissement et/ou le lubrifiant des réacteurs de compression à mouvement alternatif avant un démarrage. En outre, jusqu'à ce que la température de fonctionnement ou la composition de produit souhaitée soit atteinte, une vanne disposée en aval des chambres du réacteur et en aval du conduit de retour des produits vers le côté de la conduite est fermée et le conduit de retour des produits vers l'entrée, c'est-à-dire le côté de la conduite, est ouvert. En raison de la friction et de la chaleur de friction qui en résulte, la température dans les chambres du réacteur augmente, et le retour des fluides chauffés vers le côté de l'entrée augmente encore cet effet. Indépendamment ou en plus de cela, on n'ajoute pas tous les réactifs nécessaires à la réaction souhaitée, mais plutôt de préférence des substances inertes, en particulier des réactifs tels que N2ou CO2. Cela est particulièrement utile lorsque des réactifs explosifs sont ajoutés dans la réaction proprement dite, car cela permet de rincer les espaces du réacteur et d'éliminer l'oxygène qui aurait pu y pénétrer pendant l'arrêt. Il est particulièrement avantageux d'ajouter des gaz à coefficient Joule-Tomson positif dans les compartiments du réacteur avant que la température de fonctionnement ne soit atteinte, car ces gaz augmentent la température par compression dans les compartiments du réacteur, ce qui réchauffe les compartiments du réacteur. L'ajout de gaz à coefficient Joule-Thomson négatif, comme l'hydrogène, est supprimé pendant cette phase de fonctionnement. De plus, un préchauffage des réactifs est possible. Si l'unité de commande électronique détermine une température suffisamment élevée pour la réaction, elle passe du mode de réchauffement au fonctionnement standard réel pour produire les produits souhaités. C'est-à-dire que tous les réactifs sont maintenant ajoutés, la vanne en aval du réacteur est ouverte et la quantité de produit ou de réactifs renvoyés du côté des réactifs est ajustée à la composition de produit souhaitée.The problem of the reaction being too slow or the total absence of reaction arises in particular at the beginning of the compression reactors, because their components in contact with the reactor, and in particular the reactor chambers, are still cold at this time. there. This can lead to target reaction temperatures not being reached. To avoid this, when starting the compression reactors, it is provided, according to the invention, that they are operated in a dragging manner before all the reactants are introduced into the reactor chambers. As described above, this is achieved in the simplest case by means of an electric machine coupled to the crankshaft of reciprocating compression reactors. In addition, according to the invention, provision is made to preheat the cooling liquid and/or the lubricant of the reciprocating compression reactors before start-up. Further, until the desired operating temperature or product composition is reached, a valve located downstream of the reactor chambers and downstream of the product return line to the side of the line is closed and the line return of the products to the entrance, that is to say the side of the pipe, is open. Due to friction and the resulting frictional heat, the temperature in the reactor chambers increases, and the return of heated fluids to the inlet side further increases this effect. Independently or in addition to this, not all the reagents necessary for the desired reaction are added, but rather preferably inert substances, in particular reagents such as N 2 or CO 2 . This is particularly useful when explosive reagents are added in the reaction itself, as it helps flush the reactor spaces and remove any oxygen that may have entered during shutdown. It is particularly advantageous to add gases with a positive Joule-Tomson coefficient to the reactor compartments before the operating temperature is reached, because these gases increase the temperature by compression in the reactor compartments, which heats up the reactor compartments. reactor. The addition of gas with a negative Joule-Thomson coefficient, such as hydrogen, is suppressed during this operating phase. In addition, preheating of the reagents is possible. If the electronic control unit determines a temperature high enough for the reaction, it switches from heating mode to actual standard operation to produce the desired products. That is, all reactants are now added, the valve downstream of the reactor is opened, and the amount of product or reactants returned to the reactant side is adjusted to the desired product composition.
La purge du carter est illustrée pour le cas d'un appareil à deux temps dans les
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Les figures 7 et 8 montrent une connexion en série d'une pluralité de réacteurs (1) et (1a). Ici, les réacteurs (1) et (1a) peuvent différer dans leur géométrie, comme la géométrie du piston, le diamètre et/ou la course, ou dans leurs paramètres de fonctionnement, comme la température, la pression et/ou l'énergie supplémentaire fournie. Ainsi, il est possible de traiter un produit intermédiaire (8b) qui quitte les premiers réacteurs (1) avec des conditions de réaction modifiées, pour aboutir au produit final (8). Entre les deux réacteurs, un autre réactif (81) peut être alimenté et/ou un produit intermédiaire (8c) peut être évacué.Figures 7 and 8 show a series connection of a plurality of reactors (1) and (1a). Here, the reactors (1) and (1a) may differ in their geometry, such as piston geometry, diameter and/or stroke, or in their operating parameters, such as temperature, pressure and/or energy additional provided. Thus, it is possible to treat an intermediate product (8b) which leaves the first reactors (1) with modified reaction conditions, to lead to the final product (8). Between the two reactors, another reactant (81) can be supplied and/or an intermediate product (8c) can be evacuated.
Par exemple, le méthanol peut être produit à partir de CO2et de H2dans les premiers réacteurs (1),For example, methanol can be produced from CO 2 and H 2 in the first reactors (1),
CO2+ 3H2→ CH3OH + H2OCO 2 + 3H 2 → CH 3 OH + H 2 O
tandis que dans les seconds réacteurs (1a), l'éther diméthylique (DME) peut être formé à partir du méthanol (8b) avec élimination de H2O.while in the second reactors (1a), dimethyl ether (DME) can be formed from methanol (8b) with removal of H 2 O.
2 CH3OH → CH3-O-CH3+ H2O2CH 3 OH → CH 3 -O-CH 3 + H 2 O
Entre les deux réacteurs, un intermédiaire, dans ce cas H2O, est retiré de la première réaction (8c). Cela permet de déplacer l'équilibre du côté du DME. Cela peut encore être amélioré si l'eau formée dans le deuxième réacteur est retirée du flux de produit (8a) et si ce flux de produit anhydre (52) est recyclé dans les compartiments du réacteur (1a) (
Un autre exemple de ce contrôle de processus est la production d'hydrogène à partir du méthane. Dans une première chambre de réacteur, le reformage à la vapeur a lieu.Another example of this process control is the production of hydrogen from methane. In a first reactor chamber, steam reforming takes place.
CH4+ H2O → CO + 3H2 CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2
Le mélange CO/H2- qui en résulte est ensuite acheminé vers le second réacteur avec l'ajout d'eau (81), où de l'hydrogène supplémentaire est produit par la réaction de conversion de l'eau en gaz.The resulting CO/H 2 - mixture is then routed to the second reactor with the addition of water (81), where additional hydrogen is produced by the water-to-gas conversion reaction.
CO + H2O ←→ CO2+H2 CO + H 2 O ←→ CO 2 +H 2
La réaction de déplacement du gaz de l'eau peut être améliorée en retirant du flux de produit le CO2formé dans le second réacteur et en renvoyant ce flux de produit sans CO2(52) dans les compartiments du réacteur (1a) et/ou en déchargeant de l'hydrogène (8c) entre les réacteurs (1) et (1a) (
Les deux rangées de réacteurs peuvent être construites comme des unités indépendantes séparées, c'est-à-dire des machines à pistons séparées, dans le cas où des temps de séjour différents doivent être réalisés dans les deux rangées de réacteurs. Cependant, selon l'invention, il est également possible de disposer les deux rangées de telle sorte que leurs pistons agissent sur un vilebrequin commun (37) via les bielles (35). Ceci est particulièrement utile si les temps de séjour dans les deux rangées de réacteurs doivent être identiques. Pour cela, les deux rangées sont disposées en V l'une par rapport à l'autre, l'angle des deux jambes étant marqué "a" sur la
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Le procédé selon l'invention est décrit ci-dessous en utilisant l'exemple d'un procédé de production de CH4-. L'hydrogène (93) qui sort de l'électrolyseur est acheminé vers les chambres du réacteur (1) avec du CO et/ou du CO2(6), ce qui permet la formation de CH4et de H2O qui quittent les réacteurs (8). Ensuite, l'eau est séparée du CH4(non représenté ici) et au moins le CH4formé est collecté. L'oxygène (9a) formé par l'électrolyse peut être collecté dans un réservoir (91) et être ensuite utilisé pour d'autres processus (non représentés ici). Le CO ou le CO2nécessaire à la réaction peut être obtenu par la combustion du carbone, en particulier des composés contenant des hydrocarbures. L'ammoniac peut être produit de la même manière que le méthane, mais au lieu du monoxyde de carbone ou du dioxyde de carbone, l'azote (6) est introduit dans les espaces de réaction avec l'hydrogène (93). La formation parallèle de méthane et d'ammoniac est également possible si les compartiments du réacteur sont alimentés à la fois en azote et en CO et/ou CO2ainsi qu'en hydrogène. En aval des compartiments du réacteur, l'ammoniac est séparé par des procédés d'absorption, d'adsorption ou de membranes. Cette production parallèle d'ammoniac et de méthane illustre la différence majeure entre les réacteurs à flux catalytique ou à lit fixe et le procédé selon l'invention : Contrairement aux réacteurs à flux et à lit fixe, dans lesquels les deux substances doivent être produites sur deux catalyseurs différents avec des alimentations de réactifs séparées et donc dans deux installations ou étapes séparées, selon le procédé de l'invention, cela est réalisé sans catalyseur et dans un seul appareil. Cela permet de réduire considérablement l'espace et les coûts d'installation. Dans les trois cas, la teneur en oxygène dans les chambres du réacteur doit être minimisée au début de la réaction afin d'obtenir des sélectivités élevées pour les produits souhaités que sont le méthane et l'ammoniac. L'hydrogène (93) produit lors de l'électrolyse peut être stocké temporairement dans un réservoir (92).The process according to the invention is described below using the example of a process for the production of CH 4 -. The hydrogen (93) leaving the electrolyser is routed to the reactor chambers (1) with CO and/or CO 2 (6), which allows the formation of CH 4 and H 2 O which leave the reactors (8). Then, the water is separated from the CH 4 (not represented here) and at least the CH 4 formed is collected. The oxygen (9a) formed by the electrolysis can be collected in a tank (91) and then be used for other processes (not shown here). The CO or CO 2 necessary for the reaction can be obtained by the combustion of carbon, in particular compounds containing hydrocarbons. Ammonia can be produced in the same way as methane, but instead of carbon monoxide or carbon dioxide, nitrogen (6) is introduced into the reaction spaces with hydrogen (93). The parallel formation of methane and ammonia is also possible if the reactor compartments are supplied with both nitrogen and CO and/or CO 2 as well as hydrogen. Downstream of the reactor compartments, ammonia is separated by absorption, adsorption or membrane processes. This parallel production of ammonia and methane illustrates the major difference between catalytic flow or fixed-bed reactors and the process according to the invention: Unlike flow and fixed-bed reactors, in which the two substances must be produced on two different catalysts with separate reactant feeds and therefore in two separate installations or stages, according to the process of the invention, this is carried out without catalyst and in a single apparatus. This significantly reduces space and installation costs. In all three cases, the oxygen content in the reactor chambers must be minimized at the start of the reaction in order to obtain high selectivities for the desired products methane and ammonia. The hydrogen (93) produced during the electrolysis can be temporarily stored in a tank (92).
Dans la
Comme décrit ci-dessus, d'autres paramètres du processus, tels que la quantité de produit recyclé, les pressions des réactifs, les températures des réactifs, les températures du produit, les pressions du produit, les taux de compression variables, le moment où l'énergie d'activation supplémentaire est fournie, la quantité d'énergie d'activation supplémentaire fournie, le nombre d'énergie d'activation supplémentaire fournie par cycle, les quantités de réactifs, le moment où les soupapes sont réglées (pour les soupapes d'entrée et/ou de sortie), le moment où le réactif est fourni directement à la chambre du réacteur, le nombre de cycles, la vitesse du vilebrequin, la vitesse de la machine électronique, la température du produit recyclé, etc. (non illustrée ici), afin d'influencer la réaction dans la mesure souhaitée à l'aide de l'unité de commande électronique et des actionneurs appropriés.As described above, other process parameters, such as amount of recycled product, reactant pressures, reactant temperatures, product temperatures, product pressures, varying compression ratios, timing additional activation energy is supplied, amount of additional activation energy supplied, number of additional activation energy supplied per cycle, amounts of reactants, when valves are set (for valves inlet and/or outlet), when the reactant is supplied directly to the reactor chamber, the number of cycles, the crankshaft speed, the speed of the electronic machine, the temperature of the recycled product, etc. (not shown here), in order to influence the reaction to the desired extent using the electronic control unit and suitable actuators.
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Cela devient pertinent, par exemple, lorsque des gaz sont introduits comme réactifs résultant d'une réaction d'oxydation avec l'air, comme cela se produit lors de la combustion d'hydrocarbures en mode un. Dans ce cas, il se forme d'une part du CO et du CO2, mais d'autre part, de grandes quantités de N2sont également présentes, qui ne participent pas à la combustion. Si ce mélange est introduit dans la chambre de réaction avec H2, des hydrocarbures sont formés, comme le méthane, mais aussi l'eau et le NH3. La séparation du NH3est à la pointe de la technologie, elle ne sera donc pas abordée plus avant ici. A titre d'exemple, une séparation à l'aide d'eau est décrite ci-dessus, mais la séparation ne se limite pas à ce processus. La
This becomes relevant, for example, when gases are introduced as reactants resulting from an oxidation reaction with air, as occurs during the combustion of hydrocarbons in mode one. In this case, on the one hand CO and CO 2 are formed, but on the other hand large quantities of N 2 are also present, which do not participate in the combustion. If this mixture is introduced into the reaction chamber with H 2 , hydrocarbons are formed, such as methane, but also water and NH 3 . The separation of NH 3 is state-of-the-art, so it will not be discussed further here. By way of example, a separation using water is described above, but the separation is not limited to this process. There
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