ES2363148B1 - Procedimiento para la conversión del carbón en etanol. - Google Patents

Procedimiento para la conversión del carbón en etanol. Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la conversión del carbón en etanol.#En horno de ciclo combinado situamos carbón. Una entrada aire, otra dióxido de carbono ?CO{sub,2}-, de primera combustión del carbón y salida de humos, compuesto de monóxido de carbono -CO- y dióxido de carbono ?CO{sub,2}- (1). Horno, alimenta caloríficamente una caldera vapor de agua (2). Los humos, pasan por filtro de mangas para su purificación y filtro de carbonato cálcico ?CaCO{sub,3}- (3). Ello a depósito de reacción que produce hidrógeno ?H{sub,2}- y dióxido de carbono ?CO{sub,2}- (4). Y para su disminución a reactor con óxido cálcico -CaO- que forma hidróxido cálcico -Ca(OH){sub,2}- y reacciona con el dióxido de carbono y produce carbonato cálcico (5). El hidrógeno ?H{sub,2}- y el monóxido de carbono que quedan, a un reactor, y mediante catalización y a 350ºC. forme el etanol ?CH{sub,3}CH{sub,2}OH- (6), desprende oxígeno ?O{sub,2}-, que vuelve al principio del proceso (7). El etanol ?CH{sub,3}CH{sub,2}OH- a fase líquida mediante intercambiador de calor (8).

Description

Procedimiento para la conversión del carbón en etanol.
La presente invención se refiere a la conversión del carbón en etanol. El presente procedimiento debemos encuadrarlo dentro del sector de la energía dado que convertimos una energía fósil, como es el carbón, en etanol que es un alcohol, lo que permite multiplicar sus aplicaciones energéticas, especialmente en el mundo de los motores de combustión interna y en consecuencia en la automoción. Asimismo, en el procedimiento de conversión del carbón en etanol, no se vierte a la atmósfera ningún gas contaminante, por lo que la presente invención también puede encuadrarse dentro del sector medioambiental.
Antecedentes de la invención
En las últimas décadas, se ha despertado un interés prioritario, desde el punto de vista científico, por la síntesis del etanol, debido principalmente a su uso como carburante como adición a las gasolinas. A ello, ha contribuido el alza de los precios del petróleo y el considerarse al bioetanol, como energía renovable. Por ello, se han desarrollado numerosos procesos para la obtención del bioetanol a partir materias orgánicas, entre las que podemos citar el maíz, la caña de azúcar, los cereales y todos los productos que contiene hidratos carbono, que por fermentación producen azucares. Los azucares son transformados en gas de síntesis y a través de un proceso catalítico con alta temperatura, se obtiene el bioetanol. El inconveniente de estos procesos, es que dado el incremento constante de la demanda de bioetanol, se ha propiciado un incremento desmesurado de los alimentos de primera necesidad como son, el maíz y otros cereales etc, con graves repercusiones sociales.
En el estado de la técnica actual, también son conocidos procesos: conversión del metanol en etanol. Gas de síntesis en etanol. Conversión del anhídrido carbónico en metanol. Transformación de anhídrido carbónico en monóxido de carbono, mediante microondas. Todos los procesos se basan en dos etapas, búsqueda de la fuente de gas de síntesis y transformación del gas de síntesis en etanol.
El presente procedimiento supone un avance cualitativo en los procesos conocidos hasta ahora, cuyas mejoras afectan al uso de energías fósiles contaminantes medioambientalmente y al ahorro de los productos que derivan del petróleo.
Descripción de la invención
En un horno de ciclo combinado, suministramos energía calorífica una caldera que contiene agua. El horno de ciclo combinado se compone de un quemador donde situamos el carbón, una boca de entrada donde introducimos aire a presión, una boca de salida que recircula los humos procedentes de la combustión de nuevo al quemador y una boca de salida de los humos reciclados. El horno de ciclo combinado, tiene por objeto conseguir que los gases producto de la combustión del carbón, sean mayoritariamente monóxido de carbono y contengan una proporción menor de dióxido de carbono. Para ello, en un primer ciclo de combustión del carbón con oxígeno del aire, la reacción es:
C+O2 --------CO2.
En el segundo ciclo, donde los gases de combustión, están compuestos mayoritariamente por dióxido de carbono, al pasar de nuevo por el lecho del quemador de carbón, en ausencia de oxígeno, se produce la siguiente reacción:
C+CO2 --------2CO
Los gases de la combustión después de este segundo ciclo, están compuestos en un ochenta por cien de monóxido de carbono -CO-y veinte por cien de dióxido de carbono -CO2-. Dichos gases los hacemos pasar por un filtro de mangas, para eliminar todos los residuos sólidos que puedan contener y un filtro de carbonato calcico para eliminar los óxidos sulfurosos que contengan los humos.
El agua contenida en la caldera, por efecto del calor de la combustión del carbón, se transforma en vapor de agua a alta temperatura, y la conducimos a un depósito de reacción, donde también se introduce el monóxido carbono y el dióxido de carbono, procedente de la salida de humos del horno de ciclo combinado. Parte del monóxido de carbono, reaccionará con el vapor de agua, según la siguiente reacción:
CO+H2O --------CO2 +H2
El gas que sale del depósito de reacción, a alta temperatura y presión, está compuesto por dióxido de carbono -CO2-, monóxido de carbono -CO-Hidrógeno -H2-y vapor de H2O. Para depurar dichos gases, los dirigimos a un segundo depósito de reacción, donde se ha introducido óxido cálcico -CaO-, para que el vapor de agua y el dióxido de carbono produzcan la siguiente reacción:
H2O + CaO --------Ca (OH)2(s)
CO2 + Ca (OH)2(s) --------CaCO3(s)+H2O (I)
Tras esta reacción queda en forma de gas, el monóxido de carbono -CO-y el Hidrógeno -H2-. Dichos gases, son transportados a un tercer reactor, para que a una temperatura de trescientos cincuenta grados centígrados y utilizando como catalizadores, el platino o el óxido férrico promovido con óxido de cromo y cobre.
La reacción con los catalizadores descritos ocurre a una temperatura de trescientos cincuenta grados centígrados, es la siguiente:
4CO+6H2 --------2CH3CH2OH+O2
El etanol producido se recogerá del reactor, previo su enfriamiento mediante un intercambiador de calor. El oxígeno, lo redirigiremos a la entrada del horno de ciclo combinado para mejorar la combustión del carbón. Toda la energía calorífica necesaria para el presente procedimiento, la obtendremos del horno de ciclo combinado de combustión del carbón, por lo que el sistema es energéticamente eficiente en sí mismo.
Las fuentes de obtención del etanol, son muy limitadas, cuando su materia prima es la materia orgánica, el biogás ó la fermentación de residuos agrícolas. La producción masiva de etanol debido a la demanda, esta ocasionando problemas en la producción de las materias primas de las que se obtiene y que compiten con los alimentos básicos, teniendo en cuenta, además, que el ciclo de producción de dichas materias primas es muy largo. Por otra parte, la combustión directa del carbón, como fuente de energía eléctrica, esta ocasionando enormes problemas medioambientales, por la contaminación que produce con gases de efecto invernadero.
La ventaja del procedimiento que se describe, en relación con el estado de la técnica actual, es la obtención del etanol en una sola etapa, partir del carbón y del agua, como únicas materias primas que se consumen en el proceso.
Breve descripción de los dibujos
Para la mejor comprensión de cuanto queda descrito en la presente memoria, se acompaña un esquema en el que solo a titulo de ejemplo, representa el proceso: (1) es el horno de ciclo combinado, con las entradas de aire y de dióxido de carbono y la salida de gases de monóxido y dióxido de carbono. (2) Es la caldera de vapor de agua. (3) El filtro de mangas y el filtro de carbonato cálcico. (4) Es el depósito ó tanque de reacción, donde tiene lugar la la combinación del monóxido de carbono con el vapor de agua. (5) Es el depósito ó tanque de óxido cálcico para su reacción con el dióxido de carbono y el vapor de agua. (6) Es el reactor de reacción del monóxido de carbono con el hidrógeno para producir etanol. (7) Es la tubería que conduce el oxígeno producido a la entrada de aire del horno de ciclo combinado.
(8) Es el intercambiador de calor, para que el etanol se recoja en fase líquida.
Descripción de la forma de realización preferida
El proceso de la conversión del carbón en etanol, consta de un horno de ciclo combinado, con un quemador, donde situamos el carbón. Una entrada de aire, para la combustión del carbón. Una entrada de dióxido de carbono que procede de la primera combustión del carbón y una salida de humos, que será mayoritariamente de monóxido de carbono y dióxido de carbono. (1) Se trata de un horno que en fases sucesivas, actúa como horno de oxidación y en la siguiente fase, como horno de reducción.
El horno, alimenta caloríficamente a una caldera de vapor de agua, para obtener vapor de agua a alta temperatura (2). A la salida de los humos, ubicamos un filtro de mangas, para retener cualquier partícula inorgánica que tiene su origen en la combustión del carbón y un filtro de carbonato cálcico, para eliminar los óxidos sulfurosos (3). El vapor de agua a alta presión y temperatura producido en la caldera de vapor, lo conducimos a un depósito de reacción, donde a su vez, conducimos los humos, ya purificados, compuesto mayoritariamente por monóxido de carbono y en menor proporción por dióxido de carbono. La reacción del monóxido de carbono con el vapor de agua a alta temperatura, produce hidrógeno y dióxido de carbono (4). Las especies mayoritarias que formaran parte Del fluido que salga del deposito de reacción serán hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono y el vapor de agua que no haya reaccionado en el proceso anterior.
Para disminuir la presencia de dióxido de carbono y del vapor de agua, conducimos los fluidos a un reactor que contiene óxido cálcico, para que reaccionando con el vapor de agua, se forme hidróxido cálcico y que a su vez reacciona con el dióxido de carbono para producir carbonato cálcico (5). El hidrógeno y el monóxido de carbono que quedan en el fluido, lo transportamos a un reactor, para que mediante su catalización y a una temperatura de trescientos cincuenta grados centígrados, se forme el etanol (6). Los catalizadores que se emplean en la formación del etanol, son los siguientes: el platino, óxido férrico promovido con óxido de cromo y cobre. En la acción de formación del etanol, se desprende oxígeno, que lo conduciremos mediante una tubería a la entrada del aire del horno de ciclo combinado para mejorar la combustión del carbón, en su reacción con el oxígeno aportado (7). El etanol producido lo enfriaremos mediante un intercambiador de calor, para que pase a una fase líquida (8).
Serán independientes del objeto de la invención, los materiales empleados, las dimensiones y los detalles accesorios siempre que no afecten a su esencialidad.

Claims (2)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un procedimiento cuyo objeto es la conversión del carbón en etanol, mediante la oxidación y reducción del carbón para obtener monóxido de carbono -CO-, a alta temperatura y presión, que en su reacción con el vapor de agua, se produce Hidrógeno -H2-y dióxido de carbono -CO2-y que se caracteriza y comprende por las siguientes etapas:
    -
    Horno de ciclo combinado, para producir la oxidación/reducción del carbón y obtener mayoritariamente monóxido de carbono -CO-y en menor proporción, dióxido de carbono -CO2-.
    -
    Caldera, que utiliza la energía calorífica del carbón para producir vapor de agua.
    -
    Deposito de reacción del monóxido de carbono -CO-con vapor de agua -H2O-para producir hidrógeno -H2-y dióxido de carbono -CO2-, con la siguiente reacción:
    CO+H2O --------CO2 +H2 +CO+H2O
    -
    Reactor de captación del dióxido de carbono -CO2-, y el vapor de agua en exceso -H2O-, utilizando el óxido cálcico -CaO-para formar carbonato calcico -CaCO3-, en dos reacciones simultaneas:
    H2O + CaO --------Ca(OH)2; Ca(OH)2 +CO2 --------CaCO3 +H2O
    -
    Reactor para formar etanol mediante catalizadores de platino, óxido férrico promovido por óxido de cromo y cobre a una temperatura de trescientos cincuenta grados centígrados, de acuerdo con:
    4CO+6H2 --------2CH3CH2OH+O2 (etanol).
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201000054
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 11.01.2010
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    A
    WO 2008101370 A1 (CHINA FUEL HUAIBEI BIOENERGY T et al.) 28.08.2008, (resumen) [en línea] [recuperado el 26.04.2011] Resumen de la base de datos WPI. Recuperado de EPOQUE. 1
    A
    INOUYE J. et al. "Coal-to-Methanol Conversion". University of California. [en línea] [recuperado el 26.04.2011]. Recuperado de Internet: maecourses.ucsd.edu/ceng124/rpts/gp5_rpt4.doc 1
    A
    US 2007154380 A1 (TAKAHASHI TATSUHITO et al.) 05.07.2007, párrafos [78-82]. 1
    A
    EDWARDS, M.A. et al. "Microestructural studies of the copper promoted iron oxide/chromia watergas shift catalyst". Phys. Chem. Chem. Phys., 2002, 4, 3902-3908. 1
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 04.05.2011
    Examinador B. Aragón Urueña Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201000054
    CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD C07C27/06 (2006.01)
    C07C29/156 (2006.01) C01B31/24 (2006.01) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)
    C07C, C01B
    Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, XPESP
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201000054
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 04.05.2011
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201000054
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    WO 2008101370 A1 (CHINA FUEL HUAIBEI BIOENERGY T et al.) 28.08.2008
    D02
    INOUYE J. et al. "Coal-to-Methanol Conversion". University of California. [en línea] [recuperado el 26.04.2011]. Recuperado de Internet: maecourses.ucsd.edu/ceng124/rpts/gp5_rpt4.doc 22.05.2008
    D03
    US 2007154380 A1 (TAKAHASHI TATSUHITO et al.) 05.07.2007
    D04
    EDWARDS, M.A. et al. "Microestructural studies of the copper promoted iron oxide/chromia water-gas shift catalyst". Phys. Chem. Chem. Phys., 2002, 4, 3902-3908. 20.06.2002
  2. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El objeto de la presente invención es un procedimiento para la conversión de carbón en etanol.
    El documento D01 divulga la producción de combustible a partir de carbón y biomasa celulósica. En primer lugar se produce gas de síntesis (CO y H2) a partir del carbón en la reacción conocida como gasificación. A continuación se realiza la reacción catalítica del CO y el H2 obtenidos para obtener etanol como producto. Las condiciones de reacción son 300ºC y 68 atm y el catalizador que emplea es Mo-S-M-álcali, siendo el Pt uno de los metales utilizados.
    El documento D02 divulga la conversión del carbón en metanol. El proceso comienza con la gasificación del carbón con oxígenos para la producción de gas de síntesis. Dicho producto es tratado para hacer posible la síntesis de metanol mediante la reacción de Water Gas Shift en la que se regula la relación de CO y H2 mediante la producción de CO2. Con el CO y el H2 se obtiene el metanol y también pude obtenerse etanol dependiendo de la relación entre los dos reactivos.
    El documento D03 divulga un método para la absorción y eliminación de CO2 mediante Ca(OH)2 de manera que se forme CaCO3.
    El documento D04 divulga el estudio del catalizador óxido de hierro promovido por óxido de cromo en la reacción de Water Gas Shift.
    El objeto de la invención recogido en la reivindicación 1 relativo a un procedimiento en el que a partir de la oxidación/reducción del carbón se forma CO y CO2 opera con tres reacciones ampliamente conocidas en el estado de la técnica: la reacción de Water Gas Shift para la obtención de CO2 a partir de CO y H2O, la absorción del CO2 con Ca(OH)2 y la obtención de etanol mediante la reacción de CO y H2. Sin embargo, ninguno de los documentos citados emplea el catalizador de platino, óxido férrico promovido por óxido de cromo y cobre para la síntesis de etanol. Por tanto la invención definida en la reivindicación 1 se considera que es nueva y tiene actividad inventiva. (Art. 6.1 y Art. 8.1 Ley Patentes).
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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