[发明专利]二氧化碳转化为合成气的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年4月29日递交的US临时专利申请62/154,308号的优先权权益，其全部内容在此通过引用并入本文。

技术领域

本申请公开的主题涉及通过二氧化碳(CO₂)氢化将CO₂转化为合成气体(合成气)的方法和系统。本申请公开的主题还涉及用于制备轻质烯烃的方法和系统。

背景技术

轻质烯烃(如C₂-C₄烯烃)是重要的工业化学品。诸如乙烯、丙烯和丁烯异构体(1-丁烯、顺式-2-丁烯、反式-2-丁烯和异丁烯)的轻质烯烃在许多其它用途中被广泛用作聚合原料。

引起兴趣的是从二氧化碳(CO₂)制备轻质烯烃和其他化学原料。CO₂是一种丰富且经济的起始材料。在化学过程中使用二氧化碳作为原料可以减少二氧化碳的排放并改善整体的可持续性。

合成气体(也称为合成气)是一氧化碳(CO)和氢气(H₂)的混合物。合成气可以任选地包含其它组分，包括CO₂、水(H₂O)、甲烷(CH₄)和/或氮气(N₂)。可以通过CO₂与H₂的反应从CO₂制备合成气。该方法可以描述为二氧化碳的氢化。CO₂和H₂可以反应，以通过逆水煤气变换(RWGS)反应形成一氧化碳(CO)和水(H₂O)。RWGS反应是吸热的并且可以由方程式1描述：

(1)CO₂+H₂→CO+H₂O Δ_RH⁰_300℃＝38kJ/mol

RWGS反应是可逆的；逆反应(从CO和H₂O到CO₂和H₂)被称为水煤气变换反应。RWGS反应可以在提供CO₂和H₂的部分转化的条件下进行，从而产生包括CO₂、H₂、CO和H₂O的总体产物混合物。可以任选地从这样的产物混合物中除去CO₂和H₂O，从而提供主要包含CO和H₂的纯化的合成气混合物。

合成气是一种通用的混合物，可用于制备轻质烯烃、甲醇和许多其他重要的工业化学品。例如，合成气可以进行费-托合成(FT)反应，以提供包含轻质烯烃的烃混合物。FT反应是放热的并且可以由方程式2描述：

(2)CO+2H₂→“CH₂”+H₂O Δ_RH⁰_300℃＝-166kJ/mol

在方程式2中，“CH₂”表示可引入更大分子例如乙烯(C₂H₄)或丙烯(C₃H₆)中的通用烃部分。

因此，如上所述，通过首先经过RWGS反应将CO₂转化为合成气，然后经过FT反应将合成气转化为轻质烯烃，可以从CO₂产生轻质烯烃。从合成气制备轻质烯烃的效率取决于合成气的组成。如方程式2所示，含有摩尔比(H₂:CO)约为2:1的H₂和CO的合成气可用于FT反应。制备合成气的许多现有方法的缺点是它们倾向于产生具有3:1或更大的H₂:CO摩尔比的合成气。例如，甲烷的蒸汽重整倾向于产生具有3:1或更高的H₂:CO摩尔比的合成气。

通过RWGS经过二氧化碳还原制备合成气遇到的问题可能是转化率差。如上所述，RWGS反应是可逆的和吸热的。提高反应温度可以提高二氧化碳和氢气到CO和H₂O的转化率，但提高RWGS反应的温度也已知会增加副反应。例如，美国专利申请公开号2013/0150466指出，在过高的反应温度下进行RWGS反应可引起不希望的反应。通过RWGS反应还原二氧化碳制备合成气时遇到的其他问题可能包括差的催化剂稳定性和差的产率。