Procedimiento industrial para la obtención de alcoholes inferiores a partir de energía solar.

El procedimiento de la invención permite obtener alcoholes inferiores a partir de la energía solar procedente de una planta termoeléctrica solar de alta temperatura que alimenta desde el punto de vista energético todos los pasos de procedimiento, proporcionando la energía eléctrica necesaria para llevar a cabo las etapas intermedias y esencialmente los productos implicados en sus diferentes pasos (H2, O2, vapor de agua y CO2) a partir de una alimentación de carbón molido húmedo, siendo los subproductos obtenidos en estas diferentes etapas de procedimiento realimentados al propio proceso. El procedimiento permite almacenar la energía del sol en forma de alcoholes inferiores, los cuales pueden constituir combustibles alternativos a los combustibles fósiles, y elimina el peligro derivado de la producción de residuos, tratándose de un procedimiento especialmente ventajoso desde el punto de vista medioambiental y productivo.

PROCEDIMIENTO INDUSTRIAL PARA LA OBTENCIÓN DE ALCOHOLES

INFERIORES A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR

La presente invención se refiere a un procedimiento industrial para la obtención de alcoholes inferiores, preferentemente de menos de tres átomos de carbono, en particular metanol y etanol, a partir de la energía procedente de una planta termoeléctrica solar de alta temperatura, utilizando como productos de partida carbón y vapor de agua.

Más en particular, el procedimiento de la invención permite la obtención de alcoholes inferiores de forma que la energía solar procedente de una planta termoeléctrica solar de alta temperatura alimenta desde el punto de vista energético todos los pasos de procedimiento, proporcionando tanto la energía eléctrica necesaria para llevar a cabo las etapas intermedias del procedimiento como esencialmente los productos implicados en sus diferentes pasos (H2, O2, vapor de agua y CO2) a partir de una alimentación de carbón molido húmedo, siendo los subproductos obtenidos en estas diferentes etapas de procedimiento realimentados al propio proceso. Se trata por tanto de un procedimiento que por una parte permite el almacenamiento de la energía del sol en forma de alcoholes inferiores, los cuales a su vez pueden constituir combustibles alternativos a los combustibles fósiles o transformarse en combustibles industriales y/o domésticos, y, por otra parte, debido a la reutilización de los subproductos obtenidos en las diferentes etapas de procedimiento, esencialmente elimina el peligro derivado de la producción de residuos, tratándose por ello de un procedimiento especialmente ventajoso desde el punto de vista medioambiental y productivo.

Actualmente, todo el metanol producido mundialmente se sintetiza mediante un proceso catalítico a partir de monóxido de carbono e hidrógeno, siendo necesarias para la reacción altas temperaturas y presiones, así como grandes y complicados reactores industriales. Básicamente, la reacción de obtención de metanol se lleva a cabo a partir del llamado gas de síntesis, consistente en CO, CO2 y H2, cat. ZnO o Cr2O3 CO + H2 + CO2

CH3OH

T = 300-400º C

P = 200-300 atm

Este gas de síntesis se puede obtener de distintas formas, siendo actualmente el proceso más ampliamente usado para su obtención la combustión parcial de gas natural en presencia de vapor de agua o de la combustión parcial de mezclas de hidrocarburos líquidos o carbón, en presencia de agua.

A partir de este gas de síntesis, los procesos industriales para la obtención de metanol son bien conocidos, siendo los más ampliamente aplicados los desarrollados por las firmas Lurgi Corp. e Imperial Chemical Industries Ltd. (ICI) .

Brevemente, el Proceso Lurgi, denominado proceso de baja presión para obtener metanol a partir de hidrocarburos gaseosos, líquidos o carbón, se basa 15 en las siguientes etapas:

1. Reforming:

En esta etapa es donde se produce la diferencia en el proceso en función del tipo de alimentación. En el caso de que la alimentación sea de gas natural, este se desulfuriza antes de alimentar el reactor. 20 Aproximadamente la mitad de la alimentación entra al primer reactor, el cual está alimentado con vapor de agua a media presión. Dentro del reactor se produce la oxidación parcial del gas natural. De esta manera se obtiene H2, CO, CO2 y un 20% de CH4 residual. Esta reacción se produce a 780º C y a 40 atm. El gas de síntesis más el metano residual 25 que sale del primer reactor se mezcla con la otra mitad de la alimentación (previamente desulfurizada) . Esta mezcla de gases entra en el segundo reactor, el cual está alimentado por O2. Este proviene de una planta de obtención de oxígeno a partir de aire.

CH4+ CO + CO2+ O2 CO + CO2+ H2

Esta reacción se produce a 950º C. En caso de que la alimentación sea líquida o carbón, ésta es parcialmente oxidada por O2 y vapor de agua a 1.400-1.500º C y 55-60 atm. El gas así formado consiste en H2, CO con algunas impurezas formadas por pequeñas cantidades de CO2, CH4, H2S y carbón libre. Esta mezcla pasa luego a otro reactor donde se acondiciona el gas de síntesis eliminándose el carbón libre, el H2S y parte del CO2, quedando el gas listo para alimentar el reactor de metanol.

2. Síntesis:

El gas de síntesis se comprime a 70-100 atm y se precalienta. Luego alimenta al reactor de síntesis de metanol junto con el gas de recirculación. El reactor Lurgi es un reactor tubular, cuyos tubos están llenos de catalizador y enfriados exteriormente por agua en ebullición. La temperatura de reacción se mantiene así entre 240-270º C.

CO + H2 CH3OH ΔH < 0

CO2+ H2 CH3OH ΔH < 0

Una buena cantidad de calor de reacción se transmite al agua en ebullición obteniéndose de 1 a 1, 4 Kg. de vapor por Kg de metanol. Además se protege a los catalizadores.

3. Destilación El metanol en estado gaseoso que abandona el reactor debe ser 25 purificado. Para ello primeramente pasa por un intercambiador de calor que reduce su temperatura, condensándose el metanol. Este se separa luego por medio de un separador, del cual salen gases que se condicionan (temperatura y presión adecuadas) y se recirculan. El metanol en estado líquido que sale del separador alimenta una columna de destilación alimentada con vapor de agua a baja presión. De la torre de destilación sale el metanol en condiciones normalizadas.

En el caso del proceso ICI, la síntesis catalítica se produce en un reactor de lecho fluidizado, en el cual al gas de síntesis ingresa por la base y el metanol sale por el tope. El catalizador se mantiene así fluidizado dentro del reactor, el cual es enfriado por agua en estado de ebullición, obteniéndose vapor que se utiliza en otros sectores del proceso. En este proceso, la destilación se realiza en dos etapas en lugar de realizarse en una sola como el caso anterior del proceso Lurgi.

Por su parte, la obtención industrial de etanol se basa principalmente en el procesamiento de materia biológica, en particular ciertas plantas con azúcares. El etanol así producido se conoce como bioetanol. Por otra parte, también puede obtenerse etanol mediante la modificación química del etileno, por hidratación. En el primer caso, el bioetanol puede producirse a partir de un gran número de plantas, con una variación, según el producto agrícola, del rendimiento entre el combustible consumido y el generado en dicho proceso. Este etanol está sujeto a una fuerte polémica, por un lado se perfila como un recurso energético potencialmente sostenible que puede ofrecer ventajas medioambientales y económicas a largo plazo en contraposición a los combustibles fósiles, mientras que por otro lado es el responsable de grandes deforestaciones y del aumento del precio de los alimentos, al suplantar selvas y terrenos agrícolas para su producción (Monbiot, George (2008) . "Calor. Cómo parar el calentamiento global", Barcelona: RBA libros, ISBN 9-053-0) , dudándose además de su rentabilidad energética.

Los actuales métodos de producción de bioetanol utilizan una cantidad significativa de energía en comparación con la energía obtenida del combustible producido.

Desde la antigüedad se obtiene el etanol por fermentación anaeróbica de azúcares (sacarosa) con levaduras en solución acuosa y posterior destilación. El proceso a partir de almidón es más complejo que a partir de sacarosa, pues el almidón debe ser hidrolizado previamente para convertirlo en azúcares. Para ello se mezcla el vegetal triturado con agua y con una enzima (o en su lugar con ácido) y se calienta la papilla obtenida a 120 - 150º C. Posteriormente se cuela la masa, en un proceso llamado escarificación, y se envía a los reactores de fermentación. A partir de celulosa es aún más complejo, ya que primero hay que pre-tratar la materia vegetal para que la celulosa pueda ser luego atacada por las enzimas hidrolizantes. El pre-tratamiento puede consistir en una combinación de trituración, pirólisis y ataque con ácidos y otras sustancias. Esto es uno de los factores que explican por qué los rendimientos en etanol son altos para la caña de azúcar, mediocres para el maíz y bajos para la madera. La fermentación de los azúcares es llevada a cabo por microorganismos (levaduras o bacterias) y produce etanol, así como grandes cantidades de CO2. Además produce otros compuestos oxigenados como metanol, alcoholes superiores, ácidos y aldehídos. Típicamente la fermentación...

1. Procedimiento industrial para la obtención de alcoholes inferiores a partir de energía solar caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

i) gasificación / pirólisis en reactor dual para la obtención de gas de síntesis: el vapor de agua procedente de una central termoeléctrica solar de alta temperatura se alimenta a un reactor dual de gasificación / pirólisis en el que previamente se carga, a través de una tolva de alimentación, carbón molido húmedo, oxidándose éste parcialmente mediante el O2, procedente de una etapa posterior de electrolisis (etapa 2) , y vapor de agua procedente de la central solar, en un gasificador provisto en el interior del reactor dual y posterior pirólisis del gas así formado eliminándose esencialmente el carbón libre, el H2S y parte del CO2, mediante la utilización de catalizadores adecuados, para la obtención de gas de síntesis.

ii) Electrolisis en paralelo para la obtención de oxígeno e hidrógeno: la mezcla de vapor de agua y CO2 residual procedente de la etapa i) atraviesa una turbina/motor con el fin de, mediante una dinamo, generar la electricidad necesaria para que se produzca una reacción de electrolisis en una cuba electrolítica adecuada, alimentada previamente con agua desmineralizada, de forma que el oxígeno producido alimenta el reactor dual de gasificación / pirólisis de la etapa i) previa y el hidrógeno obtenido se reconduce hacia un dosificador, donde, junto el gas de síntesis, se comprime y calienta para su reacción posterior en la etapa iii) siguiente, reconduciéndose la mezcla residual de dióxido de carbono y vapor de agua desde la turbina hacia un reactor catalítico para su utilización en una etapa posterior iv) .

iii) Reacción catalítica para la obtención de alcoholes inferiores a partir de gas de síntesis e hidrógeno: el gas de síntesis obtenido en la etapa i) se comprime y calienta antes de ser alimentado, junto con el hidrógeno procedente de la etapa ii) , a un reactor catalítico,

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

Nº solicitud: 201031280

ESPAÑA

Fecha de presentación de la solicitud: 24.08.2010

Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional DOCUMENTOS RELEVANTES

4. 60; figura 1. US 2002025457 A1 (DODD et al.) 28.02.2002, figura 2; párrafos [51-59]. 1-3 1-2 1 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 24.01.2011 Examinador A. Rua Aguete Página 1/4

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

Nº de solicitud: 201031280

CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD C10J3/16 (01.01.2006)

F03G6/00 (01.01.2006) F24J2/00 (01.01.2006) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)

C10J, F03G, F24J

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, USTXT, XPESP, NPL, CAPLUS

Informe del Estado de la Técnica Página 2/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201031280

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 24.01.2011

Declaración

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.

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OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201031280

1. Documentos considerados.

A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

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 invención es un procedimiento para la obtención de alcoholes a partir de energía solar mediante las etapas de gasificación del carbón en un reactor dual de gasificación/pirólisis, electrolisis, reacción catalítica para obtener metanol a partir del gas de síntesis obtenido en el gasificador y reacción catalítica para la obtención de metanol y etanol partiendo del gas residual del gasificador. Una planta solar proporciona tanto la energía eléctrica necesaria para la realización de las etapas intermedias del procedimiento como los reactivos necesarios en los distintos pasos (H2, O2, vapor de H2O y CO2) .

El documento D1 divulga un procedimiento para la obtención de alcoholes inferiores a partir de energía solar mediante las etapas de gasificación en un gasificador de lecho fluidizado en el que se introduce el oxígeno obtenido en la etapa de electrolisis, que se alimenta mediante energía procedente de una planta solar. El gas de síntesis obtenido se somete a una etapa de limpieza previamente a su paso al reactor de síntesis de metanol y otros alcoholes inferiores (ver figura) .

El documento D2 divulga un procedimiento para la obtención de metanol a partir de energía solar mediante la gasificación de carbón pulverizado en un reactor de gasificación en el que se introduce oxígeno procedente de una etapa de electrolisis y vapor de agua procedente de una central solar. El gas de síntesis obtenido se somete a un tratamiento de limpieza previamente a su utilización en la obtención de metanol (ver figura; columna 9, línea 54) .

Ninguno de los dos documentos D1-D2 citados o cualquier combinación relevante de los mismos divulga un procedimiento para la obtención de alcoholes inferiores a partir de energía solar y gasificación de carbono en el que exista una etapa de reacción catalítica para la obtención de alcoholes inferiores partiendo del CO2 y vapor de agua procedentes del reactor dual de gasificación y de la planta solar directamente, con lo que tiene lugar el aprovechamiento de los gases residuales obtenidos en el gasificador para obtener una mayor cantidad de alcoholes producto.

En consecuencia, la invención tal y como se recoge en las reivindicaciones 1-4 de la solicitud es nueva y se considera que implica actividad inventiva. (Art. 6 y 8 LP) .

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