Sistema y método para convertir biomasa en etanol a través del gas de síntesis.

Un método de producción de etanol a partir de gas de síntesis que comprende:

proporcionar gas de síntesis;

convertir el gas de síntesis en presencia de un catalizador para producir una mezcla que comprende metanol y monóxido de carbono e hidrógeno;

la producción de una mezcla que comprende acetato de metilo, hidrógeno, metanol, ácido acético, y agua, mediante reacción del metanol, monóxido de carbono e hidrógeno en presencia de un promotor y un catalizador metálico que comprende un metal seleccionado del grupo que consiste en iridio, hierro, cobalto, níquel, rodio, rutenio, paladio, osmio, y platino, y el promotor;

separar la mezcla que comprende acetato de metilo, hidrógeno, metanol, ácido acético y agua para producir una mezcla de acetato de metilo y metanol y una fracción seleccionada del grupo que consiste de una fracción de hidrógeno, una fracción del promotor, una fracción de ácido acético, y una fracción de agua; y

la producción de una mezcla que comprende etanol por reacción de una mezcla de acetato de metilo y metanol con hidrógeno en presencia de un catalizador de hidrogenación.

Sistema y método para convertir biomasa en etanol a través del gas de síntesis Campo técnico Esta invención se refiere a procesos para el gas de síntesis y, en particular, un método para producir etanol a partir de biomasa. Este proceso se refiere a la producción de etanol (alcohol etílico) a partir de materiales de biomasa. El rendimiento de etanol se maximiza mediante la selección de etapas catalíticas eficientes.

Antecedentes El gas de síntesis, o abreviado como "syngas" en inglés, es el nombre dado a una mezcla de gases que contiene cantidades variables de óxidos de carbono (tales como el monóxido de carbono) e hidrógeno. El nombre proviene de sus usos como compuestos intermedios en la creación de gas natural sintético, amoníaco, alcohol metílico (metanol) , o combustibles.

El gas de síntesis se puede generar de muchas maneras, por ejemplo, mediante la gasificación de un combustible que contiene carbono hasta un producto gaseoso con un valor calorífico, por ejemplo, la gasificación de carbón, biomasa o materiales de desecho municipales. Otros ejemplos incluyen el reformado con vapor de gas natural, metano a partir de varias fuentes, o hidrocarburos líquidos. El gas de síntesis es combustible y, a menudo utilizado como una fuente de combustible o como un compuesto intermedio para la producción de otros productos químicos. El gas de síntesis también se usa como un compuesto intermedio en la producción de petróleo sintético para uso como combustible o lubricante a través de catálisis utilizando un catalizador de Fisher-Tropsch. El gas de síntesis para su uso como combustible es más a menudo producido por gasificación de carbón o de residuos municipales.

Cuando se usa como un compuesto intermedio a gran escala, la síntesis industrial de hidrógeno y amoníaco, también se produce a partir de gas natural (a través de la reacción de reformado con vapor) . El gas de síntesis producido en grandes instalaciones de gasificación para conversión de materia orgánica residual en energía se utiliza como combustible para generar electricidad. Los procesos de gasificación de carbón son razonablemente eficientes y se utilizaron durante muchos años para la fabricación de lo que usualmente se conoció como gas "de alumbrado", o gas de carbón, para iluminación en las farolas de la calle y en las casas antes de que la electricidad estuviera ampliamente disponible.

El gas de síntesis se usa ampliamente para producir metanol. El gas de síntesis a partir de carbón también se utiliza para producir una amplia gama de productos químicos. Puede ser catalizado para producir una clase de combustibles diesel llamados "combustibles Fisher-Tropsch".

Recientemente, se han desarrollado bacterias especializadas para convertir gas de síntesis en una mezcla de etanol y ácido acético. La ruta química hacia el etanol no es eficiente en estos procesos de una sola etapa.

También se han descrito una cantidad de métodos para sintetizar etanol directamente a partir de biomasa utilizando un proceso de fermentación u otros procesos biológicos. Si bien estos procesos han sido utilizados para producir etanol a partir de la celulosa contenida en la biomasa, tales procesos están severamente limitados, entre otras cosas, por su incapacidad para convertir las ligninas contenidas en la biomasa lignocelulósica en productos útiles.

Se describe un proceso mediante el cual se convierte de manera eficiente gas de síntesis en etanol, que requiere poca purificación y eliminación de agua. Este etanol es adecuado como un combustible alternativo, para uso industrial, como un precursor químico, o como aditivo en productos farmacéuticos o bebidas.

El alcohol etílico (etanol) es un producto global que se utiliza para bebidas, procesos industriales y más recientemente como 50 un combustible para motores de combustión que produce una combustión más limpia que la gasolina. La producción de etanol se describe en la patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 5.414.161, la patente de la Gran Bretaña No.

2.162.172 y la patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 4.454.328.

Debido a que la demanda mundial de etanol es tan grande y ahora creciendo increíblemente con el intento de utilizarlo como 55 un aditivo para el combustible a gran escala aquí en Norte América, un proceso que utiliza biomasa entera aumentaría la capacidad mundial de etanol.

La presente invención describe un método por el cual el gas de síntesis que se produce a partir de material de biomasa se puede convertir de manera eficiente en etanol.

Resumen de la invención

La presente invención es un método para producir etanol a partir de gas de síntesis que comprende las etapas de:

proporcionar gas de síntesis;

convertir el gas de síntesis en metanol para producir metanol y monóxido de carbono e hidrógeno;

hacer reaccionar un catalizador y un promotor con el metanol, el monóxido de carbono y el hidrógeno para producir una mezcla que comprende acetato de metilo, hidrógeno, metanol, ácido acético y agua;

separar la mezcla para separar al promotor, una mezcla de acetato de metilo y metanol, y una mezcla de ácido acético y agua;

añadir hidrógeno a la mezcla de acetato de metilo y metanol y hacer reaccionar la mezcla con un catalizador de 15 hidrogenación para producir etanol.

Se divulga otro proceso que convierte gas de síntesis en etanol. Se convierte el gas de síntesis en una mezcla de metanol, monóxido de carbono e hidrógeno; se hace reaccionar la mezcla de metanol y monóxido de carbono usando un catalizador de para producir ácido acético y monóxido de carbono, se hace reaccionar el ácido acético con etanol en presencia de un catalizador para producir una mezcla que comprende acetato de etilo y agua; y se hace reaccionar el acetato de etilo con el hidrógeno utilizando un catalizador de hidrogenación para producir etanol.

Se divulga un proceso que convierte el gas de síntesis (syngas) producido a partir de material de biomasa en alcohol etílico. Se gasifica la biomasa para producir gas de síntesis en un gasificador de vapor, se comprime el gas de síntesis y se lo hace reaccionar con uno o más catalizadores para producir etanol. El gasificador de biomasa en esta invención es un recipiente en forma de caja que tiene un fondo que es una placa de distribución y de tubos, en donde los tubos transportan gases calientes para calentar el lecho fluidizado. Cada etapa catalítica se lograría utilizando el mejor método disponible y es una etapa catalítica que requiere un catalizador, un recipiente, y el calor y la presión apropiados.

Se divulga un método para producir gas de síntesis a partir de biomasa seca usando gasificación de vapor con un lecho fluidizado. El lecho está en un recipiente en forma de caja con una placa de distribución para un piso, los gases calientes se transmiten a través de tubos, y se inyecta la biomasa para gasificar hasta el gas de síntesis. En una realización adicional de esta invención, se calienta el proceso de gasificación mediante la combustión de gas de síntesis de bajo BTU producido en un segundo gasificador soplado con aire.

También se divulga un aparato para producir etanol a partir de gas de síntesis, en el que dicho aparato incluye un reactor de metanol, un reactor de acetato de metilo con un catalizador de metal, un aparato de destilación para separar el acetato de metilo, el ácido acético, el hidrógeno y el yoduro de metilo, y un reactor de etanol que produce metanol. En una realización adicional de esta invención, el aparato para producir etanol recibe el gas de síntesis de un gasificador de vapor con un lecho fluidizado que tiene biomasa seca como combustible.

También se divulga un método para producir etanol a partir de biomasa, incluyendo dicho método la provisión de gas de síntesis, convertir el gas de síntesis en una mezcla que contiene metanol, hacer reaccionar la mezcla que comprende metanol para obtener una mezcla que comprende acetato de metilo y metanol; y hacer reaccionar la mezcla que comprende 45 acetato de metilo y metanol con hidrógeno para producir etanol.

Breve descripción de los dibujos Las características anteriores de la invención se entenderán más fácilmente por referencia a la siguiente descripción 50 detallada, tomada con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1A es una vista esquemática de una forma de realización preferida del proceso para la producción de gas de síntesis a partir de biomasa.

La Figura 1B es una vista esquemática de una realización preferida del proceso para la compresión y reformado del gas de síntesis.

La Figura 1C... [Seguir leyendo]

1. Un método de producción de etanol a partir de gas de síntesis que comprende:

proporcionar gas de síntesis;

convertir el gas de síntesis en presencia de un catalizador para producir una mezcla que comprende metanol y monóxido de carbono e hidrógeno;

la producción de una mezcla que comprende acetato de metilo, hidrógeno, metanol, ácido acético, y agua, mediante reacción del metanol, monóxido de carbono e hidrógeno en presencia de un promotor y un catalizador metálico que comprende un metal seleccionado del grupo que consiste en iridio, hierro, cobalto, níquel, rodio, rutenio, paladio, osmio, y platino, y el promotor;

separar la mezcla que comprende acetato de metilo, hidrógeno, metanol, ácido acético y agua para producir una mezcla de acetato de metilo y metanol y una fracción seleccionada del grupo que consiste de una fracción de hidrógeno, una fracción del promotor, una fracción de ácido acético, y una fracción de agua; y la producción de una mezcla que comprende etanol por reacción de una mezcla de acetato de metilo y metanol con 20 hidrógeno en presencia de un catalizador de hidrogenación.

2. Un método de producción de etanol tal como se reivindica en la reivindicación 1, en donde el catalizador que comprende un metal es un catalizador de iridio.

3. Un método de producción de etanol tal como se reivindica en la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde la conversión del gas de síntesis adicionalmente comprende:

comprimir el gas de síntesis para producir gas de síntesis comprimido;

calentar el gas de síntesis comprimido para producir gas de síntesis comprimido calentado;

reformado con vapor del gas de síntesis comprimido calentado para producir gas de síntesis reformado;

comprimir nuevamente el gas de síntesis reformado para producir gas de síntesis reformado comprimido; y convertir el gas de síntesis reformado comprimido en una mezcla que comprende metanol, monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrógeno.

4. Un método de producción de etanol tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la 40 conversión del gas de síntesis comprende adicionalmente la remoción del dióxido de carbono de la mezcla.

5. Un método de producción de etanol como en las reivindicaciones 3 o 4, en donde la conversión del gas de síntesis reformado comprimido en la mezcla que comprende metanol comprende además:

hacer burbujear el gas de síntesis reformado comprimido a través de una suspensión para producir metanol, en donde dicha suspensión contiene un catalizador metálico suspendido en un líquido inerte.

6. Un método de producción de etanol como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde un reactor de lecho empacado es utilizado para la producción de la mezcla que comprende etanol, en donde dicho reactor de 50 lecho empacado contiene un catalizador compuesto de cobre, níquel, cromo, o una combinación de los mismos, adsorbido sobre un material inerte.

7. Un método de producción de etanol como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la producción de la mezcla que comprende etanol se lleva a cabo con una relación de hidrógeno con respecto a acetato de 55 metilo desde 0:1 hasta 15:1.

8. Un método de producción de etanol como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la producción de una mezcla que comprende etanol se lleva a cabo con una relación de hidrógeno con respecto a acetato de metilo de aproximadamente 10:1.

9. Un método de producción de etanol como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la 14

producción de la mezcla que comprende acetato de metilo, hidrógeno, metanol, ácido acético y agua se lleva a cabo en un reactor de carbonilación de lecho empacado, en donde dicho reactor de carbonilación de lecho empacado está empacado con un material de carbón activado sobre el que se adsorbe el catalizador metálico.

10. Un método de producción de etanol como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la provisión de gas de síntesis adicionalmente comprende:

gasificación de biomasa en un gasificador de vapor que tiene un lecho fluidizado para producir una corriente de gas de síntesis.

11. Un método de producción de etanol tal como se reivindica en la reivindicación 10, en donde la provisión de gas de síntesis comprende además:

el secado de la biomasa en un secador de vapor hasta un contenido de humedad del 1% al 30% antes de la gasificación de 15 la biomasa.

12. Un método de producción de etanol tal como se reivindica en las reivindicaciones 10 o 11, en donde la gasificación de biomasa en un gasificador de vapor comprende además:

la producción de gases de combustión calientes por la quema de un combustible; y la transferencia de los gases de combustión calientes a una serie de tubos incrustados en el lecho fluidizado del gasificador de vapor para calentar el lecho fluidizado, en donde dicho combustible es el gas de síntesis de bajo BTU producido por gasificación de biomasa en un gasificador de soplado de aire.

13. Un método de producción de etanol tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en donde la gasificación de biomasa en un gasificador de vapor comprende además:

desfogar los gases de combustión calientes a un generador de vapor de recuperación de calor del gas de combustión;

convertir el vapor del generador de vapor de recuperación de calor del gas de síntesis en vapor en el generador de vapor de recuperación de calor del gas de combustión; y transferir dicho vapor para gasificar la biomasa en un gasificador de vapor.

14. Un método de producción de etanol tal como se reivindica en la reivindicación 13, en donde la provisión de gas de síntesis comprende además:

el secado de la biomasa en un secador de vapor hasta un contenido de humedad de 1% a 30% o menos antes de gasificar 40 dicha biomasa en un gasificador de vapor;

transferir el condensado del secador de vapor al generador de vapor de recuperación de calor del gas de combustión para generar vapor;

transferir el vapor generado por el generador de vapor de recuperación de calor del gas de combustión para el secado de la biomasa en un secador de vapor.

15. Un método de producción de etanol tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, en donde dicho combustible se selecciona del grupo que consiste de metano, gas natural, gas de vertedero, o gas obtenido por digestión 50 anaeróbica de estiércol o biosólidos.

16. Un método de producción de etanol a partir de gas de síntesis de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la provisión de gas de síntesis comprende además;

el secado de la biomasa en un secador de vapor hasta un contenido de humedad del 1% al 30%;

gasificar la biomasa en un gasificador de vapor para producir gas de síntesis, en donde dicho gasificador es un recipiente en forma de caja que tiene paredes verticales y un techo; un lecho fluidizado que comprende arena de sílice, dolomita u olivino, o una combinación de los mismos; una parte inferior compuesta de una placa distribuidora que tiene una superficie interior y 60 una pluralidad de orificios que la atraviesan en los que están montados cilindros que tienen tapas, en donde dichos cilindros tapados son ahuecados a fin de tener un canal que se extiende desde una cámara de sobrepresión por debajo de la placa

distribuidora que lleva el vapor y en donde dicho canal se extiende y se estrecha hasta uno o más orificios de salida perforados en dichos tapones, siendo los orificios de salida transversales a un eje longitudinal de dichos cilindros, a través de los cuales se inyecta vapor desde la cámara de sobrepresión a través de los orificios que la atraviesan en el lecho, para fluidizar uniformemente el lecho a través de los orificios de salida en una dirección paralela a un plano definido por la 5 superficie interior de la placa distribuidora; y en donde dicho recipiente tiene una pluralidad de tubos incrustados en el lecho que transmiten gases de combustión calientes para calentar el lecho, y en donde dichos tubos son paralelos al plano de la placa distribuidora y están dispuestos en grupos en donde los tubos en dichos grupos son paralelos entre sí y tienen una orientación triangular entre sí, y en donde dicha gasificación se lleva a cabo a una temperatura de 750 a 900 grados Celsius y a una presión de 100 a 175 kPa; y en donde dichos gases de combustión calientes son producidos por gasificación de la biomasa en un gasificador de soplado de aire para producir gas de síntesis de bajo BTU y quemar dicho gas de síntesis de bajo BTU;

y que comprende además:

la etapa de convertir el gas de síntesis en una mezcla que comprende metanol y monóxido de carbono e hidrógeno que comprende hacer burbujear el gas de síntesis a través de un líquido inerte a una presión de 4.700 hasta 5.500 kPa, y una temperatura de 220 a 300 grados Celsius;

la etapa de producir la mezcla de acetato de metilo, hidrógeno, metanol, ácido acético y agua se lleva a cabo en un primer reactor de lecho empacado en presencia de un promotor, donde el catalizador metálico es acetato de iridio adsorbido sobre carbón activado, y en donde tal reacción se lleva a cabo a una presión de 900 hasta 1500 kPa, y a una temperatura de 200 a 300 grados Celsius;

la etapa de producir la mezcla que comprende etanol se lleva a cabo en un segundo reactor de lecho empacado en presencia de un catalizador de hidrogenación, en donde el catalizador de hidrogenación está compuesto por cobre, níquel y cromo adsorbidos sobre un material inerte, en donde la producción de la mezcla que comprende etanol se lleva a cabo a una temperatura de 160 a 300 grados Celsius, y a una presión de 3.500 a 4.500 kPa;

la etapa de separación de la mezcla que comprende acetato de metilo, hidrógeno, metanol, ácido acético y agua para producir una fracción de ácido acético, y una fracción de agua; y la adición de la fracción de ácido acético al reactor para producir etanol.