DE102018202335A1

DE102018202335A1 - Anlage zur elektrochemischen Herstellung eines CO-haltigen Gasprodukts

Info

Publication number: DE102018202335A1
Application number: DE102018202335.2A
Authority: DE
Inventors: Clara Delhomme-Neudecker; Marc Hanebuth; Andreas Peschel; Günter Schmid; Nicole Schödel; Dan Taroata
Original assignee: Linde GmbH; Siemens AG
Current assignee: Linde GmbH; Siemens AG
Priority date: 2018-02-15
Filing date: 2018-02-15
Publication date: 2019-08-22
Also published as: CN111727276B; EP3714084A1; KR20210140831A; US11105007B2; CN111727276A; US20210010142A1; SA520412640B1; WO2019158308A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrochemischen Herstellung eines Produkts enthaltend CO, und ein Verfahren zur elektrochemischen Herstellung eines Produkts enthaltend CO, bei dem eine Rückführung eines Materialstroms umfassend Edukt und CO nach der elektrochemischen Herstellung erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrochemischen Herstellung eines Produkts enthaltend CO, und ein Verfahren zur elektrochemischen Herstellung eines Produkts enthaltend CO, bei dem eine Rückführung eines Materialstroms umfassend Edukt und CO nach der elektrochemischen Herstellung erfolgt.
Stand der Technik
Derzeit sind auf dem Energiemarkt große Änderungen zu beobachten. Fossile Energieträger geraten mehr und mehr in Verruf, da sie einen großen Teil der globalen Kohlenstoffdioxid-Emissionen verursachen. Gleichzeitig stehen große Leistungen an erneuerbaren Energien zur Verfügung, jedoch nicht immer am gewünschten Ort zur gewünschten Zeit. Eine technische Herausforderung ist es, aus Kohlenstoffdioxid, CO₂ , unter Verwendung von erneuerbarer Überschussenergie Wertprodukte herzustellen. Ein Ansatz ist die Herstellung von gasförmigen Wertprodukten wie z.B. Kohlenmonoxid, CO, durch elektrochemische Reduktion von CO₂ . Diese Reaktionen können innerhalb von CO₂ -Elektrolyseuren durchgeführt werden.
Ein großer Vorteil von CO₂ -Elektrolyseuren ist, dass sie eine dezentrale Produktion von CO ermöglichen, und zwar in einer Größenordnung, in der sie derzeit verglichen mit anderen Technologien konkurrenzfähig wären. Alternativ müssten große Mengen an CO über relativ weite Strecken transportiert werden, was neben einer verminderten Wirtschaftlichkeit auch ein signifikantes Gefahrenpotential mit sich brächte.
Ein derzeitig verfolgtes Konzept für CO₂ -Elektrolyseure basiert auf einer sogenannten Gasdiffusionselektrode, GDE. In diesem Konzept liegt üblicherweise auf einer Seite der GDE eine Gasphase und auf der anderen Seite eine flüssige Phase vor (Katholyt). Aus der Gasphase stammt bei der CO₂ -Elektrolyse das für die Reaktion nötige CO₂ , welches dann durch eine Porenstruktur in die GDE diffundiert. An den sogenannten Dreiphasengrenzen kann CO₂ zu CO reduziert werden, welches dann in Gegenrichtung zum CO₂ durch das Porensystem zurück in den Gasraum gelangen kann.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Elektrolyseurs 1, beispielhaft hier in Form eines CO₂ -Elektrolyseurs, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist.
CO₂, welches in ein Zielprodukt umgesetzt wird, gelangt, wie in 1 dargestellt, über Zuführung 2b in die Elektrolysezelle 3, und zwar in den Bereich des Kathodenraums, in dem die Gasphase vorliegt. Über die Produktgasabführung 20a kann dann ein erzeugtes Produktgas oder ein Gasgemisch, ggf. auch mit nicht umgesetztem Edukt, abgeführt werden. Der flüssige Katholyt KL wird auf der entgegengesetzten Seite der GDE 4, welches die Kathode darstellt, entlang geleitet. Weiterhin gibt es einen Anodenraum, in dem die Anode 6 platziert ist und dem der Anolyt AL zugeführt wird. Der Anodenraum und der Kathodenraum sind durch einen Separator 5 getrennt, durch die Ionen 8 durchtreten können. Der Separator 5 kann beispielsweise eine Kationen-durchlässige Membran (z.B. Nafion) oder ein poröses Diaphragma sein. Eine Aufgabe des Separators 5 ist es, gasförmige Substanzen voneinander getrennt zu halten. Nach dem Durchlauf durch die Elektrolysezelle 3 kann der Katholyt KLG, nunmehr ggf. mit Gasphase, z.B. CO, und der Anolyt ALG, nunmehr ebenfalls ggf. mit Gasphase, z.B. O₂, zur Wiederverwendung in der Elektrolysezelle 3 in einem Mischbehälter 10 miteinander vereint werden, jedoch typischerweise erst, nachdem ein entstandenes Anodengas 12, beispielsweise Sauerstoff, innerhalb eines Abscheidebehälters 11 abgetrennt wurde, und ein entstandenes Kathodengas 14, z.B. Wasserstoff, innerhalb eines Abscheidebehälters 13 abgetrennt wurde.
Der in 1 gezeigte Aufbau entspricht einem Aufbau mit „gemeinsamem Elektrolyt“, da nach jedem Durchlauf durch die Elektrolysezelle Anolyt und Katholyt in dem Mischbehälter 10 vollständig miteinander vereint werden. Vorteilhaft ist, dass die Zusammensetzungen von Anolyt und Katholyt nicht während des Elektrolysebetriebs in ihrer Zusammensetzung „auseinanderlaufen“ können. Konzentrationsänderungen, hervorgerufen durch einen Transport bestimmter Ionen durch den Separator 5, wird somit stets durch das Vermischen entgegengewirkt. Jedoch können gelöste Gase, zum Beispiel Sauerstoff im Anolyt, ebenfalls vermischt werden, was eine nachträgliche Trennung erfordern kann oder Auswirkung auf die Elektrolyse haben kann.
Daneben sind weitere Konfigurationen für CO₂ -Elektrolyseure aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise auch mit getrennter Elektrolyt-Führung.
Verschiedene Bauformen einer Niedertemperaturelektrolyse sind ebenfalls in der Literatur beschrieben, beispielsweise bei Delacourt et al. 2008, DOI 10.1149/1.2801871.
Neben der Niedertemperaturelektrolyse ist auch eine Hochtemperaturelektrolyse zur elektrochemischen Herstellung von CO möglich und in der Literatur beschrieben, beispielsweise in WO 2014154253, WO 2013131778, WO 2015014527, und EP 2940773 A1 .
Eine wichtige Eigenschaft von CO₂ -Elektrolyseuren ist, dass üblicherweise kein Vollumsatz des CO₂ zu CO erfolgt. Vielmehr wird ein Überschuss an CO₂ vorgesehen, so dass als Gasgemisch eine Mischung aus CO und CO₂ den CO₂ -Elektrolyseur verlässt. Hierbei kann der Anteil an CO₂ tatsächlich sogar größer als der Anteil des CO sein. Daher sollte für eine wirtschaftliche und nachhaltige Prozessgestaltung das CO₂ abgetrennt und zurück in den Elektrolyseur geführt werden.
Es ist daher ein erstes Problem der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Verfahren zur Rückführung für ein Edukt nach Durchlauf einer Elektrolyse zur Verfügung zu stellen, bei dem eine Belastung der Vorrichtung verringert bzw. sogar vermieden werden kann, sowie eine Vorrichtung für solch ein Verfahren.
Hierzu haben die Erfinder ein Konzept für einen Elektrolyseur mit einer Abtrennung von Edukt aus dem Produktstrom und Rückführung entworfen, welches schematisch in einer Anordnung 15 in 2 gezeigt ist, z.B. mit CO-haltigem CO₂ aus der Produkttrennung. Eine solche Rückführung ist hierbei beispielsweise bei einem CO₂ -Elektrolyseur mit Rückführung von CO₂ möglich, wobei erfindungsgemäß der Elektrolyseur nicht besonders beschränkt ist, insbesondere nicht auf den in 1 gezeigten Elektrolyseur. Hierin wird über die erste Zuführeinrichtung 2a ein Edukt, z.B. CO₂ , welches auch ggf. Öl enthalten kann, und über die vereinigte Zuführeinrichtung 2b, Edukt, z.B. CO₂ , und CO, welche auch ggf. Öl enthalten können, in die Elektrolysezelle 3 geleitet. Aus dieser wird über die erste Abführeinrichtung 20a, welche z.B. CO₂ und CO als Produkt abführt, der Produktstrom in die Trenneinrichtung 40 eingebracht.
Gemäß 2 ist eine Trenneinrichtung 40 für die Trennung des Produkts, beispielsweise eines Gasgemisches umfassend CO und CO₂ , aus dem Elektrolyseur 1 vorgesehen, welche sich an die erste Abführeinrichtung 20a, wobei das Produktgas beispielsweise CO und CO₂ enthält, anschließt. Abgetrenntes Edukt, beispielsweise CO₂ , wird über die Rückführeinrichtung 16a, 16b (hierin nachfolgend kurz auch als Rückführung bezeichnet) wieder in den Elektrolyseur geleitet, wobei die Rückführeinrichtung durch den Kompressor bzw. Verdichter 17 in einen Bereich der Rückführeinrichtung vor dem Kompressor 16a, z.B. mit rückgeführtem CO₂ mit CO vor der Kompression, und einen Bereich der Rückführeinrichtung nach dem Kompressor 16b, z.B. mit rückgeführtem CO₂ mit CO nach der Kompression, getrennt ist. Im Wesentlichen reines Produkt 20c wird hierbei in der Trenneinrichtung 40 abgetrennt.
Für eine Trennung von beispielsweise lediglich CO₂ und CO funktioniert dieses Konzept, wobei üblicherweise ein gewisser Anteil an CO ebenfalls zur Elektrolyse zurückgeführt wird, da eine komplette Aufreinigung sowohl des CO Produktstroms als auch des CO₂ Recycle-Stroms sehr aufwändig wäre.
Es ist zwar theoretisch möglich ein solches Gemisch in der Trenneinrichtung in reines CO und reines CO₂ aufzutrennen, jedoch wäre der Aufwand für eine solche perfekte Trennung erheblich. Stattdessen wird in praktischen Fällen eine weniger perfekte Trennung angestrebt, sodass beispielsweise ein kleiner, für die Produktspezifikation tolerabler, Anteil CO₂ in das Produktgas und CO in relativ großem Anteil in die Rückführung gelangen kann. Die Rückführung von CO prinzipiell stellt kein größeres Problem dar.
Dementsprechend wird die Gastrennung in der Trenneinrichtung 40 üblicherweise so ausgelegt, dass der Anteil an CO₂ , welches in das Produkt gelangt, nur so groß ist, wie es die Produktanforderung erlaubt, während der Anteil an rückgeführtem CO jedoch signifikant sein kann und durchaus im zweistelligen Volumenprozentbereich liegen kann.
Ein Einleiten von CO in den CO₂ -Elektrolyseur hat sogar gewisse Vorteile für diesen, da so eine gleichmäßigere Gaszusammensetzung über die gesamte Zellfläche vorliegt.
Jedoch können sich wegen des vorliegenden CO in Rohrleitungen der Rückführung Eisen- und Nickel-Carbonyle bilden, insbesondere wenn günstiges Rohrmaterial auf Eisen- bzw. Stahlbasis verwendet wird und/oder höhere Partialdrücke an CO vorliegen. Dies gilt auch für die inneren Oberflächen des Kompressors. Da es sich hierbei um die im Allgemeinen am besten geeigneten Werkstoffe für druckbehaftete Rohrleitungen und Kompressoren handelt, ist eine Bildung von Eisen- oder Nickelcarbonylen, die dann in den CO₂ -Elektrolyseur 1 transportiert werden, möglich.
Die Problemantik von Metallablagerungen durch Zerfall von Carbonylen in Reaktoren, die dann eine katalytische Wirkung haben und die Produktselektivität herabsetzen, ist beispielsweise für Methanisierungsreaktoren zur Herstellung von synthetischen Erdgas aus Synthesegas beschrieben, z.B. in Inouye and DeVan: Formation of iron carbonyl between a 1/2 pct Mo steel and high-pressure gases containing carbon monoxide, Journal of Materials for Energy Systems, 1 (1), 52-60, 1979.
Die Bildung von Carbonylen kann in einer CO-reichen Gasatmosphäre erfolgen. Hierbei reagiert CO mit Metallen wie z.B. Eisen und Nickel aus metallischen Werkstoffen zu beispielsweise Eisen- bzw. Nickelcarbonyl. Die Carbonyle sind bei höheren Temperaturen nicht stabil und zerfallen wieder. Bei sehr niedrigen Temperaturen ist die Carbonylbildung kinetisch gehemmt.
Problematisch daran ist, dass die Carbonyle sich in einem Elektrolyseur, z.B. einem CO₂ -Elektrolyseur zersetzen können, und die Zersetzungsprodukte Eisen oder Nickel können auf Elektroden, beispielsweise der Kathode, abgeschieden werden. Die unausweichliche Konsequenz ist hierbei eine Absenkung der Selektivität der Kathode, im Falle einer CO₂ -Elektrolyse mit wässrigem Elektrolyten beispielsweise unter gleichzeitiger Wasserstoffbildung, so dass die Produktspezifikationen nach Betriebsstart dauerhaft nicht eingehalten werden können.
Abschätzungen von Seiten der Erfinder haben gezeigt, dass dies unter ungünstigen Bedingungen bereits nach wenigen 100 Betriebsstunden eintreten kann, so dass dieses Problem bei dem betrachteten Konzept keinesfalls ignoriert werden sollte.
Ein ähnliches Problem, welches zu einer Degradation der Elektroden, insbesondere einer GDE, führen kann, ist der Eintrag von Ölen in den CO₂ -Elektrolyseur. Diese Öle können ebenfalls in den Gasströmen vorliegen, wobei ihr Ursprung häufig in den verwendeten Kompressoren liegt, wobei Öle ggf. aber auch im Edukt selbst vorhanden sein können. Es ist insbesondere bei einem Kompressor nur unter großem Aufwand zu vermeiden, dass ein Kontakt zwischen dem für die Schmierung der Kompressoren nötigen Öl und dem Gasstrom eintritt.
Auch wenn Öle oft nur einen geringen Dampfdruck haben, können bereits geringe Mengen die aktive Oberfläche einer Elektrode, insbesondere einer GDE, blockieren, was neben der Degradation durch Carbonyle ebenfalls ein weiteres zu lösendes Problem der vorliegenden Erfindung darstellt.
Zusammenfassung der Erfindung
Es hat sich gezeigt, dass Elektrolysezellen, und insbesondere die GDE von CO₂ -Elektrolyseuren, sehr empfindlich gegenüber multivalenten Metallionen, aber auch gegenüber Verunreinigungen durch Öle sein können. Selbst wenn ein eintretendes Gas nur geringe Verunreinigungen von maximal 1 ppm an Öl oder wenigen ppb an Carbonylen vorweist, ist mit Beeinträchtigungen der Elektrolyse, beispielsweise einer CO₂ -Elektrolyse, zu rechnen. Bei einem Eintrag von Carbonylen könnte beispielsweise die Selektivität der Kathode sinken, so dass dadurch Wasserstoff gebildet werden könnte, und in Konsequenz eine sehr aufwändige Gastrennung für die Bereitstellung von reinem Produktgas, z.B. CO, nötig wäre, oder die Produktzusammensetzung nicht mehr der vorgegebenen Spezifikation entspricht.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass bereits durch die Verwendung von beispielsweise Kompressoren oder Stahlrohren signifikante Mengen an Carbonylen entstehen können, die schädlich für das angedachte Konzept einer Eduktrückführung wären. Das bedeutet in anderen Worten, dass ein System aus dem Stand der Technik sich schon nach einer relativ kurzen Betriebspanne selbst vergiften könnte. Dieses Problem ist in der Literatur nicht beschrieben, weil Elektrolyseure üblicherweise ohne Rücckführung getestet werden.
Die Erfinder haben gefunden, dass es eine günstige Lösung für diesen Problemkomplex gibt. Durch ein Vorsehen einer Reinigungseinrichtung wie eines Aktivkohle-Festbetts („Guard Bed“) kann der Gehalt der schädlichen Verunreinigungen signifikant abgesenkt werden, sodass lange Betriebszeiten der Elektrolyse von beispielsweise über 40000 h möglich sind. Auch wenn der Gehalt an Verunreinigungen in einer Rückführung in Hinsicht auf eine Degradation einer Elektrolysezelle, z.B. einer GDE, als zu hoch einzustufen wäre, ist er bezogen auf übliche Reinigungseinrichtungen, z.B. eine übliche Beladung von Aktivkohlefiltern in Festbetten, relativ gering, so dass eine Überprüfung und gegebenenfalls Reinigung von Reinigungseinrichtungen auch nach technisch sinnvollen Zeiträumen ausreichend ist. So können beispielsweise Filter als Reinigungseinrichtungen in technischen sinnvollen Zeiträumen, z.B. von 4000 - 8000 Betriebsstunden, überprüft und gegebenenfalls ausgetauscht werden.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur elektrochemischen Herstellung eines Produkts enthaltend CO, umfassend

- eine Elektrolysezelle umfassend eine Anode und eine Kathode;
- eine vereinigte Zuführeinrichtung, welche mit der Elektrolysezelle verbunden ist und der Elektrolysezelle einen vereinigten Materialstrom umfassend einen ersten Eduktstrom und einen rückzuführenden Materialstrom umfassend CO zuführt, die dazu ausgebildet ist, der Elektrolysezelle den vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO zuzuführen;
- eine erste Zuführeinrichtung, welche mit der vereinigten Zuführeinrichtung verbunden ist und der vereinigten Zuführeinrichtung den ersten Eduktstrom zuführt, die dazu ausgebildet ist, der vereinigten Zuführeinrichtung den ersten Eduktstrom zuzuführen;
- eine erste Abführeinrichtung, welche mit der Elektrolysezelle verbunden ist und aus der Elektrolysezelle einen ersten Produktstrom umfassend CO abführt, die dazu ausgebildet ist, aus der Elektrolysezelle den ersten Produktstrom umfassend CO abzuführen und den ersten Produktstrom einer Trenneinrichtung zuzuführen;
- die Trenneinrichtung, welche mit der ersten Abführeinrichtung verbunden ist und aus dem ersten Produktstrom umfassend CO den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO abtrennt, die dazu ausgebildet ist, aus dem ersten Produktstrom umfassend CO den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO abzutrennen; und
- eine Rückführeinrichtung, welche mit der Trenneinrichtung verbunden und der vereinigten Zuführeinrichtung verbunden ist und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO der vereinigten Zuführeinrichtung zuführt, die dazu ausgebildet ist, den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO der vereinigten Zuführeinrichtung zuzuführen;

Weiterhin offenbart ist ein Verfahren zur elektrochemischen Herstellung eines Produkts enthaltend CO, umfassend:

Einbringen eines ersten Eduktstroms in die erste Zuführeinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Zuführen des ersten Eduktstroms zur Elektrolysezelle;
Umsetzen des ersten Eduktstroms zu einem ersten Produktstrom umfassend CO;
Abführen des ersten Produktstroms umfassend CO aus der Elektrolysezelle;
Abtrennen eines rückzuführenden Materialstroms umfassend CO aus dem ersten Produktstrom umfassend CO in der Trenneinrichtung; und
Rückführen des rückzuführenden Materialstroms umfassend CO zur vereinigten Zuführeinrichtung,

Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen und der detaillierten Beschreibung zu entnehmen.
Figurenliste
Die beiliegenden Zeichnungen sollen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen und ein weiteres Verständnis dieser vermitteln. Im Zusammenhang mit der Beschreibung dienen sie der Erklärung von Konzepten und Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten sind in den Figuren der Zeichnungen, sofern nichts anderes ausgeführt ist, jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

1 zeigt schematisch einen Elektrolyseur des Stands der Technik.
In 2 ist schematisch eine Elektrolysevorrichtung mit Produkttrennung und Eduktrückführung dargestellt.
3 und 4 zeigen schematisch Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Definitionen
So nicht anderweitig definiert haben hierin verwendete technische und wissenschaftliche Ausdrücke dieselbe Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Fachgebiet der Erfindung gemeinhin verstanden wird.
Mengenangaben im Rahmen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Gew.%, soweit nicht anderweitig angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich ist.
Gasdiffusionselektroden (GDE) allgemein sind Elektroden, in denen flüssige, feste und gasförmige Phasen vorliegen, und wo insbesondere ein leitender Katalysator eine elektrochemische Reaktion zwischen der flüssigen und der gasförmige Phase katalysieren kann.
Die Ausführung kann unterschiedlicher Natur sein, beispielsweise als poröser „Vollmaterialkatalysator“ mit ggf. Hilfsschichten zur Anpassung der Hydrophobizität; oder als leitfähiger poröser Träger, auf den ein Katalysator in dünner Schicht aufgebracht werden kann.
Im Rahmen der Erfindung ist Synthesegas ein Gasgemisch, welches im Wesentlichen Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst. Das Volumenverhältnis von H₂ zu CO ist hierbei nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise in einem Bereich von 10:1 bis 1:10, beispielsweise 5:1 bis 1:5, z.B. 3:1 bis 1:3 liegen, wobei aber auch andere Verhältnisse geeignet eingestellt werden können im Hinblick auf die weitere Verwendung.
Das Produkt enthaltend CO ist nicht besonders beschränkt, insofern Kohlenmonoxid enthalten ist. Beispielsweise kann es im Wesentlichen CO oder Synthesegas sein.
Der Normaldruck ist 101325 Pa = 1,01325 bar.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur elektrochemischen Herstellung eines Produkts enthaltend CO, umfassend

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind hierbei die entsprechenden Bauteile gemäß bestimmten Ausführungsformen dazu ausgebildet, dass der erste Eduktstrom, der erste Produktstrom umfassend CO, der rückzuführende Materialstrom umfassend CO, und/oder der vereinigte Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO bevorzugt als im Wesentlichen Gasströme vorliegen, wobei diese ggf. angefeuchtet sein können. Somit sind die entsprechenden Ströme im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt im Wesentlichen Gasströme, bevorzugt Gasströme. Nach Abtrennung des rückzuführenden Materialstroms umfassend CO und ggf. weiterer Produktströme aus dem ersten Produktstrom verbleibt ein im Wesentlichen reiner Produktstrom, der bevorzugt im Wesentlichen CO umfasst oder im Wesentlichen Synthesegas umfasst. Der erste Produktstrom, beispielsweise ein Gasgemisch, kann also gemäß bestimmten Ausführungsformen in die Trenneinrichtung geleitet werden, aus der beispielsweise bei einer CO₂ -Umsetzung in der Elektrolysezelle einerseits CO mit bevorzugt einer Reinheit von mindestens 95 Vol.-% oder Synthesegas (H₂ und CO in Summe) mit einer Reinheit von mind. 95 Vol.-%, bezogen auf den im Wesentlichen reinen Produktstrom, und andererseits eine Mischung aus im Wesentlichen CO₂ und CO als rückzuführender Materialstrom umfassend CO abgeführt werden kann.
Eine Gastrennung in der Trenneinrichtung mit Gasströmen ist jedoch, selbst bei der als relativ einfach geltenden Abtrennung von CO₂ , nie vollständig selektiv. Das heißt, dass mindestens ein Gasstrom nach der Trennung, also beispielsweise der im Wesentlichen reine Produktstrom und/oder der rückzuführende Materialstrom umfassend CO, einen signifikanten Anteil des unerwünschten Komplementärgases enthält. Bei der Auslegung der CO₂ -Abtrennung aus dem Produktgasgemisch beispielsweise lässt sich also wählen, ob CO₂ im Produkt verbleibt oder ob CO in die Rückführung gelangt. Da das Produkt beispielsweise im Wesentlichen reines CO oder Synthesegas (z.B. Reinheiten > 95 Vol-%) sein soll, wird also letzteres angestrebt. Dementsprechend gelangt im erfindungsgemäßen Verfahren wie auch bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in solch einem Verfahren ein signifikanter Teil des CO in die Rückführung. Der Anteil des CO in der Rückführung kann hierbei durchaus im niedrigen zweistelligen Volumenprozentbereich liegen, also beispielsweise im Bereich von 1 bis 50 Vol.%, bevorzugt 5 bis 30 Vol.%, besonders bevorzugt 10 Vol.-% bis 20 Vol.-%, wobei aber auch Fälle außerhalb dieser Grenzen denkbar sind. Dieses kann, wie oben dargelegt, zur Bildung von Carbonylen führen, wobei Carbonyle auch oder anstelle dessen auch bereits mit dem ersten Produktstrom gebildet werden können. Diese werden wie nachfolgend erläutert abgereinigt.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Elektrolysezelle nicht besonders beschränkt, sofern sie eine Anode und eine Kathode aufweist. Die Anode und Kathode selbst sind auch nicht besonders beschränkt, wobei bevorzugt mindestens eine davon als Gasdiffusionselektrode vorgesehen ist. Das Material der jeweiligen Elektroden kann hierbei an eine gewünschte elektrochemische Reaktion angepasst sein. So kann beispielsweise die Kathode ein Material umfassen, welches aus CO₂ CO herstellen kann, beispielsweise ein Metall wie Ag, Au, Zn, Pd, etc.
Darüber hinaus ist natürlich auch mindestens eine Stromquelle für die Elektrolysezelle umfasst. Auch weitere Vorrichtungsteile, welche in Elektrolysezellen vorkommen, können in der Elektrolysezelle vorgesehen sein, wie beispielsweise ein oder mehrere Separatoren, z.B. mindestens eine Membran, Kühleinrichtungen, eine Eduktzufuhr für die zweite Elektrode, z.B. die Anode, eine Elektrolytzuführung, eine Elektrolytabführung, etc. In der Elektrolysezelle können Edukte und Elektrolyt sowohl im Gleichstrom wie auch im Gegenstrom gefahren werden, und die Zufuhr dieser ist von jeglicher Seite möglich, also beispielsweise von unten am Boden, wie auch vom oberen Ende der Elektrolysezelle her, wie etwa bei Fallfilmelektroden.
Aus der Elektrolysezelle, beispielsweise aus einem CO₂ -Elektrolyseur, kann ein Produktstrom, insbesondere ein Produktgasstrom, austreten. Gemäß bestimmten Ausführungsformen enthält dieser im Wesentlichen CO und Edukt, beispielsweise CO und CO₂ .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Elektrolysezelle und ist insbesondere aus Gründen einer einfachen Beschreibung mit einer Elektrolysezelle beschrieben. Dies schließt jedoch nicht aus, dass mehr als eine Elektrolysezelle in der Vorrichtung vorhanden ist, also beispielsweise ein Stack von Elektrolysezellen oder auch mehrere Stacks von Elektrolysezellen, wobei die Anzahl von Elektrolysezellen pro Stack hier auch nicht begrenzt ist. Auch die Anordnung der Stacks ist nicht besonders beschränkt, und diese können beispielsweise in Strömungsrichtung des ersten Produktstroms hintereinander oder parallel angeordnet sein. Die entsprechende Anordnung der Elektrolysezellen bzw. Stacks kann hierbei geeignet vorgenommen werden, wie auch beispielsweise die Versorgung mit Strom, etc. Beispielsweise erfolgt bei einer Anordnung von Elektrolysezellen hintereinander die Zuführung über die vereinigte Zuführeinrichtung zur in Strömungsrichtung des Produktstroms zuerst liegenden Elektrolysezelle, sowie die Abfuhr über die erste Abführeinrichtung aus der in Strömungsrichtung des Produktstroms zuletzt liegenden Elektrolysezelle, wobei die einzelnen Elektrolysezellen im Stack geeignet miteinander verbunden sind. Bei paralleler Anordnung können entsprechend auch Stoffströme getrennt bzw. zusammengeführt werden. Diesbezüglich ist die Vorrichtung nicht besonders beschränkt.
Darüber hinaus ist die vereinigte Zuführeinrichtung, welche mit der Elektrolysezelle verbunden ist und der Elektrolysezelle einen vereinigten Materialstrom umfassend einen ersten Eduktstrom und einen rückzuführenden Materialstrom umfassend CO (nachfolgend auch als „vereinigter Materialstrom“ bezeichnet) zuführt, die dazu ausgebildet ist, der Elektrolysezelle den vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO zuzuführen, nicht besonders beschränkt. Sie dient dazu, der Elektrolysezelle Edukt zukommen zu lassen, welches sowohl als neu zugeführtes Edukt im ersten Eduktstrom wie auch als rückgeführtes Edukt im rückzuführenden Materialstrom umfassend CO vorhanden ist. Beispielsweise kann der erste Eduktstrom wie auch der rückzuführende Materialstrom umfassend CO ein erstes Edukt umfassen, welches der Kathode oder Anode, insbesondere der Kathode, geeignet zugeführt wird. Die vereinigte Zuführeinrichtung ist also beispielsweise derart ausgestaltet, der Kathode oder Anode, insbesondere der Kathode, den vereinigten Materialstrom zuzuführen.
Der erste Eduktstrom ist hierbei nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise ein im Wesentlichen reines Edukt sein, kann aber gemäß bestimmten Ausführungsformen auch CO umfassen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst der erste Eduktstrom CO₂ . Gemäß bestimmten Ausführungsformen besteht der erste Eduktstrom zu mindestens 50 Vol.%, bevorzugt mindestens 80 Vol.%, weiter bevorzugt zu mindestens 90 Vol.%, insbesondere zu mindestens 95 Vol.%, beispielsweise zu 99 Vol.% oder mehr, z.B. auch bis zu 100 Vol.%, bezogen auf den ersten Eduktstrom, aus CO₂ .
Auch der rückzuführende Materialstrom umfassend CO ist nicht weiter beschränkt, sofern er CO und nicht umgesetztes Edukt umfasst. Gemäß bestimmten Ausführungsformen besteht der rückzuführende Materialstrom umfassend CO im Wesentlichen aus Edukt, z.B. CO₂ , und CO, wobei deren Verhältnis nicht besonders beschränkt ist und beispielsweise geeignet an die Reaktion und den Umsatz in der Elektrolysezelle angepasst sein kann. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist das mit dem rückzuführenden Materialstrom umfassend CO pro Zeiteinheit rückgeführte Volumen als das in derselben Zeiteinheit zur vereinigten Zuführeinrichtung zugeführte Volumen an erstem Eduktstrom.
Die vereinigte Zuführeinrichtung kann hinsichtlich ihrer Ausgestaltung, insbesondere hinsichtlich eines Volumendurchsatzes, geeignet an die Volumenströme des ersten Eduktstroms und des rückzuführenden Materialstroms umfassend CO angepasst werden. Sie kann sich geeignet an die Elektrolysezelle anschließen. Ihre weitere Ausgestaltung ist nicht besonders beschränkt, und sie kann beispielsweise als Rohr, Leitung, etc. vorgesehen sein. Auch das Material, aus dem diese besteht, ist nicht besonders beschränkt.
Darüber hinaus ist die erste Zuführeinrichtung, welche mit der vereinigten Zuführeinrichtung verbunden ist und der vereinigten Zuführeinrichtung den ersten Eduktstrom zuführt und die dazu ausgebildet ist, der vereinigten Zuführeinrichtung den ersten Eduktstrom zuzuführen, nicht besonders beschränkt. Sie dient der Zufuhr des ersten Eduktstroms, welcher wie oben beschrieben beschaffen sein kann, und ist mit der vereinigten Zuführeinrichtung verbunden. Sie kann auch beispielsweise als Rohr, Leitung, etc., vorgesehen sein. Die Art und Weise, wie der ersten Zuführeinrichtung der erste Eduktstrom zugeführt wird, ist nicht besonders beschränkt, und der erste Eduktstrom kann beispielsweise aus einer geeigneten ersten Eduktquelle befüllt werden, beispielsweise einer Verbrennungsanlage, bei der CO₂ entsteht, einem Eduktspeicher, z.B. CO₂ -Speicher, etc. Auch das Material der ersten Zuführeinrichtung ist nicht besonders beschränkt.
Ebenso ist die erste Abführeinrichtung, welche mit der Elektrolysezelle verbunden ist und aus der Elektrolysezelle einen ersten Produktstrom umfassend CO abführt, welche dazu ausgebildet ist, aus der Elektrolysezelle den ersten Produktstrom umfassend CO abzuführen und den ersten Produktstrom einer Trenneinrichtung zuzuführen, nicht besonders beschränkt hinsichtlich Ausgestaltung, Material, etc. Auch diese kann beispielsweise als Rohr, Leitung, etc., vorgesehen sein. Sie dient dazu, den ersten Produktstrom aus der Elektrolysezelle abzuführen und einer Trenneinrichtung zuzuführen.
Zudem ist die Trenneinrichtung, welche mit der ersten Abführeinrichtung verbunden ist und aus dem ersten Produktstrom umfassend CO den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO abtrennt, die dazu ausgebildet ist, aus dem ersten Produktstrom umfassend CO den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO abzutrennen, nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann sie als Trenneinrichtung für Gase vorgesehen sein, beispielsweise wenn CO₂ in der Elektrolysezelle zu CO umgesetzt wird. Die entsprechende Ausgestaltung kann somit den üblichen Trenneinrichtungen in Elektrolysezellen mit Eduktrückführung entsprechen, wie sie beispielsweise für die CO₂ -Elektrolyse bekannt sind.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die Trenneinrichtung eine Trennmembran, ein Adsorbens, ein Absorbens, einen Kondenser, eine Destillationseinheit und/oder eine zweite Heizeinrichtung. Die Trenneinrichtung basiert somit gemäß bestimmten Ausführungsformen auf der Technologie Adsorption, Absorption, Membrantrennung, Kondensation, Destillation, thermische Zersetzung, katalysatorunterstützte Zersetzung, thermische Zersetzung mit Katalysatorunterstützung, oder einer Kombination dieser Technologien. Die Anwendung dieser Techniken ist nicht besonders beschränkt und kann an ein rückzuführendes Edukt wie auch ein abzutrennendes Produkt wie auch ggf. weitere Nebenprodukte angepasst werden. Beispielsweise kann Kohlendioxid als Edukt von Kohlenmonoxid als Produkt durch Absorption von Kohlendioxid, Ausfrieren, etc., abgetrennt werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird in der Trenneinrichtung zumindest ein Produkt, bevorzugt umfassend CO, von einem rückzuführenden Edukt, welches CO umfasst, abgetrennt, beispielsweise CO₂ , wobei in dem rückzuführenden CO₂ jedoch auch CO verbleibt.
Die Trenneinrichtung, welche auch nachfolgend als Trenneinheit bezeichnet werden kann, kann so ausgebildet sein, dass ebenfalls Wasserstoff, welcher ebenfalls in einem Produktgasgemisch der Elektrolysezelle vorhanden sein kann - beispielsweise bei einer Elektrolyse von CO₂ mit wässrigem Elektrolyten und/oder nach Anfeuchtung, abgetrennt und in einen weiteren Gasstrom geleitet wird. In diesem Fall ist gemäß bestimmten Ausführungsformen bevorzugt das Volumen-Verhältnis von H₂ zu CO des in die Trenneinrichtung eintretenden Gasgemischs größer als im Produktstrom nach dem Durchlaufen der Trenneinrichtung, also beispielsweisem dem gemäß bestimmten Ausführungsformen im Wesentlichen reinen CO-Gasstrom. Die Trenneinrichtung kann aber auch so eingerichtet sein, dass der Wasserstoff mit dem CO nach Durchlaufen ein Synthesegasprodukt bildet.
Weiterhin ist die eine Rückführeinrichtung, welche mit der Trenneinrichtung verbunden und der vereinigten Zuführeinrichtung verbunden ist und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO der vereinigten Zuführeinrichtung zuführt, die dazu ausgebildet ist, den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO der vereinigten Zuführeinrichtung zuzuführen, ebenfalls nicht weiter beschränkt hinsichtlich Material, Form, Ausgestaltung, etc., und kann ebenfalls ein Rohr, eine Leitung, etc. sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass mindestens eine Reinigungseinrichtung vorgesehen ist, welche Carbonyle und/oder Öle aus dem ersten Produktstrom umfassend CO, dem rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder dem vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO entfernt wird, welche dazu ausgebildet ist, Carbonyle und/oder Öle aus dem ersten Produktstrom umfassend CO, dem rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder dem vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO zu entfernen und welche entsprechend in der ersten Abführeinrichtung, in der Rückführeinrichtung und/oder in der vereinigten Zuführeinrichtung angeordnet ist. Abhängig von der Art, wie die Elektrolysezelle betrieben wird, wie auch von der Art der ersten Abführeinrichtung, der Rückführeinrichtung und/oder der vereinigten Zuführeinrichtung, beispielsweise deren Materialien, wie auch ggf. von weiteren Bauteilen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie beispielsweise mindestens einem Kompressor, ergeben sich hierbei verschiedene Ausgestaltungen bezüglich der Platzierung der mindestens einen Reinigungseinrichtung, welche nachfolgend beschrieben werden, jedoch die Vorrichtung nicht einschränken. Natürlich ist es auch möglich, mehr als eine Reinigungseinrichtung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzusehen.
Die mindestens eine Reinigungseinrichtung kann geeignet innerhalb der ersten Abführeinrichtung, der Rückführeinrichtung und/oder der vereinigten Zuführeinrichtung vorgesehen sein, sodass sie die entsprechende Einrichtung ggf. entsprechend in zwei Bereiche bzw. Abschnitte bzw. Teile trennen kann, welche an die mindestens eine Reinigungseinrichtung geeignet angeschlossen sein können. Alternativ kann sie auch an Verbindungsstellen der ersten Abführeinrichtung, der Rückführeinrichtung und/oder der vereinigten Zuführeinrichtung zu anderen Einrichtungen, z.B. der Trenneinrichtung und/oder der Elektrolysezelle, der Trenneinrichtung und/oder der vereinigten Zuführeinrichtung, und/oder der erstem Zuführeinrichtung und/oder der Elektrolysezelle, jeweils bezogen auf die erste Abführeinrichtung, die Rückführeinrichtung und/oder die vereinigte Zuführeinrichtung, vorgesehen sein. Hinsichtlich ihrer Ausgestaltung ist die mindestens eine Reinigungseinrichtung nicht besonders beschränkt, sofern sie Carbonyle und/oder Öle aus dem ersten Produktstrom umfassend CO, dem rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder dem vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO entfernen kann.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die mindestens eine Reinigungseinrichtung ausgewählt aus einem Wäscher zur Lösung und/oder Zersetzung von Carbonylen und/oder Ölen in einem geeigneten Lösungsmittel, der dazu ausgebildet ist, Carbonyle und/oder Öle in einem geeigneten Lösungsmittel zu lösen und/oder zersetzen; einem Festbett umfassend eine Substanz zur Adsorption und/oder Absorption von Carbonylen und/oder Ölen, das dazu ausgebildet ist, Carbonyle und/oder Öle an der Substanz zur Adsorption und/oder Absorption von Carbonylen und/oder Ölen zu adsorbieren und/oder in der Substanz zur Adsorption und/oder Absorption von Carbonylen und/oder Ölen zu absorbieren; einer Entladungseinrichtung; einer Bestrahlungseinrichtung mit einer Bestrahlungswellenlänge unterhalb von 450 nm, bevorzugt unterhalb 400 nm; und/oder einer ersten Heizeinrichtung zur Zersetzung von Carbonylen und/oder Ölen, die dazu ausgebildet ist, die Carbonyle und/oder Öle thermisch, ggf. mit Unterstützung eines Katalysators - welcher nicht beschränkt ist, zu zersetzen.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Reinigungseinrichtung ein Festbett umfassend eine Substanz zur Adsorption und/oder Absorption von Carbonylen und/oder Ölen, bevorzugt mit einer adsorbierenden Substanz, insbesondere mit Aktivkohle und/oder einem Zeolith und/oder einer Mischung aus unterschiedlichen Feststoffen, bevorzugt mit einer großen spezifischen Oberfläche von mindestens 10 m²/g, besonders vorteilhaft von mindestens 100 m²/g. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist das Festbett für eine Beladung mit Carbonylen von 0,1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Feststoffe des Festbetts, ausgelegt, z.B. je nach Druck und Bedingungen der Adsorption.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst das Festbett eine Regenerierung, so dass beispielsweise abgelagertes Metall regelmäßig entfernt werden kann.
Ebenso kann die mindestens eine Reinigungseinrichtung eine Vorrichtung mit einer Zugabe von Wasser, Säuren oder besonders bevorzugt Laugen sein, welche als Wäscher eine Zersetzung von Carbonylen unterstützt, wobei die Säuren und Laugen nicht besonders beschränkt sind. Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Reinigungseinrichtung eine physikalische Wäsche umfassen, z.B. mit einem organischen Lösemittel wie Methanol oder Oxymethylenether (OME), in dem sich die Carbonyle besonders gut lösen. Hierzu kann beispielsweise der entsprechende Strom durch ein entsprechendes Bad geleitet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Reinigungseinrichtung auch eine thermische Zersetzung umfassen, bei der aus den Carbonylen wieder CO freigesetzt wird. Die Zersetzung kann dabei ggf. auch durch einen Katalysator unterstützt werden.
Auch eine Kombination der genannten Methoden zur Reinigung ist im Sinne der Erfindung.
Neben einem Festbett umfassend eine Substanz zur Adsorption und/oder Absorption von Carbonylen und/oder Ölen, welches den Vorteil hat, dass Carbonyle und Öle aus dem Gasstrom entfernt werden, ist insbesondere eine thermische Zersetzung mit anschließendem Wasser-Quench durch einen Befeuchter besonders vorteilhaft. Letztere Kombination hat den Vorteil, dass hiermit der in die Elektrolysezelle eintretende Gasstrom angefeuchtet werden kann, was vorteilhaft für die Elektrolysezelle bzw. auch den Elektrolyseur ist. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst oder ist also die mindestens eine Reinigungseinrichtung eine erste Heizeinrichtung zur Zersetzung von Carbonylen und/oder Ölen, wobei sich in Strömungsrichtung nach der mindestens einen Reinigungsvorrichtung ein Befeuchter anschließt, in dem dem ersten Produktstrom umfassend CO, dem rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder dem vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, Wasser zugeführt wird und der dazu ausgebildet ist, dem ersten Produktstrom umfassend CO, dem rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder dem vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO Wasser zuzuführen.
Die Reinigungseinrichtung wird gemäß bestimmten Ausführungsformen vor, bevorzugt direkt vor, die Elektrolysezelle, beispielsweise eine CO₂ -Elektrolysezelle, platziert, da diese oft die empfindlichste Stelle gegenüber Carbonylen und Ölen darstellt. Dass die Reinigungseinrichtung direkt vor der Elektrolysezelle, beispielsweise einer CO₂ -Elektrolysezelle, platziert ist hat den Vorteil, dass an die verschiedenen Zuführ- und Abführeinrichtungen wie auch die Rückführeinrichtung, beispielsweise Rohrleitungen, nicht die allerhöchsten Ansprüche bezüglich der Materialwahl gestellt werden muss. Eine geringe Bildung von Carbonylen kann also toleriert werden. Weiterhin werden verunreinigende Öle, die sich bereits im Edukt-CO₂ befinden könnten, ebenfalls abgetrennt und führen so insbesondere nicht zu einer Degradation einer GDE der Elektrolysezelle.
Es kann aber auch sinnvoll sein, dass die mindestens eine Reinigungseinrichtung vor der Trenneinrichtung platziert wird, beispielsweise, wenn diese besonders empfindlich gegenüber Ölen und/oder Carbonylen ist. Grundsätzlich ist es ein erfindungsgemäßes Merkmal, dass die mindestens eine Reinigungseinrichtung innerhalb des Kreislaufs aus Elektrolysezelle, Trenneinrichtung, Rückführung und vereinigte Zuführung sowie ggf. mindestens einem Kompressor platziert ist.
Eine weitere Möglichkeit einer mindestens einen Reinigungseinrichtung ist eine Entladungseinrichtung, welche bei einem genügend hohen Sauerstoffanteil im ersten Produktstrom umfassend CO, dem rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder dem vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO Carbonyle zersetzen kann. Somit besteht die Möglichkeit, z.B. in einem Teil des entsprechenden Stroms, eine Entladung brennen zu lassen, wobei durch den hohen Sauerstoffanteil in den Bestandteilen des Gases die entstandenen Carbonyle sicher zersetzt werden. Alternativ oder zusätzlich zur Gasentladung kann auch harte UV-Strahlung unterhalb 450 nm, bevorzugt unterhalb 400 nm die Carbonyle zerstören.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens einen Kompressor, welcher in Strömungsrichtung im ersten Produktstrom umfassend CO, im rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder im vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO vor der mindestens einen Reinigungseinrichtung in der ersten Abführeinrichtung, in der Rückführeinrichtung und/oder in der vereinigten Zuführeinrichtung angeordnet ist. Der Kompressor dient hierbei zum Verdichten für eine verbesserte Rückführung des rückzuführenden Materialstroms und/oder für die Zuführung zur Elektrolysezelle.
Für das Betreiben der Elektrolysezelle kommen prinzipiell zwei Betriebsvarianten in Frage, nämlich eine Druckelektrolyse und eine Niederdruckelektrolyse. Abhängig von der gewählten Variante ergeben sich bevorzugte Positionen für den mindestens einen Kompressor in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie nachfolgend ausgeführt wird. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann also die Elektrolysezelle bei unterschiedlichem Druck-Niveau betrieben werden, so dass ein Kompressor bei unterschiedlichen Positionen vorgesehen werden kann z.B. in der Rückführeinrichtung, wie auch später noch in Verbindung mit 3 gezeigt, oder zwischen der Elektrolysezelle und der Trenneinrichtung, wie später noch in Verbindung mit 4 gezeigt.
Bei der Variante einer Druckelektrolyse mit Überdruck in der Elektrolysezelle gegenüber dem Umgebungsdruck steht dieser Produktgasstrom unter Druck, was bei der nachfolgenden Gastrennung in der Trenneinrichtung hilfreich ist, da in diesem Fall höhere Triebkräfte für eine Trennung zur Verfügung stehen. In der Regel verlässt ein abgetrenntes Gas die Trenneinrichtung bei einem niedrigeren Druck, sodass der rückzuführende Materialstrom umfassend CO unter einem niedrigeren Druck stehen kann, beispielsweise bei ungefährem Umgebungsdruck, z.B. Normaldruck. Um eine Rückführung zu ermöglichen, wird bei dieser Variante dieser rückzuführende Materialstrom, beispielsweise als Gasstrom, gemäß bestimmten Ausführungsformen mit einem Kompressor verdichtet. Der rückzuführende Materialstrom, beispielsweise Gasstrom, kann dann mit dem ersten Eduktstrom, z.B. umfassend oder bestehend aus CO₂ , vereint werden. Hierbei befindet sich bevorzugt die mindestens eine Reinigungseinrichtung in Strömungsrichtung hinter dem Kompressor, also in der Rückführeinrichtung und/oder vereinigten Zuführeinrichtung, bevorzugt zumindest in der vereinigten Zuführeinrichtung. Der erhöhte Druck hilft an dieser Stelle ebenfalls bei dem erfindungsgemäßen Entfernen von unerwünschten Ölen und/oder Carbonylen.
Insbesondere bei der CO₂ -Elektrolyse wird daher der Druck des rückzuführenden Materialstroms, z.B. eines Gasgemisches, mit mindestens einem Kompressor erhöht, damit er in die Druckelektrolyse zurückgeführt werden kann.
Da Öl im rückzuführenden Materialstroms, insbesondere einem Gasgemisch, stören würde, ist der mindestens eine Kompressor bevorzugt als Trockenläufer ausgebildet, bei dem ein Kontakt zwischen Schmierölen und dem jeweiligen Materialstrom, insbesondere einem Gas oder Gasgemisch, vermieden wird. Entsprechende Überlegungen gelten natürlich auch für den ersten Produktstrom, da Öl auch in der Trenneinrichtung stört, wie auch für den vereinigten Materialstrom. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist daher der mindestens eine Kompressor also derart ausgestaltet, dass der erste Produktstrom umfassend CO, der rückzuführende Materialstrom umfassend CO, und/oder der vereinigte Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO nicht in Kontakt mit im Kompressor verwendetem Öl kommt.
Durch die Kompression erfolgt jedoch eine Erhöhung des Partialdrucks von CO, was eine unerwünschte Bildung von Carbonylen aus Metallen der Rohrleitungen und/oder des Kompressors begünstigt. Entsprechend können diese dann ggf. zusammen mit Ölen aus dem ersten Produktstrom umfassend CO, dem rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder dem vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO in der mindestens einen Reinigungseinrichtung entfernt werden. So die mindestens eine Reinigungseinrichtung zumindest in der vereinigten Zuführeinrichtung vorhanden ist, können zudem auch ggf. im ersten Eduktstrom vorhandene Öle und/oder Carbonyle, beispielsweise eventuell in einem Edukt-CO₂ vorliegende Öle, entfernt werden, beispielsweise wenn das CO₂ aus einer Verbrennung stammt.
Bei einer Niederdruckelektrolyse läuft demgegenüber die Elektrolyse bei Drücken im Bereich des Umgebungsdrucks, z.B. im Wesentlichen bei Normaldruck, ab. Ein Nachteil dieser Variante ist, dass ein unter Druck vorliegender erster Eduktstrom, z.B. umfassend oder bestehend aus CO₂ , entspannt werden muss und der erste Produktstrom bevorzugt nach der Elektrolyse wieder komprimiert werden sollte, bevor er in die Trenneinrichtung geführt wird. Der mindestens eine Kompressor ist hier entsprechend bevorzugt zumindest in der ersten Abführeinrichtung vorgesehen. In Konsequenz ist jedoch üblicherweise mit einem höheren Kompressionsbedarf zu rechnen. Vorteilhaft bei einer atmosphärischen Elektrolyse bzw. Niederdruckelektrolyse ist jedoch, dass die Elektrolysezelle einfacher aufgebaut sein kann, da einige Armaturen, beispielsweise für eine Druckregelung, entfallen können. Weiterhin kann bei der Materialauswahl der ersten Abführeinrichtung, der Rückführeinrichtung und/oder der vereinigten Zuführeinrichtung bei dieser Variante, beispielsweise Rohrleitungen, auch auf Materialien wie Kunststoffe zurückgegriffen werden, die nicht zur Carbonylbildung neigen. Weiterhin können etwaige Verunreinigungen, die durch den mindestens einen Kompressor hervorgerufen werden, bei einer Anordnung in der ersten Abführeinrichtung zunächst in die Trenneinrichtung gelangen. Häufig wird innerhalb der Trenneinrichtung eine robuste Technologie eingesetzt, die mitunter tolerant gegenüber Carbonylen und Ölen sein kann.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist auch bei einer Niederdruckelektrolyse der mindestens eine Kompressor derart ausgestaltet, dass der erste Produktstrom umfassend CO, der rückzuführende Materialstrom umfassend CO, und/oder der vereinigte Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO nicht in Kontakt mit im Kompressor verwendetem Öl kommt.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen besteht die erste Abführeinrichtung, die Rückführeinrichtung und/oder in die vereinigten Zuführeinrichtung in Strömungsrichtung hinter der mindestens einen Reinigungseinrichtung zumindest in den Teilen, die mit dem ersten Produktstrom umfassend CO, dem rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder dem vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO in Kontakt kommen, aus einem Material oder ist mit einem Material beschichtet, das ausgewählt ist aus Eisen- und Nickel-freien metallischen Werkstoffen, Kunststoff, Cr-haltigen Stählen, und/oder Mischungen davon. Hierdurch kann eine erneute Bildung von Carbonylen in Strömungsrichtung nach der mindestens einen Reinigungseinrichtung vermieden werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist also die Verwendung geeigneter Materialien oder Beschichtungen stromab der mindestens einen Reinigungseinrichtung zur Entfernung der Carbonyle und der Elektrolysezelle. Hierfür eignen sich beispielsweise Materialen, z.B. für Rohrleitungen, aus Eisen- und nickel-freien Werkstoffen stromab der mindestens einen Reinigungseinrichtung, z.B. eines Guard Beds und/oder Befeuchters, z.B. aus Kupfer, Aluminium, Titan oder Kunststoff; Innenbeschichtungen, z.B. für Rohrleitungen, stromab der mindestens einen Reinigungseinrichtung, z.B. eines Guard Beds und/oder Befeuchters, z.B. Kunststoffbeschichtungen, Teflonbeschichtungen, und/oder Chrombeschichtungen; und oder Cr-haltige Stähle zur Vermeidung der Carbonylbildung.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen besteht die erste Abführeinrichtung, die Trenneinrichtung, die Rückführeinrichtung, die mindestens eine Reinigungseinrichtung und/oder in die vereinigten Zuführeinrichtung und/oder ggf. der mindestens eine Kompressor zumindest in den Teilen, die mit dem ersten Produktstrom umfassend CO, dem rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder dem vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO in Kontakt kommen, aus einem Material oder ist mit einem Material beschichtet, das ausgewählt ist aus Eisen- und Nickel-freien metallischen Werkstoffen, Kunststoff, Cr-haltigen Stählen, und/oder Mischungen davon. Hierdurch kann auch vor der mindestens einen Trenneinrichtung die Bildung von Carbonylen verringert oder sogar verhindert werden. Es werden also gemäß bestimmten Ausführungsformen Maßnahmen unternommen, die eine Carbonylbildung innerhalb der ersten Abführeinrichtung, der Trenneinrichtung, der Rückführeinrichtung, der mindestens einen Reinigungseinrichtung und/oder der vereinigten Zuführeinrichtung und/oder ggf. dem mindestens einen Kompressor, z.B. eines Rohrleitungssystems, hemmen. Dies können also Materialien, z.B. Rohrleitungen sein, die keine Carbonyl-bildenden Substanzen enthalten. Als Materialien kommen beispielsweise Eisen- und Nickel-freie metallische Werkstoffe, Kunststoffe, Titan oder Kupfer in Frage, wie auch Cr-haltige Stähle. Ebenfalls im Sinne der Erfindung sind im Inneren mit diesen Materialen beschichtete Bauteile und/oder Einrichtungen, z.B. Stahl-Rohre.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter eine Deoxo-Einheit, die sich in der ersten Abführeinrichtung befindet und dazu ausgebildet ist, Sauerstoff aus dem ersten Produktstrom umfassend CO zu entfernen. Insbesondere wird die Deoxo-Einheit gemäß bestimmten Ausführungsformen zwischen der Elektrolysezelle und der Trenneinrichtung vorgesehen, um Spuren von Sauerstoff abzubauen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren zur elektrochemischen Herstellung eines Produkts enthaltend CO gerichtet, umfassend:

Im Verfahren wird also mindestens eine Reinigungseinrichtung vorgesehen, um etwaige Carbonyle und ggfs. Verunreinigungen von Öl abzutrennen. Diese mindestens eine Reinigungseinrichtung ist nicht besonders beschränkt, wie oben bereits beschrieben, und kann zum Beispiel ein Aktivkohle-Festbett sein, oder auch eine geeignete andere, oben angegebene Reinigungseinrichtung. Die mindestens eine Reinigungseinrichtung ist bevorzugt innerhalb der Kreisführung aus Elektrolysezelle, Trenneinrichtung und Kompressor angeordnet.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der erste Eduktstrom ein Gasstrom, der CO₂ umfasst. Hierbei kann dann die Elektrolysezelle, z.B. ein CO₂ -Elektrolyseur, einen Teil von zugeführtem CO₂ in CO umwandeln, so dass ein Gasgemisch entsteht, welches gemäß bestimmten Ausführungsformen im Wesentlichen aus CO₂ und CO oder aus CO₂ und Synthesegas besteht.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der erste Eduktstrom ein Gasstrom, der unter erhöhtem Druck in die erste Zuführeinrichtung eingebracht wird, wobei bevorzugt die mindestens eine Reinigungseinheit in der vereinigten Zuführeinrichtung vorgesehen ist.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der erste Eduktstrom ein Gasstrom, der bei Umgebungsdruck in die erste Zuführeinrichtung eingebracht wird, wobei der erste Produktstrom umfassend CO komprimiert wird.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die mindestens eine Reinigungseinheit nach einem Kompressor zum Komprimieren des ersten Produktstroms umfassend CO und vor der Trenneinrichtung angeordnet.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird in der Trenneinheit weiterhin ein zweiter Produktstrom umfassend Wasserstoff und ggf. CO aus dem ersten Produktstrom umfassend CO abgetrennt.
Die Erfindung kann ebenfalls auf eine gemeinsame Produktion von H₂ und CO (wie z.B. in Synthesegas) in einer Ko-Elektrolyse angewendet werden. Auch bei einem solchen Verfahren kann beispielsweise nicht umgesetztes CO₂ mit ähnlichen Trenntechniken von Synthesegas abgetrennt werden, und es kann sich CO im rückgeführten CO₂ befinden, das partialdruckabhängig zur gleichen Carbonyl-Problematik führt. Es ergibt sich eine analoge Ausführung zur hier beschriebenen CO₂ Elektrolyse zu einem CO Produkt.
Hierbei ist jedoch zu beachten, dass eine Trennung von CO und H₂ jedoch nur unter relativ hohem Aufwand möglich ist. In Konsequenz sollte daher sichergestellt werden, dass die unerwünschte Bildung von H₂ an einer Elektrode der Elektrolysezelle, z.B. der Kathode, beispielsweise als GDE, für die Produktspezifikation tolerabel ist. Dies kann durch die Verwendung eines geeigneten Kathodenmaterials gewährleistet werden, wie zum Beispiel Silber, welches eine hohe Überspannung für die Bildung von H₂ vorweist. Insbesondere sollte die H₂ -Bildung für ein CO Produkt tolerabel sein. Wenn Synthesegas produziert werden soll, können beispielsweise typische Synthesegasverhältnisse entstehen mit Volumenverhältnissen von z.B. H₂:CO = 1:3 bis 3:1. Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sichergestellt werden, dass das Verhältnis von H₂:CO über eine Betriebszeit konstant oder im gewünschten/tolerierbaren Bereich bleibt.
Nickel oder Eisen hingegen würden stören und sollten daher unbedingt vermieden werden, da bereits geringe Mengen an der Kathode zu einer Bildung von Wasserstoff führen würden. Wenn Ni oder Fe zur Kathode zurückgeführt wird, kann also übermäßig viel H₂ gebildet werden, und das Synthesegasverhältnis kann schwer einzustellen sein.
Weiterhin könnte prinzipiell gebildeter Wasserstoff nach folgender Gleichung mit vorliegendem CO zu Methan reagieren, welches ebenfalls nur unter sehr hohem Aufwand von CO abtrennbar wäre. 3 H₂ + CO → CH₄ + H₂O
Auch unter diesem Aspekt ist also eine Bildung von Wasserstoff im vorliegenden Konzept zu vermeiden, so dass im Idealfall ein Gasgemisch, welches lediglich CO und CO₂ enthält, aus dem Elektrolyseur in die Trenneinrichtung geleitet wird.
Des Weiteren reduziert die Bildung von H₂ anstatt des gewünschten CO die Faraday'sche Effizienz des Prozesses, wodurch der Stromverbrauch, bei gleichbleibender Produktionsrate von CO, signifikant ansteigen würde.
Die obigen Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Die Erfindung wird im Anschluss mit Bezug auf verschiedene Beispiele davon weiter im Detail erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Beispiele
Beispiel 1:
In 3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 30 mit Trenneinrichtung 40 und Rückführung 16a, 16b gezeigt, anhand der das grundsätzliche Konzept der Erfindung für einen unter Druck betriebenen CO₂ -Elektrolyseur dargelegt werden kann. Der Aufbau entspricht dabei großteils dem der 2. Ein prinzipieller Vorteil einer Druckelektrolyse ist, dass CO₂ , welches in der Regel unter Druck geliefert und gelagert wird, keinem weiteren Entspannungs- und Rekomprimierungs-Zyklus unterworfen wird. Die Folge ist eine insgesamt höhere Energieeffizienz. Im Wesentlichen reines Produkt 20c wird wiederum in der Trenneinrichtung 40 abgetrennt.
Der wesentliche Unterschied zum Stand der Technik ist, dass eine Reinigungseinheit 31, beispielsweise in Form einer Abscheidevorrichtung, vorgesehen ist, die Carbonyle und Öle aus dem Gasstrom entfernt. In diesem Beispiel ist die Reinigungseinheit 31 als Festbett mit einer adsorbierenden Substanz, zum Beispiel Aktivkohle oder einem Zeolithen oder eine Mischung aus unterschiedlichen Feststoffen ausgeführt. Die Reinigungseinheit 31 wird in diesem Beispiel zweckmäßigerweise direkt vor die Elektrolyseeinrichtung 1 platziert, da diese die empfindlichste Stelle gegenüber Carbonylen und Ölen darstellt. Hierdurch wird die vereinigte Zuführeinrichtung in einen Abschnitt 2b vor der Reinigungseinheit 31 und einen Abschnitt 2c nach der Reinigungseinheit getrennt. Die vereinigte Zuführeinrichtung 2c nach der Reinigungseinheit 31 ist hierbei bevorzugt aus einem Material oder innen mit einem Material beschichtet, das keine Carbonyle bilden kann, beispielsweise Kunststoff.
Es kann aber auch alternativ sinnvoll sein, dass die Reinigungseinheit 31 vor der Trenneinrichtung 40 platziert wird, beispielsweise, wenn diese besonders empfindlich gegenüber Ölen bzw. Carbonylen ist. Grundsätzlich ist es ein erfindungsgemäßes Merkmal, dass die Vorrichtung 31 innerhalb des Kreislaufs aus Elektrolyseeinrichtung 1, Trenneinrichtung 40 und Kompressor 17 platziert ist.
Aus dem CO₂ -Elektrolyseur tritt bevorzugt ein Gasgemisch aus, welches im Wesentlichen CO und CO₂ enthält, beispielsweise bei Verwendung einer Silber-GDE. Bei der Variante einer Druckelektrolyse steht dieser Gasstrom unter Druck, was bei der nachfolgenden Gastrennung hilfreich ist, da in diesem Fall höhere Triebkräfte für eine Trennung zur Verfügung stehen. In der Regel verlässt ein abgetrenntes Gas eine Trenneinrichtung bei einem niedrigeren Druck, dementsprechend steht der Gasstrom in der Rückführeinrichtung 16a vor dem Kompressor, welcher CO₂ und CO enthält, unter einem niedrigeren Druck, beispielsweise bei ungefährem Umgebungsdruck, z.B. im Wesentlichen Normaldruck. Um eine Rückführung in diesem Beispiel zu ermöglichen, wird dieser Gasstrom mit dem Kompressor 17 verdichtet. Der rückgeführte Gasstrom wird dann mit dem Edukt-CO₂ aus der ersten Zuführeinrichtung 2a vereint und in die Reinigungseinheit 31 geleitet. Der erhöhte Druck hilft an dieser Stelle ebenfalls bei dem erfindungsgemäßen Entfernen von unerwünschten Ölen und Carbonylen. Dadurch, dass die Reinigungseinrichtung 31 kurz vor der Elektrolyseeinrichtung 1 platziert ist, können sowohl das CO₂ der ersten Zuführeinrichtung 2a wie auch der vereinigten Zuführeinrichtung 2b Öl und Carbonyle enthalten, beispielsweise aus dem Edukt und/oder dem rückgeführten Gasgemisch. Diese werden in der Reinigungseinrichtung entfernt, sodass diese die Elektrolyse in der Elektrolyseeinrichtung 1 nicht beeinträchtigen.
Beispiel 2:
Alternativ zur Druckelektrolyse in Beispiel 1 kann eine Niederdruck-Elektrolyse vorgesehen werden. Dieses Konzept einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 ist in 4 gezeigt. Der Aufbau ähnelt hierbei dem in 3 in Beispiel 1 gezeigten.
Bei der Niederdruckelektrolyse läuft die Elektrolyse bei Drücken im Bereich des Umgebungsdrucks ab. Ein Nachteil dieser Variante ist, dass unter Druck vorliegendes CO₂ zunächst entspannt wird durch die Drossel 35. Dies bedingt, dass bevorzugt das in der Elektrolyseeinrichtung 1 gebildete Produktgas nach der Elektrolyse wieder komprimiert wird, bevor es in die Trenneinrichtung 40 geführt wird, um eine gute Trennung zu erzielen. Entsprechend wird der Kompressor 17 in der ersten Abführeinrichtung 20a, b vorgesehen, mit einem Abschnitt 20a vor dem Kompressor und einem Abschnitt 20b nach dem Kompressor. In Konsequenz ist mit einem höheren Kompressionsbedarf zu rechnen.
Vorteilhaft ist bei der atmosphärischen Elektrolyse, dass die Elektrolyseeinrichtung 1 einfacher aufgebaut sein kann, da einige Armaturen, beispielsweise für eine Druckregelung, entfallen können. Weiterhin kann bei der Materialauswahl der Rohrleitungen für die Rückführeinrichtung 16 auch auf Kunststoffe zurückgegriffen werden, die nicht zur Carbonylbildung neigen. Ein weiterer Vorteil ist, dass etwaige Verunreinigungen, die durch den Kompressor 17 hervorgerufen werden, zunächst in die Trenneinrichtung 40 gelangen. Häufig wird innerhalb der Trenneinrichtung eine robuste Technologie eingesetzt, die mitunter tolerant gegenüber Carbonylen und Ölen sein kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2940773 A1 [0010]

Claims

Vorrichtung zur elektrochemischen Herstellung eines Produkts enthaltend CO, umfassend - eine Elektrolysezelle umfassend eine Anode und eine Kathode; - eine vereinigte Zuführeinrichtung, welche mit der Elektrolysezelle verbunden ist und der Elektrolysezelle einen vereinigten Materialstrom umfassend einen ersten Eduktstrom und einen rückzuführenden Materialstrom umfassend CO zuführt, die dazu ausgebildet ist, der Elektrolysezelle den vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO zuzuführen; - eine erste Zuführeinrichtung, welche mit der vereinigten Zuführeinrichtung verbunden ist und der vereinigten Zuführeinrichtung den ersten Eduktstrom zuführt, die dazu ausgebildet ist, der vereinigten Zuführeinrichtung den ersten Eduktstrom zuzuführen; - eine erste Abführeinrichtung, welche mit der Elektrolysezelle verbunden ist und aus der Elektrolysezelle einen ersten Produktstrom umfassend CO abführt, die dazu ausgebildet ist, aus der Elektrolysezelle den ersten Produktstrom umfassend CO abzuführen und den ersten Produktstrom einer Trenneinrichtung zuzuführen; - die Trenneinrichtung, welche mit der ersten Abführeinrichtung verbunden ist und aus dem ersten Produktstrom umfassend CO den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO abtrennt, die dazu ausgebildet ist, aus dem ersten Produktstrom umfassend CO den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO abzutrennen; und - eine Rückführeinrichtung, welche mit der Trenneinrichtung verbunden und der vereinigten Zuführeinrichtung verbunden ist und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO der vereinigten Zuführeinrichtung zuführt, die dazu ausgebildet ist, den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO der vereinigten Zuführeinrichtung zuzuführen; weiter umfassend mindestens eine Reinigungseinrichtung, welche Carbonyle und/oder Öle aus dem ersten Produktstrom umfassend CO, dem rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder dem vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO entfernt und die dazu ausgebildet ist, Carbonyle und/oder Öle aus dem ersten Produktstrom umfassend CO, dem rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder dem vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO zu entfernen und welche entsprechend in der ersten Abführeinrichtung, in der Rückführeinrichtung und/oder in der vereinigten Zuführeinrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Reinigungseinrichtung ausgewählt ist aus einem Wäscher zur Lösung und/oder Zersetzung von Carbonylen und/oder Ölen in einem geeigneten Lösungsmittel, der dazu ausgebildet ist, Carbonyle und/oder Öle in einem geeigneten Lösungsmittel zu lösen und/oder zersetzen; einem Festbett umfassend eine Substanz zur Adsorption und/oder Absorption von Carbonylen und/oder Ölen, das dazu ausgebildet ist, Carbonyle und/oder Öle an der Substanz zur Adsorption und/oder Absorption von Carbonylen und/oder Ölen zu adsorbieren und/oder in der Substanz zur Adsorption und/oder Absorption von Carbonylen und/oder Ölen zu absorbieren; einer Entladungseinrichtung; einer Bestrahlungseinrichtung mit einer Bestrahlungswellenlänge unterhalb von 450 nm, bevorzugt unterhalb 400 nm; und/oder einer ersten Heizeinrichtung zur Zersetzung von Carbonylen und/oder Ölen, die dazu ausgebildet ist, die Carbonyle und/oder Öle thermisch zu zersetzen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die mindestens eine Reinigungseinrichtung eine erste Heizeinrichtung zur Zersetzung von Carbonylen und/oder Ölen umfasst, wobei sich in Strömungsrichtung nach der mindestens einen Reinigungsvorrichtung ein Befeuchter anschließt, in dem dem ersten Produktstrom umfassend CO, dem rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder dem vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO Wasser zugeführt wird und der dazu ausgebildet ist, dem ersten Produktstrom umfassend CO, dem rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder dem vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO Wasser zuzuführen.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, weiter umfassend mindestens einen Kompressor, welcher in Strömungsrichtung im ersten Produktstrom umfassend CO, im rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder im vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO vor der mindestens einen Reinigungseinrichtung in der ersten Abführeinrichtung, in der Rückführeinrichtung und/oder in der vereinigten Zuführeinrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der mindestens eine Kompressor derart ausgestaltet ist, dass der erste Produktstrom umfassend CO, der rückzuführende Materialstrom umfassend CO, und/oder der vereinigte Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO nicht in Kontakt mit im Kompressor verwendetem Öl kommt.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die erste Abführeinrichtung, die Rückführeinrichtung und/oder in die vereinigten Zuführeinrichtung in Strömungsrichtung hinter der mindestens einen Reinigungseinrichtung zumindest in den Teilen, die mit dem ersten Produktstrom umfassend CO, dem rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder dem vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO in Kontakt kommen, aus einem Material besteht oder mit einem Material beschichtet ist, das ausgewählt ist aus Eisen- und Nickel-freien metallischen Werkstoffen, Kunststoff, Cr-haltigen Stählen, und/oder Mischungen davon.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Trenneinrichtung eine Trennmembran, ein Adsorbens, ein Absorbens, einen Kondenser, eine Destillationseinheit und/oder eine zweite Heizeinrichtung umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die erste Abführeinrichtung, die Trenneinrichtung, die Rückführeinrichtung, die mindestens eine Reinigungseinrichtung und/oder in die vereinigten Zuführeinrichtung und/oder ggf. der mindestens eine Kompressor zumindest in den Teilen, die mit dem ersten Produktstrom umfassend CO, dem rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder dem vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO in Kontakt kommen, aus einem Material besteht oder mit einem Material beschichtet ist, das ausgewählt ist aus Eisen- und Nickel-freien metallischen Werkstoffen, Kunststoff, Cr-haltigen Stählen, und/oder Mischungen davon.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, weiter umfassend eine Deoxo-Einheit, die sich in der ersten Abführeinrichtung befindet und dazu ausgebildet ist, Sauerstoff aus dem ersten Produktstrom umfassend CO zu entfernen.
Verfahren zur elektrochemischen Herstellung eines Produkts enthaltend CO, umfassend: Einbringen eines ersten Eduktstroms in die erste Zuführeinrichtung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9; Zuführen des ersten Eduktstroms zur Elektrolysezelle; Umsetzen des ersten Eduktstroms zu einem ersten Produktstrom umfassend CO; Abführen des ersten Produktstroms umfassend CO aus der Elektrolysezelle; Abtrennen eines rückzuführenden Materialstroms umfassend CO aus dem ersten Produktstrom umfassend CO in der Trenneinrichtung; und Rückführen des rückzuführenden Materialstroms umfassend CO zur vereinigten Zuführeinrichtung, wobei durch die mindestens eine Reinigungseinrichtung Carbonyle und/oder Öle aus dem ersten Produktstrom umfassend CO, dem rückzuführenden Materialstrom umfassend CO, und/oder dem vereinigten Materialstrom umfassend den ersten Eduktstrom und den rückzuführenden Materialstrom umfassend CO entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der erste Eduktstrom ein Gasstrom ist, der CO₂ umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der erste Eduktstrom ein Gasstrom ist, der unter erhöhtem Druck in die erste Zuführeinrichtung eingebracht wird, wobei bevorzugt die mindestens eine Reinigungseinheit in der vereinigten Zuführeinrichtung vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der erste Eduktstrom ein Gasstrom ist, der bei Umgebungsdruck in die erste Zuführeinrichtung eingebracht wird, wobei der erste Produktstrom umfassend CO komprimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die mindestens eine Reinigungseinheit nach einem Kompressor zum Komprimieren des ersten Produktstroms umfassend CO und vor der Trenneinrichtung angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei in der Trenneinheit weiterhin ein zweiter Produktstrom umfassend Wasserstoff und ggf. CO aus dem ersten Produktstrom umfassend CO abgetrennt wird.