Us 20100175320

7/24/2019 Us 20100175320

1/14

( 1 9 )

United S t a t e s

US 20100175320Al

( 1 2 ) Patent A pplication Publication ( 1 0 )

P u b .

N o . :

US

2 0 1 0 / 0 1 7 5 3 2 0 A 1

S c h u e t z l e e t

a l .

( 4 3 ) P u b . D a t e : J u l . 1 5 , 2010

F a c i l i t i e s

' T o l

V r I d

( 5 4 )

ENERGY

FFICIENT

SYSTEM

AND P u b l i c a t i o n

C l a s s i ? c a t i o n

PROCESS FOR

THE CONTINUOUS

( 5 1 ) I n t

Cl

PRODUCTION OFFUELS

AND

ENERGY

FROM

SYNGAS

C10J

3 / 0 0

( 2 0 0 6 . 0 1 )

(52) US. Cl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. .

48/76;

4 8 / 2 0 3

( 7 5 )

I n v e n t o r s : D e n n i s

S c h u e t z l e , G r a s s V a l l e y ,

CA

( U S ) ; Ronald G . H u r l e y ,

S a r a s o t a ,

5 7 ABSTRACT

FL ( U S ) ; R o b e r t W. S c h u e t z l e , ( )

S a c r a m e n t o , CA U )

A y s t e m

a n d a p p a r a t u s

i s

p r o v i d e d

h a t

m a x i m i z e s

m a s s

a n d

e n e r g y c o n v e r s i on e f ? c i e n c i e s i n a n i n t e g r a t e d thermochemi

C O r r e S p O n d e n C e

A d d r e S S I

c a l p r o c e s s

f o r

t h e c o n v e r s i o n o f f o s s i l f u e l o r r e n e w a b l e

McKinney Law

G r o u p ,

APC

b i o m a s s

t o s y n t h e s i s

g a s . T h e

s y s t e m

c o m b i n e s

g a s i ? c a t i o n ,

8 5 1

MOraga

R 0 3 11 , B l l I l g a l 0 W B c a t a l y t i c c o n v e r s i o n o f g a s t o l i q u i d , e l e c t r i c i t y

g e n e r a t i o n ,

L a f a y e t t e ,

CA

4549 (Us)

s t e a m

and h i l l e d W a t e r g e n e r a t i o n W i t h a

s y s t e m

c o n t r o l l e r to

_

maximize

h e conversion

ef?ciency from

syngas

o

merchant

( 7 3 ) A s s l g n e e ? PACIFIC RENEWABLE FUELS

a b l e

p r o d u c t s o v e r t h e e f ? c i e n c y o f s y n g a s a l o n e burned as a

LLC, S a c r a m e n t o ,

CA

U s ) f u e l . A l e a n

s y n t h e s i s

g a s s t r e a m

i s

i n t r o d u c e d i n t o

a c a t a

l y t i c r e a c t o r

t h a t

u t i l i z e s s p e c i a l l y f o r m u l a t e d

c a t a l y s t s t o

( 2 1 )

A p p l '

N O : 1 1 / 9 6 6 , 7 8 8 g e n e r a t e

i q u i d

f u e l

f r o m

C0

n d H 2 W h i l e c o n c e n t r a t i n g CH4

_ _ and other

combus tible, but non-reactive gases

i n the

syngas

( 2 2 ) F l l e d ' D e c

2 8

2007

p r o d u c t

s t r e a m .

The methane i c h

s t r e a m s

i n t r o d u c e d i n t o an

e n g i n e

f o r t h e

p r o d u c t i o n

of e l e c t r i c i t y and

h e a t W h i l e

t h e

R e l a t e d U ' s ' Apphcatlon

Data

u n r e a c t e d

CO

n d

H2 c a n

b e

r e c y c l e d

to p r o d u c e a d d i t i o n a l

( 6 0 )

P r o v i s i o n a l a p p l i c at i o n No, 6 0 / 8 8 2 , 7 5 5 , ? l e d on D e c , l i q u i d f u e l . E x c e s s h e a t c a n b e u s e d f o r o t h e r c o - l o c a t e d

2 9 , 2 0 0 6 . p r o c e s s e s a n d f a c i l i t i e s .

1 0

- 62\ P r o c e s s o r

I 64\ On-Lrne

: Gas

Zer

-

-

- - -

>

Controller -

-

- - - -

-

-- -

-

--|

i y | _ _ _ ( C o m p u t e r ) :

I 34 : l

G a s R e c y c l e

2 2 \ O n - L i n e

< _ _ _ _ _ _ _

A | | |

G a s

n a y z e r l C a t a l y s t R e a c t o r s i l

4

3 2

\ l : i

16\ 2 0

: : : :

l 2 6 l : l

F u e l

S y n g a s

\

I : =7

=

l Generator

I '

8

i l k?

/ 1 4 J 3 0 2 8 : :

14

'

l 5

Hydrogen I I

G e n e r a t o r

2 4 1 i 4

I

l

7/24/2019 Us 20100175320

2/14

P a t e n t A p p l i c a t i o n P u b l i c a ti o n J u l .

1 5 , 2010

S h e e t 1

0 f 2 US

2 0 1 0 / 0 1 7 5 3 2 0

A 1

6 2 8 5

:

_ .

U E

m m3 m m

5 3

v m

\

6 6 6

m m E P f

w ?

6 5 6 5 0

m m i w5

m m

m m

7/24/2019 Us 20100175320

3/14

7/24/2019 Us 20100175320

4/14

US 010/0175320

A 1

ENERGY

EFFICIENT SYSTEM

AND

PROCESS

FOR

THE CONTINUOUS

PRODUCTION OF

FUELSAND ENERGY

FROM

SYNGAS

CROSS-REFERENCE

TO

RELATED

APPLICATIONS

[ 0 0 0 1 ]

T h i s a p p l i c a t i o n c l a i m s p r i o r i t y f r o m US.

p r o v i

s i o n a l a p p l i c a t i o n S e r .

N o .

6 0 / 8 8 2 , 7 5 5 ? l e d

on

e c . 2 9 , 2 0 0 6 ,

i n c o r p o r a t e d

h e r e i n b y r e f e r e n c e

i n i t s

e n t i r e t y .

STATEMENTREGARDING FEDERALLY

SPONSORED

RESEARCH

OR

DEVELOPMENT

[ 0 0 0 2 ]

N o t

A p p l i c a b l e

INCORPORATION-BY-REFERENCE OF

MATERIAL SUBMITTED

ONA COMPACT

ISC

[ 0 0 0 3 ]

N o t

A p p l i c a b l e

BACKGROUND OFTHE INVENTION

[ 0 0 0 4 ] 1 . F i e l d o f t h e

I n v e n t i o n

[ 0 0 0 5 ]

T h i s

i n v e n t i o n p e r t a i n s

g e n e r a l l y t o a n

i m p r o v e d

e n e r g y e f ? c i e n t p r o c e s s f o r

t h e

c o n t in u o u s , c o - p r o d u c t i o n

o f

l i q u i d

f u e l s , e l e c t r i c i t y a n d h e a t f r o m s y n g a s , a n d more p a r

t i c u l a r l y

t o

a s y s t e m a n d

method Which

i n t e g r a t e s

t h e r m o

c h e m i c a l s y n g a s

p r o d u c t i o n ,

c a t a l y t i c c o n v e r s i o n p r o c e s s e s

and l e c t r i c i t y and h e a t

p r o d u c t i o n s y s t e m s

i n

a

manner h a t

m a x i m i z e s t h e

t h e r m a l

e n e r g y

e f ? c i e n c y

f o r t h e c o n v e r s i o n

o f

c a r b o n a c e o u s m a t e r i a l s t o e l e c t r i c i t y a n d l i q u i d f u e l s .

[ 0 0 0 6 ] 2 .

D e s c r i p t i o n

o f

R e l a t e d A r t

[ 0 0 0 7 ]

The W o r l d W i d e

demand

f o r e n e r g y a n d t r a n s p o r t a

t i o n f u e l s i s groWing a p i d l y a s f o s s i l e n e r g y

s o u r c e s

become

m o r e d e p l e t e d , e x p e n s i v e ,

a n d e n v i r o n m e n t a l l y

p r o b l e m a t i c .

A

i g n i ? c a n t

p e r c e n t a g e o f

h e

p r o d u c t i o n o f

l e c t r i c i t y

i n

t h e

U n i t e d S t a t e s comes from c o n v e n t i o n a l p u l v e r i Z e d - f u e l - ?r e d

b o i l e r s l i n k e d

to

a c o n v e n t i o n a l s t e a m c y c l e . Such g e n e r a t i o n

s y s t e m s h a v e modest e f ? c i e n c i e s

a n d

c o n t r i b u t e t o t h e g l o b a l

e m i s s i o n s o f n i t r o g e n o x i d e s ,

s u l f u r

o x i d e ,

c a r b o n

d i o x i d e ,

and

a r t i c u l a t e m a t t e r .

F u r t h e r m o r e , i n some

o a l c o m b u s t i o n

p l a n t s ,

o n l y a

t h i r d

o f

t h e

e n e r g y

v a l u e

o f

t h e c o a l i s a c t u a l l y

c o n v e r t e d

i n t o

e l e c t r i c i t y

and

t h e

r e s t i s l ost a s Waste h e a t .

[ 0 0 0 8 ] I m p r o v e d a n d i n n o v a t i v e s y s t e m s a r e n e e d e d t h a t

W i l l p r o v i d e a l t e r n a t i v e e n e r g y

s o u r c e s

and

o p t i o n s

to meet

f u t u r e e n e r g y n e e d s a n d a d d r e s s r i s i n g p o l l u t i o n i s s u e s . Even

t h o u g h t h e r e a r e many e c h n o l o g i e s t h a t a r e

c a p a b l e

o f c h a n g

i n g

e n e r g y

f u e l s from o n e form o a n o t h e r , e x i s t i n g

e n e r g y

c o n v e r s i o n s y s t e m s h a v e l i m i t e d e f ? c i e n c i e s

a n d n o t a b l e

Waste.

[ 0 0 0 9 ] T h i s h a s a l s o d r i v e n

t h e

d e v e l o p m e n t o f neW e n e r g y

t e c h n o l o g i e s

t h a t

a r e

c a p a b l e

o f

c o n v e r t i n g

n o n - p e t r o l e u m

and n o n - f o s s i l f u e l r e s o u r c e s i n t o u s e a b l e

f u e l s and e l e c t r i c

i t y .

P a r t

o f h i s

c h a l l e n g e

i s t o d e v e l o p l o W

c o s t

a n d

s c a l a b l e

s y s t e m s

t h a t c a n a c h i e v e h i g h e n e r g y c o n v e r s i o n e f ? c i e n c i e s .

[ 0 0 1 0 ]

I t

h a s

l o n g

b e e n

knoWn

h a t c a r b o n a c e o u s m a t e r i a l s

s u c h a s a g r i c u l t u r a l , f o r e s t a n d m u n i c i p a l W a s t e

( b i o m a s s )

a s

W e l l

a s

n a t u r a l g a s ,

c o a l , o i l

s h a l e

and o i l

s a n d s

( f o s s i l

r e s o u r c e s ) c a n b e

c o n v e r t e d

i n t o c o m b u s t i b l e g a s e s by t h e r

m o c h e m i c a l p r o c e s s i n g .

T h e s e t h e r m o c h e m i c a l p r o c e s s e s

u t i l i Z e c o n v e r s i o n t e c h n o l o g i e s

s u c h a s g a s i ? c a t i o n ,

r e f o r m

i n g , p y r o l y s i s , c a t a l y s i s a n d o t h e r r e l e v a n t p r o c e s s e s f o r t h e

c o n v e r s i o n

o f o s s i l f u e l s ( n a t u r a l g a s ,

c o a l ,

o i l , o i l

s h a l e , e t c )

a n d r e n e W a b l e b i o m a s s t o s y n t h e s i s g a s ( s y n g a s ) . F o r

e x a m p l e ,

t h e

e n e r g y o p t i o n s

a v a i l a b l e t o t h e W o r l d c o u l d b e

J u l . 1 5 , 2 0 1 0

s i g n i ? c a n t l y e x p a n d e d

W i t h

t h e

e c o n o m i c a l

c o n v e r s i o n

o f

biomass and

f o s s i l

r e s o u r c e s

t o

s y n t h e s i s g a s W i t h f u r t h e r

c o n v e r s i o n

t o l i q u i d f u e l s . R a t h e r

t h a n

b u r n i n g b i o m a s s o r

f o s s i l

r e s o u r c e s

d i r e c t l y ,

g a s i ? c a t i o n , a

t h e r m o - c h e m i c a l

p r o

c e s s

i s

u s e d

to

p r o d u c e

a

m i x t u r e

o f c a r b o n monoxide, h y d r o

gen and

m e t h a n e , knoWn as

s y n g a s .

The

r e s u l t i n g

s y n g a s i s

more v e r s a t i l e

t h a n

t h e

o r i g i n a l

s o l i d biomass o r f o s s i l

r e s o u r c e s and h a s

e n e r g y

c o n v e r s i o n

p o s s i b i l i t i e s

t h a t have

a d v a n t a g e s o v e r

o t h e r o u t p u t s c r e a t e d b y

d i r e c t

b u r n i n g .

[ 0 0 1 1 ] S i n c e t h e

e a r l y 1 9 0 0 s ,

a number f t h e r m o c h e m i c a l

p r o c e s s e s

h a v e b e e n

d e v e l o p e d

f o r t h e c o n v e r s i o n o f c a r b o n

aceous m a t e r i a l s d e r i v e d

from

reneWable

and f o s s i l

r e s o u r c e s . These thermochemical processes

c o n v e r t

carbon

c o n t a i n i n g

c o m p o u n d s

i n t o s y n g a s ,

a

m i x t u r e

c o m p r i s e d

p r i

m a r i l y o fC O

a n d

H 2 , Which c a n

a l s o

c o n t a i n

a m o u n t s

o f CO2

a n d CH4 i t h

t r a c e s

o f o t h e r h y d r o c a r b o n s . T h e

t e c h n o l o g y

f o r t h e p r o d u c t i o n o f biomass

and o s s i l r e s o u r c e s c o n t i n u e s

t o

b e

d e v e l o p e d

a n d

a d v a n c e m e n t s i n

p r o d u c t i o n

e f ? c i e n c y

have been s e e n .

Improved

c o n v e r s i o n

t e c h n o l o g i e s c a n p r o

v i d e

b e n e ? t s

r a n g i n g

f r o m r e d u c e d

e n v i r o n m e n t a l i m p a c t s

t o

h i g h e r e n e r g y e f ? c i e n c y

a s

W e l l a s s e c u r e and r e l i a b l e

e l e c

t r i c a l

p o W e r p r o d u c t i o n

a n d

f u e l

a v a i l a b i l i t y .

[ 0 0 1 2 ] A l s o

d i s c o v e r e d i n

t h e e a r l y

1 9 0 0 s Was

t h e

p r o c e s s

f o r h y d r o g e n a t i o n o f CO v e r

t r a n s i t i o n

m e t a l

c a t a l y s t s t o

p r o d u c e

l i q u i d

h y d r o c a r b o n s

a n d

o x y g e n a t e d

c o m p o u n d s .

Numerous

c atal y st f o r m u l a t i o n s h a v e b e e n

d e v e l o p e d o p r o

d u c e

l i q u i d f u e l s

a n d c h e m i c a l s

f r o m

s y n g a s

f e e d s t o c k . F o r

e x a m p l e , F e , Co

a n d N i b a s e d c a t a l y s t s

h a v e b e e n u s e d

e x t e n

s i v e l y

f o r

t h e

s y n t h e s i s o f m i x t u r e s o f p a r a f ? n s a n d o l e ? n s

t h a t c a n be c o n v e r t e d to g a s o l i n e and

d i e s e l

f u e l s . Copper

b a s e d c a t a l y s t s h a v e

b e e n

u s e d f o r m e t h a n o l

a n d

mixed l c o

h o l p r o d u c t i o n .

O t h e r

m e t a l s

h a v e

b e e n

p r o p o s e d

o r d e r i v i n g

o t h e r s p e c i ? c r o d u c t s , f o r e x a m p l e R h a s e d

a t a l y s t s

d e v e l

o p e d f o r

a c e t i c

a c i d ,

a c e t a l d e h y d e

a n d e t h a n o l p r o d u c t i o n .

A l s o m i x t u r e s o f

a t a l y s t

m e t a l s ( e . g . Rhodium a n d C o p p e r )

h a v e b e e n s h o W n o g i v e

h i g h e r s e l e c t i v i t y

f o r the

p r o d u c t i o n

o f e t h a n o l . T h e s e c a t a l y s t s t y p i c a l l y o p e r a t e a t e l e v a t ed p r e s

s u r e s

( 5 0 0 - 2 0 0 0

p s i g ) a n d

t e m p e r a t u r e s

( 4 0 0 - 6 5 0 0

F . ) . T h e

c o n v e r s i o n

e f ? c i e n c i e s

o f t h e p r i m a r y

r e a c t a n t s

(CO

a n d H 2 )

t o

f u e l s c a n b e l o W f o r

a l c o h o l

s y n t h e s i s ( 1 5 - 3 0 ) a n d h i g h e r

f o r

t he

s y n t h e s i s o f

c h a i n

h y d r o c a r b o n s ( 4 0 - 8 0 ) .

T h e

amount o f g a s c o n v e r s i o n d e c r e a s e s

W i t h

g a s h o u r l y s p a c e

v e l o c it y b u t y i e l d

a n d

s e l e c t i v i t y f o r c e r t a i n p r o d u c t s c a n

b e

i m p r o v e d i t h

h i g h e r s p a c e e l o c i t y .

F o r

t he s e

s y n t h e s i s c a t a

l y s t s ,

optimum

s p a c e

v e l o c i t i e s

a r e on

t h e o r d e r

of 1000 t o

1 0 , 0 0 0

h r l

u s i n g

n o r m a l i Z e d g a s v o l u m e s .

[ 0 0 1 3 ] The

c h e m i s t r y

i n v o l v e d i n s y n t h e s i s c a n

i n c l u d e

t h e

f o l l o W i n g

g e n e r a l i z e d r e a c t i o n s .

C O + 3 H 2 > C H 4 + H 2 O ( M e t h a n a t i o n )

n C O + ( 2 n + l H 2

> C n H 2 n + 2 + n H 2 O

( A l k a n e s / P a r a f ? n s )

n C O + 2 n H 2 > C , , H 2 , , + n H 2 O ( A l k e n e s / O l e ? n s )

n C O + 2 n H 2 > C , , H 2 n + 1 O H + ( n 1 ) H 2 O ( A l k a n o l s / A l c o h o l s )

[ 0 0 1 4 ] I n t h e

s y n t h e s i s

o f

h y d r o c a r b o n a n d

a l c o h o l

com

p o u n d s W i t h

tWo

c a r b o n s o r g r e a t e r , 100 s e l e c t i v i t y f o r t h e

d e s i r e d compounds s n o t

c u r r e n t l y

a c h i e v a b l e . I n a d d i t i o n o

a m i x t u r e

o f

l i q u i d p r o d u c t s , some g a s e o u s s i d e p r o d u c t s

a r e

g e n e r a t e d i n c l u d i n g c a r b o n d i o x i d e f r o m t h e W a t e r - g a s s h i f t

r e a c t i o n

and methane f rom t h e

a b o v e

m e t h a n a t i o n

r e a c t i o n .

As e s c r i b e d

n

p r e v i o u s s y s t e m s ,

m e t h a n e

c a n b e r e c y c l e d

b y

( W a t e r - G a s S h i f t )

7/24/2019 Us 20100175320

5/14

US 010/0175320

A 1

b e i n g

r e f o r m e d

b a c k o CO n d H 2 . Steam e f o r m i n g h a s b e e n

d e s c r i b e d

f o r

t h e p r o d u c t i o n o f

d d i t i o n a l

CO

n d H 2 .

The CO

and H2 a r e

t h e n

added t o t h e s y n g a s at a p o i n t b e f o r e t h e

c a t a l y t i c r e a c t o r . S i n c e t h e s e r e f o r m e r s r e q u i r e e l e v a t e d p r e s

s u r e s

and

e m p e r a t u r e s ,

a d d i t i o n a l e x t e r n a l

e n e r g y

i s

n e e d e d ,

r e s u l t i n g

i n

l o W e r

t h e r m a l

e n e r g y e f ? c i e n c y f o r

t he

p r o d u c

t i o n p r o c e s s e s .

[ 0 0 1 5 ]

A c c o r d i n g l y ,

t h e r e i s a n e e d o i d e n t i f y a n d d e v e l o p

a d v a n c e d t e c h n o l o g i e s t h a t W i l l i m p r o v e

t h e

e f ? c i e n c y o r

r e d u c e t he

c o s t o f p r o d u c i n g e l e c t r i c i t y , l i q u i d f u e l ,

f u e l

g a s e s ,

c h e m i c a l s

and e a t

r e c o v e r y

t i l i t i e s l i k e steam

i t h i n

an

i n t e g r a t e d s y s t e m . There s a l s o a need f o r a system With

t h e c a p a b i l i t y

o f

p r o d u c i n g e l e c t r i c i t y , f u e l g a s e s ,

s t e a m , l i q

u i d f u e l s and c h e m i c a l s , o r v a r i o u s

c o m b i n a t i o n s

o f t h e s e

m a t e r i a l s ,

W h i l e g r e a t l y r e d u c i n g

a i r

p o l l u t a n t s

a n d

g r e e n

house

g a s e m i s s i o n s .

The

r e s e n t i n v e n t i o n

m e e t s

t h e s e

n e e d s

a s

Well

a s

o t h e r s

and s a s u b s t a n t i a l improvement over h e

a r t .

BRIEF

SUMMARY OFTHE INVENTION

[ 0 0 1 6 ]

The

p r e s e n t i n v e n t i o n

i s

a n

i n t e g r a t e d

s y s t e m W i t h

p r o c e s s e s c o n ? g u r e d t o g e n e r a t e l i q u i d

f u e l s ,

e l e c t r i c i t y a n d

h e a t

from

c a r b o n a c e o u s f u e l

s o u r c e s .

The p r e f e r r e d s y s t e m

combines and maximizes t h e c a r b o n and

e n e r g y

c o n v e r s i o n

p o t e n t i a l a n d

e f ? c i e n c y

o f

t h e a s s o c i a t e d

c o m p o n e n t s

o r s u b

s y s t e m s to p r o d u c e a s y s t e m

f o r

t h e c o - p r o d u c t i o n o f f u e l s

a n d

e l e c t r i c i t y f r o m s y n g a s . The

p r o c e s s

c a n

p r o d u c e l i q u i d

f u e l s and

l e c t r i c i t y

from c a r b o n a c e o u s f e e d s t o c k a t

n e t

t h e r

mal e n e r g y


o f

g r e a t e r

t h a n

40-50 , Which a r e

s i g n i ? c a n t l y h i g h e r t h a n

f u e l

s y n t h e s i s o r e l e c t r i c i t y g e n e r a

t i o n a l o n e .

[ 0 0 1 7 ] Some o f

t h e o t h e r

a d v a n t a g e s o f

t h e

p r e s e n t i n v e n

t i o n

o v e r t h e

p r i o r r t i n c l u d e s i m p l i ? e d

p r o c e s s

ste p s t h r o u g h

t h e r e a l - t i m e

m o n i t o r i n g o f g a s c o m p o s i t i o n b e f o r e

a n d

a f t e r

t h e

c a t a l y s t r e a c t o r , m o n i t o r i n g o f r o c e s s c o n d i t i o n s ( s u c h as

t e m p e r a t u r e , p r e s s u r e

a n d

g a s

?oW

e l o c i t y )

o p t i m i z a t i o n

o f

h y d r o g e n / c a r b o n

m o n o x i d e g a s

c o m p o s i t i o n

u s i n g a

h y d r o

gen g e n e r a t o r , t h e

u s e o f

n e u r a l netWork a l g o r i t h m s

and

k i n e t i c / t h e r m o d y n a m i c

m o d e l s

W i t h f e e d - b a c k c o n t r o l , f o r

p r o c e s s o p t i m i z a t i o n , a n d t h e u s e

o f

c h e m i c a l s p e c i e s (eg

m e t h a n e ) t h a t a r e r e l a t i v e l y c a t a l y t i c a l l y

n o n - r e a c t i v e

t o g e n

e r a t e


a n d h e a t .

T h i s

s i m p l i ? e d s y s t e m

o p t i m i z e s

f u e l , e l e c t r i c i t y a n d h e a t p r o d u c t i o n ,

r e s u l t i n g i n

h i g h n e t

e n e r g y e f ? c i e n c i e s a n d s y s t e m

? e x i b i l i t y .

[ 0 0 1 8 ] The main s u b s y s t e m s i n c l u d e :

s y n g a s

g e n e r a t i o n , a

c a t a l y t i c

r e a c t o r f o r t h e


i q u i d

f u e l s

f r o m

s y n

g a s , a

h y d r o g e n g e n e r a t o r ,

o n - l i n e

a n a l y t i c a l

i n s t r u m e n t s

f o r

m o n i t o r i n g

g a s p h a s e s p e c i e s b e f o r e a n d a f t e r t h e c a t a l y s t ,

o n - l i n e

s e n s o r s f o r

m o n i t o r i n g

t e m p e r a t u r e , p r e s s u r e and g a s

H o w , a p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m t h a t c o l l e c t s o n - l i n e

d a t a

and

c o n t r o l s c a t a l y s t

p r o c e s s

c o n d i t i o n s , a g a s / l i q u i d s e p a r a t o r , a

g a s - r e c y c l e

s y s t e m a n d e q u i p m e n t

f o r

t he p r o d u c t i o n

o f

l e c

t r i c i t y

a n d

h e a t

from h e

g a s - p h a s e

components t h a t Were

n o t

used

f o r

c o n v e r s i o n t o f u e l s . These

s u b s y s t e m s can

be

a d a p t e d t o

p r o d u c e

d i f f e r e n t

t y p e s

o f

i q u i d

f u e l s , e l e c t r i c i t y

and h e a t t h a t can

be

s o l d a s

commercial

p r o d u c t s .

[ 0 0 1 9 ] I n

o n e

embodiment

o f

t h e i n v e n t i o n ,

s y n g a s and

h y d r o g e n

g e n e r a t o r s

a r e p r o v i d e d .

I n a n o t h e r

e m b o d i m e n t ,

t h e

s y n g a s

and hydrogen

a r e provided from

a

s o u r c e

o u t s i d e

o f h e

s y s t e m . Carbon monoxide

may l so b e

s u p p l e m e n t e d

i n

one embodiment. The s y s t e m i s

i d e a l l y

s u i t e d f o r s m a l l

and

medium

s i z e d ,

d i s t r i b u t e d c o n v e r s i o n f a c i l i t i e s

t h a t

a r e

l o c a t e d

n e a r f e e d s t o c k r e s o u r c e s

f o r t h e

p r o d u c t i o n

of

y n g a s

b u t may a l s o b e u s e d i n l a r g e r d e s i g n s t h a t may f u n c t i o n a s

r e g i o n a l f u e l

a n d

l e c t r i c i t y p r o d u c t i o n e n t e r s . S y n g a s , com

J u l . 1 5 , 2 0 1 0

p r i s e d p r i m a r i l y

o f

C O , H 2 , CO2 n d C H 4 ,

i s

d e r i v e d f r o m a n y

c a r b o n a c e o u s

f e e d s t o c k m a t e r i a l

s u c h

a s a g r i c u l t u r a l , f o r e s t

and u n i c i p a l W a s t e

a s

W e l l

a s n a t u r a l g a s , c o a l , o i l s h a l e and

o i l s a n d s

b y

u t i l i z i n g

c o n v e r s i o n

t e c h n o l o g i e s s u c h a s g a s i ?

c a t i o n ,

r e f o r m i n g ,

p y r o l y s i s ,

c a t a l y s i s

a n d

o t h e r

r e l e v a n t

p r o

ce s s e s .

[ 0 0 2 0 ]

The

s y n g a s i s p r e s s u r i z e d a n d

f e d

t o a s y n t h e s i s

r e a c t o r t o b e c o n v e r t e d t o d e s i r e d

l i q u i d

p r o d u c t s . C a t a l y s t

f o r m u l a t i o n s

a r e

s e l e c t e d t o

c o n v e r t CO nd H2

t o

p r o d u c t s

s u c h

as a l c o h o l s a n d l i q u i d h y d r o c a r b o n s . The i q u i d p r o d u c t s

a r e

c o o l e d

and

s e p a r a t e d

f r o m t h e

u n - r e a c t e d

g a s es . C a t a l y s t

f o r m u l a t i o n s a r e

a l s o

s e l e c t e d t o c o n v e r t

CO

nd H2 i n t h e

s y n g a s to

t h e d e s i r e d

f u e l p r o d u c t s s u c h a s

a l c o h o l

and

i q u i d

h y d r o c a r b o n f u e l s

W i t h o u t

s i g n i ? c a n t l y a l t e r i n g the more

e n e r g y r i c h c h e m i c a l

s p e c i e s

s u c h a s

methane

and t h e r c a t a

l y t i c a l l y ,


s p e c i e s i n t h e s y n g a s .

[ 0 0 2 1 ]

A

o r t i o n o f t h e s e u n - r e a c t e d g a s e s

c a n b e

r e c y c l e d

t o

t h e s y n t h e s i s r e a c t o r

W h i l e

t h e

r e m a i n d e r

s

used

t o g e n e r

a t e e l e c t r i c i t y a n d s t e a m .

The

p r o c e s s o f c a t a l y s i s and r e c y

c l i n g

c o n c e n t r a t e s

s p e c i e s o f

c o m b u s t i b l e b u t c a t a l y t i c a l l y

n o n - r e a c t i v e s p e c i e s ( l i k e

C H 4 )

i n t h e

p r o d u c t

g a s .

[ 0 0 2 2 ]

The

d e s i r e d

l i q u i d p r o d u c t s a r e

s e p a r a t e d

f r o m

t h e

e n e r g y

e n r i c h e d

g a s s t r e a m and an

n - l i n e p r o c e s s

a n a l y z e r s

u s e d o m o n i t o r t h e c o n c e n t r a t i o n s o f h e

p r i m a r y

g a s s p e c i e s .

T h i s i n f o r m a t i o n , a l o n g

W i t h p r o c e s s c o n t r o l a l g o r i t h m s ,

i s

u s e d t o

a d j u s t t h e

amount o f

g a s t h a t

i s

r e c y c l e d t h r o u g h

t h e

c a t a l y s t

v e r s u s t h e

amount of

g a s

t h a t

i s

s e n t t o

t h e e n g i n e /

g e n e r a t o r o r g a s - t u r b i n e .

T h i s

i n t e g r a t e d ,

c o n t i n u o u s

p r o c e s s

r e s u l t s i n a n o p t i m i z e d p r o d u c t i o n

o f i q u i d

f u e l s ,


and h e a t .

[ 0 0 2 3 ]

A o r t i o n o f

t h e

p r o d u c t

g a s a n d the e l e c t r i c i t y

g e n

e r a t e d

by

t h e

s y s t e m

may

e u s e d

t o

p r o v i d e p r o c e s s

e n e r g y

f o r

v a r i o u s

p a r t s o f h e

s y s t e m

i n c l u d i n g t h e

s y n g a s

g e n e r a t o r ,

a

h y d r o g e n g e n e r a t o r

a n d o t h e r

e q u i p m e n t d e s c r i b e d

i n d e t a i l

b e l o W . A n

n a l o g

a n d / r

d i g i t a l

c o n t r o l

s y s t e m

o p t i m i z e s

t h e

g a s c o m p o s i t i o n

f o r

p r o d u c t i o n o f u e l s a n d e l e c t r i c i t y .

[ 0 0 2 4 ] Some o f t h e e l e c t r i c i t y

a n d

h e a t may b e u s e d t o

p r o d u c e

h y d r o g e n ,

W h i c h may b e a d d e d t o the i n c o m i n g

s y n g a s to i n c r e a s e t h e y i e l d o f

l i q u i d

f u e l p r o d u c t s . The com

p o s i t i o n o f

h e

s y n g a s s t r e a m may e

f u r t h e r

s u p p l e m e n t e d

b y

p a s s i n g

c a r b o n

d i o x i d e

g a s

o v e r h e a t e d c h a r c o a l to

form

c a r b o n monoxide i n c r e a s i n g t h e c o n c e n t r a t i o n

o f

h i s

g a s

t o

t h e r e a c t o r .

Hydrogen g a s

may

a l s o

b e added t o

b r i n g

t h e

c o n c e n t r a t i o n s o f CO nd

H2

t o

t h e

d e s i r e d r a t i o .

[ 0 0 2 5 ]

T h e

e l e c t r i c i t y a n d h e a t g e n e r a t e d i n t h i s s y s t e m

may

l s o

be

used o

run h e p r o c e s s

and

t may

l s o be used a s

a c l e a n e n e r g y

s o u r c e

f o r t h e s y n g a s

p r o d u c t i o n

s y s t e m s .

E x c e s s


may e d i s t r i b u t e d

o t h e

r e g i o n a l

e l e c t r i c a l

g r i d .

The e x c e s s h e a t

can be used f o r

o t h e r c o - l o c a t e d

p r o

c e s s e s

and

f a c i l i t i e s .

[ 0 0 2 6 ] A c c o r d i n g

t o

o n e a s p e c t

o f t h e

i n v e n t i o n ,

a s y s t e m

f o r the

p r o d u c t i o n

o f i q u i d

f u e l s

a n d e l e c t r i c i t y f r o m s y n g a s

i s p r o v i d e d t h a t l )

g e n e r a t e s

s ynth esis g a s

( s y n g a s )

f r o m a

c a r b o n a c e o u s f e e d s t o c k ( e . g . a g r i c u l t u r a l , f o r e s t

a n d

m u n i c i

p a l

W a s t e ,

n a t u r a l g a s , c o a l ,

o i l

s h a l e a n d

o i l s a n d s ) u s i n g

a

t h e r m o c h e m i c a l p r o c e s s , c a t a l y t i c

r e f o r m e r

a n d / r o t h e r r e l

e v a n t

t e c h n o l o g y

o r c o m b i n a t i o n

t h e r e o f ;

2) i n t r o d u c e s a

c l e a n s y n g a s s t r e a m

( p r i m a r i l y

CO, 2 , C H 4 , CO2 a n d H20 t

7/24/2019 Us 20100175320

6/14

US 010/0175320

A 1

v a r y i n g c o n c e n t r a t i o n s ) t o a c a t a l y t i c s y n t h e s i s r e a c t i o n

s y s

tem

o s i m u l t a n e o u s l y

g e n e r a t e

l i q u i d f u e l

f r o m CO n d

H2

W h i l e c o n c e n t r a t i n g

CH4

and o t h e r c o m b u s t i b l e

b u t

n o n - r e

a c t i v e

g a s e s

i n a g a s p r o d u c t s t r e a m ; a n d 3 ) i n t r o d u c e s t h e

CH4

r i c h

p r o d u c t

g a s

s t r e a m

i n t o

a n

e n g i n e , g a s - t u r b i n e o r

o t h e r r e l e v a n t t e c h n o l o g i e s f o r t he p r o d u c t i o n

o f


and

h e a t .

[ 0 0 2 7 ] A c c o r d i n g t o a n o t h e r a s p e c t o f

t h e

i n v e n t i o n

a

s y s

t e m

i s p r o v i d e d W h e r e c a t a l y s t f o r m u l a t i o n s i n t h e s y n t h e s i s

r e a c t o r

a r e

s e l e c t e d t o o p e r a t e under c o n d i t i o n s i n Which CO

r e a c t s e ? i c i e n t l y W i t h

H 2

o p r o d u c e

l c o h o l ,

d i e s e l ,

g a s o l i n e ,

e t h e r o r hydrogen f u e l s a s W e l l a s c r e a t e c o n d i t i o n s i n

Which

CH4 a n d o t h e r l i g h t h y d r o c a r b o n s a r e

r e l a t i v e l y


o v e r t h e c a t a l y s t s .

[ 0 0 2 8 ] P r o c e s s o p t i m i Z a t i o n s o p t i o n a l l y f a c i l i t a t e d b y t h e

i n j e c t i o n o f

a d d i t i o n a l h y d r o g e n n t o the c a t a l y s t r e a c t o r p r o

d u c e d

by

e l e c t r o l y s i s o r

o t h e r

s o u r c e

t o

i m p r o v e l i q u i d f u e l

p r o d u c t i o n

e f ? c i e n c y . The

p r o c e s s

c o n t r o l c o m p u t e r

i s

u s e d

t o

c h a n g e

the

p r o p o r t i o n

o f

i q u i d f u e l

p r o d u c t i o n

o e l e c t r i c

i t y / h e a t p r o d u c t i o n a n d d i c t a t e d b y r e a l - t i m e e l e c t r i c i t y

a n d

l i q u i d - f u e l m a r k e t

? u c t u a t i o n s

a n d

r e q u i r e m e n t s .

[ 0 0 2 9 ]

A c c o r d i n g

t o a n o t h e r a s p e c t o f t h e

i n v e n t i o n ,

a

s y s

tem s

p r o v i d e d

h a t m o n i t o r s t h e

c o m p o s i t i o n

o f t h e

p r e -

and

p o s t - c a t a l y s t g a s

s t r e a m

and

u s e s

t h a t

i n f o r m a t i o n With

an

o n - l i n e

p r o c e s s

c o n t r o l l e r

t o

o p t i m i Z e t h e

r e c y c l e r a t i o

o f t h e

p o s t - c a t a l y s t g a s

s t r e a m

and o t h e r

p r o c e s s c o n t r o l s

W i t h t h e

p u r p o s e o f g e n e r a t i n g a CO nd

H2

r i c h g a s

s t r e a m s u i t a b l e

f o r f u e l s y n t h e s i s v i a c a t a l y s i s , a s W e l l a s a CH4 and

o t h e r

l i g h t c o m b u s t i b l e

r i c h

g a s s t r e a m t h a t i s i d e a l

f o r

t h e p r o d u c

t i o n o f l e c t r i c i t y a n d h e a t .

[ 0 0 3 0 ]

A n o t h e r

a s p e c t o f t h e i n v e n t i o n p r o v i d e s a c o n t r o l

l e r

W h e r e i n c h e m i c a l

thermodynamic and

n e r g y

m o d e l s

a n d /

o r a d v a n c e d l e a r n i n g a l g o r i t h m s

( e . g .

n e u r a l n e t w o r k s ) a r e

u s e d

i n

a n

o n - l i n e d i g i t a l

a n d / o r a n a l o g p r o c e s s

c o n t r o l s y s

tem o h e l p d e t e r m i n e

t h e

d e s i r e d p r o c e s s c o n d i t i o n s

and p l i t

r a t i o s o f t h e

g a s

s t r e a m t o t h e c a t a l y s t s and t h e e n g i n e / g e n

e r a t o r s

a n d /

r g a s t u r b i n e / e n e r a t o r s .

[ 0 0 3 1 ] A c c o r d i n g

t o a n o t h e r

a s p e c t o f

t h e

i n v e n t i o n

t h e

e n e r g y e f ? c i e n c y o f

t h e

p r o c e s s i s

m a x i m i z e d b y

m o n i t o r i n g

the

p r e -

a n d p o s t

c a t a l y s t

g a s s t r e a m c o m p o s i t i o n

a n d

u s i n g

t h a t i n f o r m a t i o n

i n

an o n - l i n e

p r o c e s s c o n t r o l

system t o

v a r y

f u e l p r o d u c t i o n v s . e l e c t r i c i t y a n d h e a t p r o d u c t i o n .

The

on

l i n e p r o c e s s

c o n t r o l

s y s t e m p r e f e r a b l y e m p l o y s k i n e t i c / t h e r

modynamic m o d e l s a n d n e u r a l n e t W o r k s y s t e m s .

[ 0 0 3 2 ] A c c o r d i n g

t o

a f u r t h e r a s p e c t o f t h e i n v e n t i o n ,

s e n

s o r s monitor h e gas composition a t one o r m o r e l o c a t i o n s ,

i n

c o m b i n a t i o n W i t h c h e m i c a l t h e r m o d y n a m i c a n d e n e r g y

mod

e l s

t o

c o n t r o l t h e a d d i t i o n

o f

h e

h y d r o g e n

i n t o

t h e p r e - c a t a l y s t

s y n g a s s t r e a m t o enhance

t h e

c a t a l y s t c o n v e r s i o n


o f CO, CO2 a n d o t h e r c a t a l y t i c a l l y r e a c t i v e s p e c i e s t o f u e l s .

[ 0 0 3 3 ] Y e t a n o t h e r a s p e c t

o f t h e

i n v e n ti o n p r o v i d e s

a

p r o

c e s s c o n t r o l s y s t e m t o

c h a n g e

t h e p r o p o r t i o n

o f

u e l

p r o d u c

t i o n t o e l e c t r i c i t y a n d h e a t p r o d u c t i o n ,

d e p e n d i n g

upon e a l

t i m e m a r k e t c o n d i t i o n s . F o r e x a m p l e , When t h e r e

i s

a peak

l o a d demand f o r e l e c t r i c i t y ,

t h e

amount o f e l e c t r i c i t y c a n b e

i n c r e a s e d to h e l p

meet t h a t

demand.

[ 0 0 3 4 ]

F u r t h e r

a s p e c t s

o f

t h e i n v e n t i o n

W i l l

b e

b r o u g h t o u t

i n

the f o l l o W i n g

p o r t i o n s

o f t h e s p e c i ? c a t i o n , W h e r e i n t h e

d e t a i l e d d e s c r i p t i o n i s f o r the p u r p o s e o f f u l l y d i s c l o s i n g

p r e f e r r e d

e m b o d i m e n t s

o f h e i n v e n t i o n W i t h o u t p l a c i n g l i m i

t a t i o n s t h e r e o n .

J u l . 1 5 , 2 0 1 0

BRIEF

DESCRIPTIONOFTHE SEVERAL

VIEWS F THE DRAWING(S)

[ 0 0 3 5 ]

The

i n v e n t i o n

W i l l b e more

u l l y

u n d e r s t o o d b y r e f

e r e n c e

t o

t h e f o l l o W i n g

d r a W i n g s Which a r e f o r

i l l u s t r a t i v e

p u r p o s e s o n l y :

[ 0 0 3 6 ]

F I G . 1 i s a s y s t e m How diagram o f a

p r o c e s s

a c c o r d

i n g t o

t h e p r e s e n t i n v e n t i o n .

[ 0 0 3 7 ]

F I G . 2 i s

a s y s t e m How d i a g r a m o f

a n

i n t e g r a t e d

s y s t e m o f s y n g a s p r o d u c t i o n , l i q u i d p r o d u c t p r o d u c t i o n a n d

s t e a m a n d

e l e c t r i c a l p r o d u c t i o n a c c o r d i n g t o

t h e i n v e n t i o n .

DETAILED DESCRIPTIONOFTHE INVENTION

[ 0 0 3 8 ]

The

p r e s e n t i n v e n t i o n i s

a n

i n t e g r a t e d , c o n t i n u o u s

p r o c e s s t h a t maximizes

t h e

c a r b o n

and

e n e r g y

c o n v e r s i o n

e f ? c i e n c i e s f o r t h e s i m u l t a n eo u s p r o d u c t i o n o f i q u i d f u e l s ,

e l e c t r i c i t y , a n d h e a t

f r o m s y n g a s .

The p r o c e s s i s o p t i m i Z e d

u s i n g

an

o n - l i n e

computer

s y s t e m

W i t h

t h e u s e

o f

c o n t i n u o u s

g a s

a n a l y Z e r s

a n d p r o c e s s a l g o r i t hm s

t o c o n t r o l

a n d

t o maxi

m i Z e

p r o d u c t

y i e l d s

a n d

e n e r g y

e f ? c i e n c y .

T h i s

p r o c e s s

i n v e n t i o n s i g n i ? c a n t l y

r e d u c e s

the c o m p l e x i t y o f

c u r r e n t ,

c o m m e r c i a l s y s t e m s

f o r t h e

s y n t h e s i s o f

l i q u i d p r o d u c t s ,

r e s u l t i n g i n s i g n i ? c a n t l y

l o W e r

c a p i t a l

a n d

p r o d u c t i o n c o s t s .

[ 0 0 3 9 ] As

s e e n

s c h e m a t i c a l l y

i n

F I G .

1

a n d F I G . 2 ,

t h e

s y s t e m

o r

p r o d u c i n g l i q u i d m a t e r i a l s a n d

c o m b u s t i b l e g a s f o r

t h e

g e n e r a t i o n o f l e c t r i c i t y a n d h e a t h a s s e v e r a l s u b s y s t e m s

o f

p r o c e s s e s .

The p r i m a r y p r o c e s s e s

a r e

s y n g a s


h y d r o g e n g e n e r a t i o n ,

s y n t h e s i s , l i q u i d s e p a r a t i o n , g a s r e c y

c l i n g , e l e c t r i c i t y


h e a t r e c o v e r y

a n d s y s t e m c o n

t r o l .

[ 0 0 4 0 ] T h e

s y n g a s p r o d u c t i o n

a n d

l i q u i d

m a t e r i a l p r o d u c

t i o n s u b s y s t e m s 1 2 o f t h e p r o d u c t i o n s y s t e m 1 0 o f I G .

2

a r e

shoWn i n F I G . 1 . The l i q u i d

p r o d u c t i o n

s u b s y s t e m 1 2 c a n

produce d i f f e r e nt l i q u i d m a t e r i a l s

from

a s o u r c e o f s y n g a s

depending

on t h e

s e l e c t i o n of

h e r e a c t o r c a t a l y s t s

and

r e a c

t i o n

c o n d i t i o n s .

[ 0 0 4 1 ]

S y n t h e s i s g a s

i s de?ned a s a

g a s

c o m p r i s i n g

p r i m a

r i l y

c a r b o n

m o n o x i d e ( C O )

a n d

H y d r o g e n ( H 2 ) f r o m a n y

s o u r c e . T y p i c a l s y n t h e s i s g a s i n c l u d e s

c a r b o n

m o n o x i d e ,

h y d r o g e n a n d l esse r a m o u n t s o f c a r b o n d i o x i d e ( C O 2 ) a n d

o t h e r u s e f u l

g a s e s

such

a s methane (CH4) a s W e l l a s s m a l l

amounts o f

l i g h t

p a r a ? i n s ,

s u c h a s e t h a n e and r o p a n e . I t may

a l s o c o n t a i n g a s e s s u c h a s

n i t r o g e n , a r g o n ,

o x y g e n - c o n t a i n

i n g

compounds

and

W a t e r

i n a g a s e o u s

s t a t e .

H o W e v e r , t h e

p r e f e r r e d r a t i o o f

h y d r o g e n

t o

c a r b o n

monoxide s

0 . 5

t o

5 ,

a n d 0 . 7 5

t o 2 . 5

b y m o l a r r a t i o

i s p a r t i c u l a r l y

p r e f e r r e d .

A c c o r d i n g l y , t he p r o p o r t i o n

o f c a r b o n m o n o x i d e a n d h y d r o

gen t o g e t h e r i n t h e

r e a c t a n t

g a s i s p r e f e r a b l y a b o u t

2 0

o

a b o u t

100

by

v o l u m e .

[ 0 0 4 2 ]

T h e s y n g a s p r o d u c t i o n s u b s y s t e m 1 4

p r e f e r a b l y

h a s

a

s y n g a s g e n e r a t o r

16 t h a t p r o c e s s e s f u e l

18

t o produce a

s t r e a m

2 0

o f

s y n t h e s i s g a s . A l t h o u g h a

s y n g a s

p r o d u c t i o n

s u b s y s t e m 1 4 i s

p r o v i d e d i n

t h e embodiment o f

F I G .

1

a n d

F I G .

2 , i t W i l l b e u n d e r s t o o d

t h a t s y n g a s may

e

t r a n s p o r t e d

by

p i p e l i n e from a s t o r a g e s o u r c e o r

p r o d u c t i o n

s o u r c e

o u t

s i d e

o f

t h e

s y s t e m .

[ 0 0 4 3 ]

S y n g a s

c a n

b e

g e n e r a t e d

f r o m

a

W i d e v a r i e t y

o f

c a r b o n a c e o u s f u e l s o u r c e s 1 8 i n c l u d i n g p e t r o l e u m W a s t e

p r o d u c t s , c o a l , W o o d ,

s t r a W ,

W a s t e t i r e s , n a t u r a l

g a s ,

l a n d ? l l

g a s , o r

any

o t h e r c a r b o n c o n t a i n i n g m a t t e r . Many t e c h n o l o

g i e s h a v e b e e n

d e v e l o p e d t o t h e r m a l l y c o n v e r t

a c a r b o n

a c e o u s f e e d s t o c k

t o

s y n g a s .

The

s p e c i ? c method f o r

p r o d u c

i n g

s y n g a s and t y p e o f s y n g a s

g e n e r a t o r a r e

n o t e s s e n t i a l t o

t h e s y s t e m 1 0 .

H o W e v e r ,

t h e t y p e o f s y n g a s

g e n e r a t o r

1 6 t h a t

7/24/2019 Us 20100175320

7/14

US 010/0175320

A 1

i s

s e l e c t e d

s p r e f e r a b l y o n e

t h a t

h a s l o W e n e r g y r e q u i r e m e n t s .

B e c a u s e o n e o f

t h e o b j e c t i v e s

o f

t h e

a p p a r a t u s a n d

s y s t e m

i s

t o s y n t h e s i z e l i q u i d f u e l s f r o m C0 n d H 2 , t e c h n o l o g i e s t h a t

maximize t h e p r o d u c t i o n o f t h e s e g a s e s

a r e

p r e f e r r e d .

E x a m p l e s

o f

r e f e r r e d t e c h n o l o g i e s

f o r

t h i s

i n v e n t i on i n c l u d e

p y r o l y z e r s , g a s i ? e r s , s t e a m o r h y d r o - g a s i ? c a t i o n s y s t e m s ,

steam

r e f o r m e r s , a u t o t h e r m a l r e f o r m e r s

o r

c o m b i n a t i o n s

of

t h e s e

t e c h n o l o g i e s .

[ 0 0 4 4 ] C u r r e n t l y , t h e r e a r e t h r e e t y p e s

o f

a s i ? e r s : ? u i d i z e d

bed

t y p e s ,

?xed bed t y p e s a n d e n t r a i n e d ? o W

t y p e s .

I n t h e

t y p i c a l

g a s i ? c a t i o n p r o c e s s , t h e f u e l 1 8

i s

h e a t e d t o a

v e r y

h i g h t e m p e r a t u r e

i n

t h e r a n g e o f 1 0 0 0 0 C . t o 1 5 0 0 0 C . , W h i l e

u n d e r

p r e s s u r e ( 2 0

b a r s t o

8 5 b a r s ) . C o n t r o l l e d

amounts o f

steam

and

oxygen

a r e

i n t r o d u c e d

t o

produce

tWo

s e t s of

r e a c t i o n s .

The

r s t r e a c t i o n

s a

p a r t i a l

o x i d a t i o n

o f

h e f u e l 1 8

t h a t p r o d u c e s a d d i t i o n a l h e a t

r e q u i r e d

f o r

t h e s e c o n d s e t o f

r e a c t i o n s

( p y r o l y s i s ) Which a r e e n d o t h e r m i c . A s a r e s u l t , v i r

t u a l l y a l l

o f

t h e

o r g a n i c m a t e r i a l

i s

g a s i ? e d i n t o p r i m a r i l y

c a r b o n

monoxide a n d h y d r o g e n a n d t h e i n o r g a n i c m a t e r i a l

i s

c o n v e r t e d

t o s l a g .

[ 0 0 4 5 ]

T h e

t e c h n o l o g y

u s e d f o r s y n g a s g e n e r a t i o n p r e f e r

a b l y m e e t s o t h e r r i t e r i a . The

a t i o

o f

H2

to

CO a n b e impor

t a n t f o r s y n t h e s i s and a

r a t i o

of . 5 t o 5 . 0

i s

p r e f e r r e d , a

r a t i o

o f 0 . 7 5 t o

2 . 5 i s

o p t i m a l l y

p r e f e r r e d .

[ 0 0 4 6 ]

The

amount f CO2 n t h e s y n g a s c a n a l s o i m p a c t t h e

s y n t h e s i s

a c t i v i t y , d e p e n d i n g o n

t he t y p e

o f

a t a l y s t u t i l i z e d .

A c c o r d i n g l y ,

a

p r e f e r r e d

maximum

CO2

c o n c e n t r a t i o n

i n

t h e

s y n g a s

r a n g i n g

f r o m

0-25

s p r e f e r r e d , 0-10

s

o p t i m a l l y

p r e f e r r e d . T h e r e f o r e , a

system

t o remove some

of

t h e CO2

from

t h e s y n g a s s t r e a m

may be

i n c l u d e d i n t h e s y n g a s gen

e r a t i o n system 14 i n one embodiment.

I n a n o t h e r embodi

m e n t ,

Waste

h e a t

i s used t o

h e a t c h a r c o a l o r

o t h e r carbon

s o u r c e and carbon d i o x i d e

g a s i s passed o v e r

t h e

h e a t e d

c h a r c o a l t o p r o d u c e

c a r b o n

m o n o x i d e , t h e r e b y i n c r e a s i n g

t h e

c o n c e n t r a t i o n

o f c a r b o n

monoxide

and

d e c r e a s i n g

t h e

con

c e n t r a t i o n

of

c a r b o n

d i o x i d e

W i t h i n t h e s y n g a s s t r e a m .

[ 0 0 4 7 ] C a t a l y s t c o n t a m i n a n t s l i k e s u l f u r a n d c h l o r i n e c o n

t a i n i n g

g a s e s ,

t a r s ,

a n d a r t i c u l a t e s

may

l s o

r e q u i r e

r e m o v a l .

G a s l e a n i n g t e c h n o l o g i e s l i k e s c r u b b e r s ,

t r a p s , p r e c i p i t a t o r s ,

e t c . may b e

i n c l u d e d

i n t h e s y n g a s

g e n e r a t i o n s y s t e m i n

c e r t a i n

embodiments.

[ 0 0 4 8 ]

S i n c e s y n g a s g e n e r a t i o n i s

g e n e r a l l y

a n e n d o t h e r

mic p r o c e s s t h a t

r e q u i r e s

h e a t t o

p r o d u c e

t h e r e a c t i o n tem

p e r a t u r e s , h e a t f r o m t h e

f u e l

f e e d s t o c k

1 8 ,

t h e

g e n e r a t e d

syngas o r

from

n o t h e r e x t e r n a l s o u r c e i s

r e q u i r e d

t o

maintain

a

c o n t i n u o u s

r e a c t i o n . The s o u r c e

o f

t h e

h e a t r e q u i r e d f o r

t h e

syngas

generator

16 can come f r o m any s o u r c e . In one


t h e r e a c t o r

h e a t s

s u p p l i e d f r o m t h e

p r o d u c t

g a s

t h a t r e m a i n s a f t e r t h e l i q u i d s y n t h e s i s r e a c t i o n s

t o maximize

the

e ? i c i e n c y

o f

h e

f u e l

s y n t h e s i s .

I n o t h e r

e m b o d i m e n t s ,

h i s

h e a t c a n b e s u p p l i e d

f r o m

t h e

f e e d s t o c k

( a u t o - t h e r m a l ) ,

g e n

e r a t e d

s y n g a s ( b e f o r e s y n t h e s i s ) , o r

an

e x t e r n a l f u e l s o u r c e .

The

t h e r m a l e ? i c i e n c y

o f t h e s y n g a s g e n e r a t i o n s y s t e m

s h o u l d b e

h i g h

t o m a x i m i z e s y s t e m e f ? c i e n c y a n d r e d u c e

p a r a s i t i c l o a d

on t h e o v e r a l l s y s t e m . Thermal e f ? c i e n c i e s

o f

g r e a t e r

t h a n

5 0 a r e

p r e f e r r e d

a n d g r e a t e r

t h a n

7 0 s o p t i

m a l l y p r e f e r r e d .

[ 0 0 4 9 ]

I n a d d i t i o n , the g a s e s

l e a v i n g

t h e s y n g a s g e n e r a t o r

a r e normally i n e x c e s s of 10000 C .

and need

t o be cooled

doWn e f o r e t h e y a r e i n t r o d u c e d t o t h e c a t a l y t i c r e a c t o r s 2 8 .

G e n e r a t e d


may b e n e e d e d f o r c e r t a i n p a r t s o f t h e

s y n g a s

g e n e r a t i o n s y s t e m i n c l u d i n g p u m p s , f e e d s t o c k h a n

d l i n g e q u i p m e n t ,

c o n d e n s e r s ,

p r e c i p i t a t o r s ,

e t c .

J u l . 1 5 , 2 0 1 0

[ 0 0 5 0 ] I n

one

embodiment, t h e

e x c e s s

t h e r m a l e n e r g y i s

c o n v e r t e d

t o e l e c t r i c a l e n e r g y

f o r u s e

i n

o t h e r

p a r t s o f

t h e

system o r f o r s a l e on t h e poWer

g r i d .

For e x a m p l e , steam

can

b e g e n e r a t e d t h r o u g h a h e a t e x c h a n g e r i n t h e s y n g a s

out?oW

by

e i t h e r

c o n v e c t i o n

o r

c o n d u c t i o n .

The

r e s u l t i n g

steam can

be

used o d r i v e a t u r b i n e o r

o t h e r

e l e c t r i c a l

g e n e r a t i on d e v i c e

a s

W e l l

a s

used

i n o t h e r p a r t s

of

h e

system o r

s o l d f o r o t h e r

i n d u s t r i a l uses

of steam.

[ 0 0 5 1 ] I n o r d e r to

m a i n t a i n

t h e

p r o p e r b a l a n ce

o f CO o

H2

i n t h e s y n g a s

f o r

t h e d e s i r e d

s y n t h e s i s r e a c t i o n s ,

t h e i n t r o d u c

t i o n

o f

hydrogen to t h e

s y n g a s m ay

be e n e ? c i a l .

An n - l i n e

c o n t i n u o u s g a s a n a l y z e r 2 2 o p t i o n a l l y m o n i t o r s t h e c o n c e n

t r a t i o n s of carbon

monoxide

and

hydrogen

a s W e l l

a s o t h e r

g a s e s s o t h a t t h e composition of t h e

f e e d

g a s

20 can be

m a n i p u l a t e d

t o

k e e p

t h e

p r o p e r

r a t i o

o f

CO

o

H2

a p p r o x i

m a t e l y

c o nstant

b y

i n t r o d u c i n g

a d d i t i o n a l

h y d r o g e n g a s i n t o

t h e g a s s t r e a m . A t r e a m of y n g a s With g e n e r a l l y c o n s i s t e n t

c o m p o s i t i o n c a n

i m p r o v e t h e

c o n v e r s i o n e f ? c i e n c y i n t h e

r e a c t o r s

2 8 .

Hydrogen g e n e r a t o r

24

o r

o t h e r s o u r c e

o f h y d r o

gen

g a s p r o v i d e s

hydrogen

g a s

t o

t h e

s t r e a m o f s y n g a s 20

a s

d e t e r m i n e d b y the g a s a n a l y z e r

2 2 .

The c o m p o s i t i o n

o f

t h e

g a s c a n be sampled

t

d i f f e r e n t l o c a t i o n s o f t h e s y s t e m and

a n a l y z e d

b y g a s a n a l y z e r 2 . F o r

e x a m p l e ,

t h e c o m p o s i t i o n o f

g a s

e n t e r i n g

3 0 a n d e x i t i n g 3 6

t h e c a t a l y s t r e a c t o r s

2 8 a s W e l l

a s t h e r e c y c l e g a s 32 s o t h a t t h e g a s composition

can

be

o p t i m i z e d

a n d

the

p r o d u c t i o n

o f i q u i d p r o d u c t s c a n

b e m a x i

m i z e d .

[ 0 0 5 2 ]

I n the

p r e f e r r e d

e m b o d i m e n t o f t h e

i n v e n t i o n ,

h y d r o g e n c a n b e

g e n e r a t e d

f r o m e l e c t r o l y s i s o f

H 2 0

a n d f e d

i n t o t h e

f e e d

s y n g a s 3 0 . H i g h

t e m p e r a t u r e e l e c t r o l y s i s

f o r t h e


h y d r o g e n

g a s

a n d

o x y g e n g a s t a k e s a d v a n t a g e

of h e Waste e a t of h e syngas g e n e r a t o r o r o t h e r h e a t s o u r c e s

i n t h e

s y s t em . I n a n o t h e r e m b o d i m e n t ,

h y d r o g e n r i c h

g a s

c a n

a l s o b e

g e n e r a t e d f r o m n a t u r a l

g a s

by s t e a m r e f o r m i n g o r

from t h e r e m e r g i n g methods

o f

r o d u c t i o n . Carbon

monox

i d e c o n c e n t r a t i o n s o f t h e f e e d g a s

may

o p t i o n a l l y b e s u p p l e

mented

through

carbon i o x i d e

c o n v e r s i o n

o r from an

u t s i d e

source.

[ 0 0 5 3 ] The s y s t e m s c o n t r o l l e d o p r o v i d e the o p t i m a l r a t i o

o f H2 o CO n t h e

o v e r a l l g a s

s e e n by t h e

c atal y st

( i n c l u d i n g

f e e d s y n g a s a n d r e c y c l e

g a s ) .

A a t i o o f 0 . 5

t o

5 . 0 i s p r e f e r r e d ;

a

r a t i o

o f 0 . 7 5 t o 2 . 5

i s

o p t i m a l l y p r e f e r r e d . T h i s r a t i o

m ay

be

c a t a l y s t d e p e n d e n t .

[ 0 0 5 4 ]

The

s y n g a s s t r e a m 2 0

i s

c o m p r e s s e d by a c o m p r e s

s o r 26 t o

a p p r o x i m a t e l y t h e d e s i r e d r e a c t i o n p r e s s u r e

t h a t

s i n

t h e c a t a ly s t r e a c t o r s 2 8 .

The

combined

e e d

s y n g a s

s h o u l d b e

p r e s s u r i z e d b e f o r e i t

e n t e r s t h e s y n t h e s i s r e a c t o r s 2 8 .

The

r e a c t i o n p r e s s u r e i m p a c t s t h e p r o d u c t i v i t y

a n d

s e l e c t i v i t y

o f

t h e

s y n t h e s i s r e a c t i o n s

i n t h e r e a c t o r s . S e l e c t i o n

of

h e r e a c

t i o n

p r e s s u r e

i s d e p e n d e n t

on

t h e t y p e

o f a t a l y s t , b u t g e n e r

a l l y

p r e s s u r e s i n t h e

r a n g e o f

5 0 - 2 0 00 p o u n d s

p e r s q u a r e

i n c h

( p s i ) may e r e q u i r e d , a n d p r e s s u r e s o f 5 0 - 1 0 0 0 p s i a r e o p t i

m a l l y p r e f e r r e d . A u i t a b l e g a s

c o m p r e s s o r

26 may i n c l u d e a

r e c i p r o c a t i n g c o m p r e s s o r ,

c e n t r i f u g a l

c o m p r e s s o r ,

d i a

phragm c o m p r e s s o r , o r o t h e r s u i t a b l e

d e v i c e

t o

a c h i e v e

t h e

r e q u i r e d

r e a c t i o n p r e s s u r e .

I n

t h e p r e f e r r e d e m b o d i m e n t , t h e

compress or 26 can be run With an e l e c t r i c

motor

and l e c t r i c

i t y

f r o m

t h e s y s t e m .

I n

a n o t h e r e m b o d i m e n t ,

t h e

c o m p r e s s o r

i s poWered by

a n

e n g i n e o p e r a t i n g

on

p r o d u c t g a s o r

s t e a m

g e n e r a t e d

f r o m h e a t f r o m

t h e

s y n t h e s i s

r e a c t o r

1 6 .

[ 0 0 5 5 ]

The s y n g a s f e e d

30

from c o m p r e s s o r 2 6 may b e

combined

i t h

r e c y c l e d g a s

3 2 t h a t

h a s

b e e n c o m p r e s s e d

t o

t h e a p p r o x i m a t e

p r e s s u r e

o f h e

s y n g a s

f e e d 3 0 b y

c o m p r e s s o r

3 4 . I n t h e embodiment

shoWn i n F I G . 1 ,

t h e combined

g a s

7/24/2019 Us 20100175320

8/14

US 010/0175320

A 1

f e e d e n t e r s t h e t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e d r e a c t o r v e s s e l s 2 8 .

H o w e v e r , t h e

r e c y c l e d

g a s e s 3 2 c o u l d

a l s o

e n t e r t h e r e a c t i o n

v e s s e l

2 8 s e p a r a t e l y . A l t h o u g h r e c y c l i n g

o f g a s i s shoWn n

t h e a p p a r a t u s

of I G . 1 f o r

e ? i c i e n c y ,

i t

W i l l

be

s e e n

t h a t

some

o f

t h e d e s i r e d l i q u i d

p r o d u c t s

c a n

b e p r o d u c e d

W i t h

a s i n g l e

p a s s t h r o u g h

t h e r e a c t o r

2 8 .

[ 0 0 5 6 ] The r e s s u r i z ed f e e d s y n g a s a n d r e c y c l e

g a s

s t r e a m s

30

a r e fed

i n t o a t

l e a s t one s y n t h e s i s r e a c t o r

28

o r a

s e r i e s of

r e a c t o r s a s shoWn i n FIG. 1 and FIG.

2 . C a t a l y s t

r e a c t o r s

28

m a y be

i n p a r a l l e l o r i n

s e r i e s . I n one

embodiment, r e a c t o r s

c o n t a i n i n g d i f f e r e n t c a t a l y s t

c o m p o s i t i o n s

a r e

c o n n e c t e d

i n

s e r i e s t o

p r o v i d e

s e q u e n t i a l r e a c t i o n s .

[ 0 0 5 7 ] I n t h e p r e f e r r e d e m b o d i m e n t , t h e r e a c t o r

2 8 i s

a s h e l l

and u b e t y p e

s y n t h e s i s r e a c t o r o r a

?xed

bed

e a c t o r . I n

a

s h e l l

a n d

t u b e r e a c t o r ,

t h e

g a s ?oWs t h r o u g h t u b e s

t h a t

c o n t a i n

t h e

c a t a l y s t

t h a t

a r e s u r r o u n d e d b y

b o i l i n g

W a t e r , a l l c o n t a i n e d

W i t h i n

t h e v e s s e l s h e l l .

The t e m p e r a t u r e i s

c o n t r o l l e d by con

t r o l l i n g

t h e

p r e s s u r e o f

t h e b o i l i n g

W a t e r a n d

s t e a m

i s p r o

duced t h a t can be used f o r

e n e r g y p r o d u c t i o n o r

o t h e r p r o

c e s s e s .

Another

p r e f e r r e d

embodiment

i n c l u d e s a

?xed bed

r e a c t o r Where

c o o l a n t

?o W s t h r o u g h

t u b e s

i n a c a t a l y s t bed o

remove

e a c t i o n h e a t .

Syngas ?o W s a c r o s s

t h e bed and

prod

u c t s a r e

removed

from t h e o p p o s i t e

end o f t h e b e d . O t h e r

p r e f e r r e d

embodiments

i n c l u d e

a

?uidized

bed

r e a c t o r

o r a

s l u r r y - t y p e ?xed bed r e a c t o r .

The

d e s i g n o f t h e r e a c t o r i s

d e p e n d e n t o n the

s y n g a s

t h r o u g h p u t , s p a c e e l o c i t y , t e m p e r a

t u r e

and

r e s s u r e

o f t h e s y s t e m .

[ 0 0 5 8 ] Each

y n t h e s i s r e a c t o r 28

c o n t a i n s

a c a t a l y s t

o r

mul

t i p l e l a y e r e d c a t a l y s t s

c h o s e n

o

s y n t h e s i z e t h e d e s i r e d l i q u i d

p r o d u c t from t h e s y n g a s f e d i n t o t h e r e a c t o r . To s y n t h e s i z e

m e t h a n o l , f o r e x a m p l e ,

CuiZn

a s e d

c a t a l y s t s on

a l u m i n a

s u p p o r t s a r e o p t i m a l l y

p r e f e r r e d .

T o s y n t h e s i z e h i g h e r a l c o

h o l s ,

p a r t i c u l a r l y

e t h a n o l , a s u p p o r t e d CuiZn

a t a l y s t

l a y

e r e d W i t h a

G r o u p

V I I I

m e t a l c a t a l y s t i s

o p t i m a l l y p r e f e r r e d .

T o

s y n t h e s i z e

h y d r o c a r b o n

i q u i d s f o r d i e s e l f u e l

p r o d u c t i o n ,

a

s u p p o r t e d

F e b a s e d c a t a l y s t p r o m o t e d W i t h Cu a n d K s

o p t i m a l l y

p r e f e r r e d .

I n o t h e r p r e f e r r e d e m b o d i m e n t s , a n y

o t h e r c a t a l y s t

i n c l u d i n g

u n - s u p p o r t e d , s u p p o r t e d , a n d s l u r r y

p h a s e c a t a l y s t s t h a t h a v e h i g h s e l e c t i v i t y

a n d

r o d u c t i v i t y f o r

a n y d e s i r e d l i q u i d p r o d u c t c a n b e u s e d . Many o t h e r s y n t h e

s i z a b l e c o m p o u n d s

a n d

c a t a l y s t f o r m u l a t i o n s

f o r

g e n e r a t i n g

t h o s e

compounds

a r e

knoWn

o t h o s e

s k i l l e d i n t h e

a r t .

[ 0 0 5 9 ] One c a t a l y s t c o n ? g u r a t i o n i n r e a c t o r 2 8 h a s t h r e e

s t a g e s a n d s e l e c t i v e l y p r o d u c e s

ethan ol a t

h i g h y i e l d s

f r o m

s y n t h e s i s g a s a n d

i s i l l u s t r a t e d

i n Example 2 b e l o W .

I n

t h i s


s y n g a s i s

d i r e c t e d

o v e r

a

? r s t c a t a l y s t con?g

u r e d

o p r o m o t e

c a r b o n

m o n o x i d e

h y d r o g e n a t i o n . The y d r o

g e n a t e d g a s from

t h e

? r s t

c a t a l y s t

t h e n r e a c t s W i t h

a

s e c o n d

c a t a l y s t c o n ? g u r e d

o p r o m o t e

a l c o h o l

h o m o l o g a t i o n .

T h e r e

a f t e r ,

t h e g a s from t h e s e c o n d c a t a l y s t r e a c t s W i t h a t h i r d

c a t a l y s t t h a t

i s

c o n ? g u r e d

t o

p r o m o t e h y d r o g e n a t i o n o f a c i d

a n d

a l d e h y d e b y p r o d u c t s t o

a l c o h o l s . The r e a c t i o n s p r e f e r

a b l y o c c u r

u n d e r

c o n d i t i o n s

o f

s u p e r - a t m o s p h e r i c

t e m p e r a

t u r e

and r e s s u r e .

[ 0 0 6 0 ]

I n

one i l l u s t r a t i v e embodiment, t h e

r e a c t o r

28 i s

p a c k e d

s u c c e s s i v e l y

W i t h t h r e e

l a y e r s o f a t a l y s t s :

[ 0 0 6 1 ] ( 1

)

A y d r o g e n a t i o n

a t a l y s t

c o n t a i n i n g

CuiZn,

Mo, N i ,

o r F e ;

[ 0 0 6 2 ]

[ 0 0 6 3 ]

( a ) A roup V I I I m e t a l o r m i x t u r e o f Group

V I I I m e t a l s ;

[ 0 0 6 4 ] ( b )

A

o - c a t a l y s t

m e t a l o f

t t r i u m ,

a

l a n t h a n i d e

a n d /

r

a c t i n i d e

s e r i e s m e t a l

o r

m i x t u r e s t h e r e o f ; and

( 2 ) A

a r b o n y l a t i o n

c a t a l y s t

c o n t a i n i n g :

J u l . 1 5 , 2 0 1 0

[ 0 0 6 5 ]

( 3 ) A s e c o n d h y d r o g e n a t i o n a t a l y s t

c o m p o s e d

o f

CuiZn,

Mo, N i , o r F e .

[ 0 0 6 6 ]

The

s y n t h e s i s r e a c t i o n s i n r e a c t o r 2 8 p r i m a r i l y c o n

v e r t t h e

CO n d H2

t o

d e s i r ed p r o d u c t s

d e p e n d i n g on t h e

s e l e c t i o n

o f

t h e

c a t a l y s t s .

The amount

o f

g a s c o n v e r t e d

i s

d e p e n d e n t on h e a c t i v i t y o f t h e

c atal y st

a n d t h e s p a c e v e l o c

i t y o f t h e g a s a l o n g

W i t h

o t h e r o p e r a t i o n a l c r i t e r i a . I n t h e

p r e f e r r e d


a

CO o n v e r s i o n

r a t e

o f

g r e a t e r

t h a n

1 5 s

d e s i r e d

b u t r a t e s g r e a t e r t h a n

50

r e o p t i m a l l y p r e

f e r r e d . The

o p t i m a l l y

p r e f e r r e d c o n v e r s i o n r a t e i s

n o t a c h i e v

a b l e W i t h c e r t a i n c a t a l y s t s .

[ 0 0 6 7 ] S y n t h e s i s may n c l u d e t h e

g e n e r a t i o n

o f

g a s

s p e ci e s

t h a t

a r e

n o t c a t a l y t i c a l l y r e a c t i v e i n c l u d i n g CO2 a n d CH4 a n d

o t h e r

g a s e o u s h y d r o c a r b o n s . T h e s e g a s e s may

h e l p i n c r e a s e

t h e

e n e r g y

c o n t e n t

o f

t h e

p r o d u c t

g a s

s t r e a m Which

s u s e f u l

f o r e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n . T h e y s h o u l d n o t g r e a t l y i m p a c t

s y n t h e s i s When

t h e y

a r e

r e c y c l e d t o

t h e r e a c t o r 2 8 .

[ 0 0 6 8 ]

The

t e m p e r a tu r e , p r e s s u r e and How o f t h e s y n g a s

s t r e a m 3 0 t h r o u g h t h e

r e a c t o r s

2 8

i s

p r e f e r a b l y c o n t r o l le d and

monitored

o

o p t i m i z e

t h e r e a c ti o n c o n d i t i o n s

W i t h i n

t h e r e a c

t o r s

2 8 .

F o r e x a m p l e , t h e

r e a c t o r

v e s s e l 28

may i n c l u d e h e a t

i n g

o r c o o l i n g

e l e m e n t s t h a t p e r m i t t h e r e g u l a t i o n o f t h e

t e m p e r a t u r e o f t h e g a s ?oWing t h r o u g h t h e r e a c t o r v e s s e l 2 8

W i t h i n t h e d e s i r e d

r a n g e

o f t e m p e r a t u r e s t h t

W i l l

o p t i m i z e

t h e r e a c t i o n s .

The

e a c t i o n v e s s e l

2 8

may a l s o

h a v e t e m p e r a

t u r e and p r e s s u r e

m o n i t o r s t o a l l o W t h e

r e g u l a t i o n

o f

t h e

t e m p e r a t u r e and

r e s s u r e

o f t h e g a s s t r e a m t h r o u g h t h e r e a c

t i o n v e s s e l 2 8 . I n one embodiment,

t h e

t e m p e r a t u r e and

r e s

s u r e i n each of h e t h r e e s t a g e s can

be

v a r i e d .

[ 0 0 6 9 ]

F o r

t h e p r o d u c t i o n o f e t h a n o l , f o r e x a m p l e , t h e r e a c

t i o n

t e m p e r a t u r e W i t h i n

r e a c t o r 2 8

p r e f e r ab l y r a n g e s

from

a p p r o x i m a t e l y

1 5 0

C . t o a p p r o x i m a t e l y

4 0 0

C . , W i t h

a p p r o x i m a t e l y 1 8 0 C . t o


3 2 5 C . p a r t i c u l a r l y

p r e f e r r e d . When a

h i g h

r e a c t i o n t e m p e r a t u r e

i s

u s e d , t h e

f o r m a t i o n o f h y d r o c a r b o n s as b y p r o d u c t s

i n c r e a s e s .

[ 0 0 7 0 ]

For some e a c t i o n s t h e r e a c t o r

p r e s s u r e

can be l o W ,

n a m e l y


2 0 0 p o u n d s

p e r s q u a r e i n c h

g a u g e

( p s i g ) ,

b e c a u s e d e s i r e d compounds c a n b e m a n u f a c t u r e d a t

t h a t p r e s s u r e .

H o W e v e r ,

h i g h e r

p r e s s u r e s c a n be u t i l i z e d

i n

o r d e r

t o i n c r e a s e

t h e s p a c e / t i m e y i e l d .

T h e r e f o r e ,

t h e p r e

f e r r e d

r e a c t i o n

p r e s s u r e

can

a r y

betWeen a p p r o x i m a t e l y

200

p s i g a n d


2 5 0 0 p s i g .

A

e a c ti o n p r e s s u r e

r a n g

i n g f r o m


5 0 0 p s i g t o


1 5 0 0 p s i g

i s p a r t i c u l a r l y p r e f e r r e d .

[ 0 0 7 1 ] The f e e d

r a t e

o f t h e

r e a c t a n t

m a t e r i a l g a s

r e l a t i v e

t o

t h e

volume

o f c atal y st ( a l s o

knoWn

a s t h e g a s

h o u r l y s p a c e

v e l o c i t y ,

GHSV,

e x p r e s s e d u n d e r n o r m a l c o n d i t i o n s o f 0 C .

a n d 0 p s i g )

i s p r e f e r a b l y

b e t W e e n 1 0 0 a n d 4 0 , 0 0 0 h r - l

( r e c i p

r o c a l

h o u r s ) a n d s

p r e f e r a b l y

a d j u s t e d f o r e a c h c a t a l y s t com

p o n e n t

a n d t h e r e a c t i o n

c o n d i t i o n s

t o

o p t i m i z e p r o d u c t i o n o f

t h e

d e s i r e d

l i q u i d m a t e r ia l .

I n c r e a s i n g

t h e

s p a c e

v e l o c i t y

c a n

i n c r e a s e y i e l d a n d s e l e c t i v i t y o f the

d e s i r e d

p r o d u c t s b u t

r e d u c e s

t h e c a r b o n

c o n v e r s i o n ,

r e q u i r i n g

more r e c y c l i n g o f

t h e g a s .

[ 0 0 7 2 ] I t can be seen

t h a t t h e r e a c t i o n

c o n d i t i o n s can be

r e g u l a t e d to maximize

t h e

r e a c t i o n e f ? c i e n c i e s

o f t h e

c a t a

l y s t s

a n d

p r o d u c t s t h a t a r e s e l e c t e d . A d d i t i o n a l l y , g a s t r e a t

ments

d e v i c e s

such a s

scrubbers

may be used t o

remove

unWanted components of

h e

s y n g a s

o r

r e c y c l e d g a s s u c h a s

c a r b o n

d i o x i d e o r hydrogen s u l ? d e . These

t r e a t m e n t

d e v i c e s

can be l a c e d

i n t h e g a s

l i n e s i n p a r a l l e l W i t h

t h e

r e a c t o r s

o r i n

s e r i e s upstream o r doWn stream

from t h e

r e a c t o r s 2 8 .

[ 0 0 7 3 ]

A f t e r p a s s i n g t h o u g h

h e

c a t a l y s t s i n r e a c t o r s 2 8 ,

the

o u t l e t s t r e a m o f g a s e o u s

p r o d u c t s

3 6

i s

d i r e c t e d

t o t h e

g a s /

7/24/2019 Us 20100175320

9/14

US 010/0175320

A 1

l i q u i d

s e p a r a t o r

3 8 . T h e g a s - l i q u i d s e p a r a t o r 3 8 i s p r e f e r a b l y

a

c o n d e n s e r b u t

m ay

be

a n y

o t h e r g a s - l i q u i d

s e p a r a t o r

known

i n t h e a r t .

The

s e p a r a t e d

l i q u i d

p r o d u c t s

4 0

a r e c o l l e c t e d and

s t o r e d

f o r

f u r t h e r p r o c e s s i n g .

[ 0 0 7 4 ]

I n

one embodiment,

t h e s e p a r a t i o n

s y s t e m

i s

a

con

d e n s e r u s i n g c h i l l e d c o o l an t s u p p l i e d f r o m t h e W a s t e

h e a t

f r o m

t h e

s y s t e m . L i q u i d

p r o d u c t

i s r e m o v e d f r o m

the

b o t t o m

o f t h e c o n d e n s e r . I n a n o t h e r


t h e s e p a r a t o r

3 8

may n c l u d e some

i s t i l l a t i o n

and r a c t i o n a t i n g e q u i p m e n t to

s e p r t e s p e c i e s

b a s e d

o n b o i l i n g p o i n t .

[ 0 0 7 5 ]

Once i q u i d

c o m p o u n d s

4 0 a r e s e p a r a t e d ,

t he

p r o d

u c t

and

u n - r e a c t e d

g a s e s a r e s p l i t i n t o

tWo

g a s s t r e a m s , t h e

r e c y c l e g a s

3 2 and

u r g e g a s

4 2 .

The e c y c l e g a s 3 2 i s mixed

W i t h f e e d

s y n g a s

30 from

a s y n g a s

g e n e r a t o r 16 and

t h e n

r e c y c l e d

t h r o u g h

t h e c a t a l y s t ,

r e s u l t i n g i n a d d i t i o n a l

CO

a n d

H2

c o n v e r s i o n

t o l i q u i d p r o d u c t 4 0 .

The r e m a i n i n g

g a s e s

3 6

e m e r g i n g f r o m

t he

g a s / i q u i d

s e p a r a t o r

3 8 a r e p r e f e r a b l y

r e c y c l e d f o r

s e v e r a l

c y c l e s b y

c o m p r e s s i n g

t he ga s s t r e a m

W i t h compressor 34 a s needed

to a p p r o x i m a t e l y match t h e

p r e s s u r e o f

h e

s y n g a s f e e d s t r e a m

30

e n t e r i n g t h e r e a c t o r s

2 8 .

V a l v e

44 can be used to

d i r e c t

g a s

t h a t

h a s

been

c y c l e d

t h r o u g h

t h e

r e a c t o r s 28 s e v e r a l

t i m e s

to an e x i t l i n e f e e d of

p u r g e g a s 4 2 . I t W i l l b e s e e n t h a t

t h e

c y c l i n g o f g a s e s t h r o u g h

t h e r e a c t o r e f f e c t i v e l y

c o n c e n t r a t e s some

o f t h e u s e f u l g a s e s

such

a s methane t h a t a r e

produced

by t h e p r o c e s s o r a r e

p r e s e n t i n t h e s y n g a s f e e d 3 0 .

Gas

p r o d u c t s 4 2 c a n

be

burned

a s a s o u r c e

of

e a t , e l e c t r i c a l g e n e r a t i o n , o r

can be

processed

f u r t h e r

a s

an

a d d i t i o n a l f e e d s t o c k

f o r

o t h e r c h e m i c a l produc

t i o n .

The

a s

r e c y c l e

r a t e can be

a r i e d

from 0 o

99 . LoWer

r e c y c l e r a t e s f a v o r

more l e c t r i c i t y

p r o d u c t i o n

W h i l e

h i g h e r

r a t e s

f a v o r l i q u i d

p r o d u c t

p r o d u c t i o n . T h e

r e c y c l e

g a s 3 2

i s

p r e f e r a b l y

m a i n t a i n e d a t

e l e v a t ed p r e s s u r e

b u t

may r e q u i r e

some a d d i t i o n a l compression to compensate from

p r e s s u r e

d r o p t h r o u g h

t he

r e a c t o r /

s e p a r a t o r

s y s t e m W i t h c o m p r e s s o r

3 4 .

[ 0 0 7 6 ]

T u r n i n g noW

to

F I G . 2 ,

t h e s y n g a s p r o d u c t i o n s u b

s y s t e m 1 4 a n d

t he

l i q u i d

m a t e r i a l p r o d u c t i o n

s u b s y s t e m 1 2

a r e i n t e g r a t e d

W i t h

a n e l e c t r i c a l

g e n e r a t i o n

s u b s y s t e m 5 0 and

c o n t r o l l e r s u b s y s t e m

52

i n t h e embodiment s h o W n . The con

t r o l

s u b s y s t e m

5 2

i s

c o n n e c t e d t o

e a c h o f t h e

s u b s y s t e m s

to

m o n i t o r a n d

c o n t r o l

t h e

o v e r a l l

s y s t e m 1 0 . The r o d u c t i o n o f

g a s , l i q u i d m a t e r i a l , e l e c t r i c i t y

a n d

s t e a m c a n

b e o p t i m i Z e d

and c o n t r o l l e d .

[ 0 0 7 7 ]

I n t h e

e m b o d i m e n t

shoWn s c h e m a t i c a l l y i n

F I G . 2 ,

t h e p u r g e

g a s 4 2 ,

c o n s i s t i n g

p r i m a r i l y o f CH4

a n d o t h e r

com

b u s t i b l e p r o d u c t g a s e s a n d

CO2 t

h i g h r e c y c l e r a t e s , i s

u s e d

t o p r o d u c e p r o c e s s

e n e r g y

a n d

e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n . The

s t r e a m

of purge g a s

42

can be d i v i d e d and a

p o r t i o n

46

of h e

g a s

can be used t o

s u p p l y p r o c e s s e n e r g y f o r t h e s y n g a s

g e n e r a t o r a s d e s c r i b e d e a r l i e r . The s e c o n d p o r t i o n 48 and

m a j o r i t y

o f

t h e g a s

i s

d e l i v e r e d

t o

a n

e n g i n e / e n e r a t o r

5 4

i n

t h e p r e f e r r e d e m b o d i m e n t . Methane r i c h

p u r g e

g a s

4 2

may

a l t e r n a t i v e l y be a s o u r c e o f

hydrogen

and

c a r b o n

monoxide

W i t h

f u r t h e r

p r o c e s s i n g

( n o t s h o W n ) .

[ 0 0 7 8 ] I t c a n be s e e n t h a t


c a n be produced by

h e

e l e c t r i c a l g e n e r a t i o n

s u b s y s t e m

5 0

i n

t W o W a y s .

F i r s t ,

e l e c

t r i c i t y

c a n

b e p r o d u c e d

by b u r n i n g g a s

d i r e c t l y a s f u e l i n a

t u r b i n e o r

e n g i n e

54

t h a t

t u r n s g e n e r a t o r s 56 to

p r o d u c e


a s i n

a c o n v e n t i o n a l

n a t u r a l g a s ?red e n e r a t o r .

The

second s o u r c e of l e c t r i c a l p r o d u c t i o n comes

from

steam 58

produced

from

t h e h o t e x h a u s t

g a s e s from

t h e t u r b i n e

o r

engine

5 4 ,

Which can be used to t u r n a steam t u r b i n e genera

t o r . E l e c t r i c i t y

c a n

b e p r o d u c e d by h e Whole

s y s t e m

i n a t h i r d

Way f r o m s t ea m p r o d u c e d

by h e

s y n g a s g e n e r a t o r ,

d e s c r i b e d

J u l . 1 5 , 2 0 1 0

p r e v i o u s l y , t h a t can r i v e a steam u r b i n e

t o

g e n e r a t e e l e c t r i c

i t y f o r t h e s y s t e m o r f o r d i s t r i b u t io n t o t h e m u n i c i p a l poWer

g r i d .

The u l t i p l e s o u r c e s

o f l e c t r i c a l

poWer g e n e r a t i o n

a r e

more e f ? c i e n t f o r

c o n v e r t i n g

t h e

energy

from biomass o r c o a l

t o e l e c t r i c i t y

t h a n

d i r e c t

b u r n i n g

a s

f u e l .

[ 0 0 7 9 ]

A l t e r n a t i v e l y , s t ea m 5 8 p r o d u c e d

b y t h e

e n g i n e 5 4

and t h e

syngas

generator

16 can be combined t o run

one

or

more

t u r b i n e s

f o r e l e c t r i c a l

g e n e r a t i o n

and

h e

e x c e s s

system

steam s o l d

t o c o - l o c a t e d f a c i l i t i e s .

[ 0 0 8 0 ] I n t h e embodiment

shoWn

n F I G . 2 ,

W a s t e

h e a t from

t h e e n g i n e 5 4

i s

u s e d t o p r o d u c e b o t h s t e a m 5 8

and

c h i l l e d

W a t e r

6 0 ( v i a

a n ammonia a b s o r p t i o n

c h i l l e r ) .

C h i l l e d W a t e r

60

and

steam 58 g e n e r a t e d

from

t h e

h e a t s o u r c e s

can be used

f o r

t h e

p r o c e s s

h e a t a n d c h i l l i n g r e q u i r e m e n t s f o r

t h e

s y s t e m

and a r e merchantable

t o

a

l o c a l

c o g e n e r a t i o n

h o s t .

[ 0 0 8 1 ]

A n u t o m a t i c p r o c e s s c o n t r o l l e r s u b s y s t e m 5 2 W i t h

c o n t r o l l e r c o m p u t e r 6 2 a n d m u l t i p l e s y s t e m a n d s u b s y s t e m

s e n s o r s

m o n i t o r

t h e g a s c o m p o s i t i o n

t o

c o n t r o l and

o p t i m i Z e

t h e p r o d u c t i o n

p r o c e s s e s

f r o m

s y n g a s g e n e r a t i o n o

s y n t h e s i s

a n d

l e c t r i c i t y

g e n e r a t i o n .

F o r

e x a m p l e , c o n t i n u o u s

g a s

com

p o s i t i o n

a n d

How

n a l y Z e r s 2 2 ,

6 4 m o n i t o r the g a s a t

m u l t i p l e

p o i n t s i n t h e

s y s t e m ,

p r e f e r a b l y a f t e r t h e

s y n g a s g e n e r a t o r

a n d

b e f o r e

l i q u i d s e p a r a t i o n . T e m p e r a t u r e

a n d

p r e s s u r e s e n so r s

may a l s o be u s e d

t d i f f e r e n t

p o i n t s

i n

t h e

s y s t e m t o c o n t i n u

o u s l y

m o n i t o r r e a c t o r and i n e c o n d i t i o n s .

[ 0 0 8 2 ]

The p r o c e s s c o n t r o l l e r 6 2 c o m p u t e s

t h e

amount o f

r e c y c l e , H2

makeup g a s ,

a n d

o t h e r

o p e r a t i n g

c o n d i t i o n s

t o

o p t i m i Z e

t h e

p e r f o r m a n c e o f

t h e r e a c t o r 2 8 c a t a l y s t a n d t h e

e l e c t r i c i t y g e n e r a t o r 5 4 . T h e

c o m p u t a t i o n s

a r e

p r e f e r a b l y

b a s e d on

c h e m i c a l

thermodynamic

and e n e r g y

models

and

a d v a n c e d

l e a r n i n g

a l g o r i t h m s

( e . g .

n e u r a l n e t w o r k s ) p r o

grammed n t o the c o n t r o l l e r s y s t e m .

[ 0 0 8 3 ] The r o c e s s c o n t r o l l e r s e n d s

c o n t r o l

s i g n a l s t o a u t o

m a t e d

v a l v e s, t h e h y d r o g e n g e n e r a t o r a n d t h e

s y n g a s g e n e r a

t o r t o

a l t e r

o p e r a t i n g c o n d i t i o n s t o

c o n t r o l t h e

g a s composi

t i o n . L i k e W i s e , c o m p r e s s o r s a n d t e m p e r a t u r e c o n t r o l d e v i c e s

and

a s s o c i a t e d

s e n s o r s a r e c o n t r o l l e d by t h e c o n t r o l l e r

com

p u t e r

6 2 t o

m a i n t a i n optimum

r e s s u r e ,

t e m p e r a t u r e

a n d How

r a t e s of

s y n g a s o v e r

t h e c a t a l y s t s i n

t h e

r e a c t o r s 2 8 .

Accord

i n g l y , t h e

c o n t r o l l e r

s u b s y s t e m

5 2

c a n maximiZe t h e

o u t p u t

p r o d u c t i o n

o f


a n d l i q u i d p r o d u c t s a s W e l l a s

t h e

e f ? c i e n c y o f e a c h o f h e

s u b s y s t e m s t h r o u g h m o n i t o r i n g

a n d

c o n t r o l l i n g g a s

p r o d u c t i o n

a n d

r e a c t i o n c o n d i t i o n s .

[ 0 0 8 4 ] I n

u s e , t h e

embodiment

of

I G . 2 p r o v i d es

a

con

t i n u o u s i n p u t a n d o u t p u t s y s t e m t h a t u t i l i Z e s c a r b o n a c e o u s

f u e l a n d p r o d u c e s e l e c t r i c i t y , l i q u i d p r o d u c t s , s t e a m

a n d

c h i l l e d W a t e r . A a r b o n a c e o u s

f u e l

1 8

i s c o n t i n u o u s l y

f e d i n t o

a s y

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Us 20100175320