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特表2023-551605炭素酸化物をオレフィンに変換するための方法及びシステム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-12-08
(54)【発明の名称】炭素酸化物をオレフィンに変換するための方法及びシステム
(51)【国際特許分類】
C07C 2/82 20060101AFI20231201BHJP
C07C 11/04 20060101ALI20231201BHJP
C07C 9/04 20060101ALI20231201BHJP
C07C 1/04 20060101ALI20231201BHJP
C07C 1/12 20060101ALI20231201BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20231201BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20231201BHJP
C25B 1/23 20210101ALI20231201BHJP
【ＦＩ】
C07C2/82
C07C11/04
C07C9/04
C07C1/04
C07C1/12
C25B1/04
C25B9/00 A
C25B9/00 Z
C25B1/23
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023553159
(86)(22)【出願日】2021-11-12
(85)【翻訳文提出日】2023-07-05
(86)【国際出願番号】 US2021059077
(87)【国際公開番号】W WO2022104015
(87)【国際公開日】2022-05-19
(31)【優先権主張番号】63/113,636
(32)【優先日】2020-11-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/223,215
(32)【優先日】2021-07-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523181824
【氏名又は名称】ラマス テクノロジー リミテッド ライアビリティ カンパニー
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100119013
【弁理士】
【氏名又は名称】山崎 一夫
(74)【代理人】
【識別番号】100123777
【弁理士】
【氏名又は名称】市川 さつき
(74)【代理人】
【識別番号】100111796
【弁理士】
【氏名又は名称】服部 博信
(74)【代理人】
【識別番号】100123766
【弁理士】
【氏名又は名称】松田 七重
(72)【発明者】
【氏名】ポドレバラク ゲーリー ジー
(72)【発明者】
【氏名】カテンデ エドワード
(72)【発明者】
【氏名】リウ ツァン
【テーマコード（参考）】
4H006
4K021
【Ｆターム（参考）】
4H006AA02
4H006AC29
4H006BC31
4H006BD84
4H006BE20
4H006BE40
4H006BE41
4K021AA01
4K021AB25
4K021BA02
4K021CA08
4K021DC03
(57)【要約】
炭素酸化物をオレフィンに変換する方法を提供する。方法は、再生可能な水素供給流及び炭素酸化物供給流をメタン生成反応器に導いて、メタンを含む、メタンの酸化カップリング（ＯＣＭ）供給流を生成することを含むことができる。ＯＣＭ供給流と、酸素を含む酸化剤供給流とが、ＯＣＭ触媒を含有するＯＣＭ反応器に導かれて、エチレンを含むＯＣＭ流出物を生成する。炭素酸化物をオレフィンに変換するためのシステムも提供する。方法及びシステムは、エチレンを含むオレフィンをネガティブカーボンエミッションで生産する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
炭素酸化物を、エチレン（Ｃ2Ｈ4）を含むオレフィンに変換する方法であって、（ａ）再生可能な水素（Ｈ2）供給流と、二酸化炭素（ＣＯ2）、一酸化炭素（ＣＯ）又はＣＯ2及びＣＯの両方を含む炭素酸化物供給流とを、メタン生成反応器に導いて、メタン（ＣＨ4）を含む、メタンの酸化カップリング（ＯＣＭ）供給流を生成すること；並びに、
（ｂ）ＯＣＭ供給流と、酸素（Ｏ2）を含む酸化剤供給流とを、ＯＣＭ触媒を含むＯＣＭ反応器に導き、ＯＣＭ反応を実行して、（ｉ）Ｃ2Ｈ4及びエタン（Ｃ2Ｈ6）を含むＣ2+化合物と、（ｉｉ）ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物を生成すること
を含み、
Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンをネガティブカーボンエミッションで生産する、方法。
【請求項2】
再生可能なＨ2供給流が、（ｉ）水の電気分解；（ｉｉ）バイオマスガス化；（ｉｉｉ）アンモニアクラッキング；又は（ｉｖ）硫化水素分解の少なくとも１つにより生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
再生可能なＨ2供給流が、水の電気分解により生成され、水の電気分解が、酸化剤供給流の少なくとも一部分として使用される再生可能なＯ2を生成する、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
ＯＣＭ供給流から水を取り出し、その水を水の電気分解を実行するための電気分解ユニットに導くことを更に含む、請求項３に記載の方法。
【請求項5】
ＯＣＭ流出物を少なくとも（ｉ）ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れと、（ｉｉ）Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離することを更に含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項6】
第１の流れの少なくとも一部分をメタン生成反応器に導くことを更に含む、請求項５に記載の方法。
【請求項7】
ＯＣＭ流出物からＣＯ2を取り出し、取り出したＣＯ2の少なくとも一部分をメタン生成反応器に導くことを更に含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項8】
第２の流れを分離して、Ｃ2Ｈ4を含む第３の流れ及びＣ2Ｈ6を含む第４の流れを生成することを更に含む、請求項５に記載の方法。
【請求項9】
第４の流れをＯＣＭ触媒の下流でポストベッドクラッキングユニットに導くことを更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項10】
ＣＨ4を含むメイクアップ流をＯＣＭ反応器に導くことを更に含み、メイクアップ流中のＣＨ4対炭素酸化物供給流中のＣＯ2のモル比が、０．０１：１～５：１である、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項11】
炭素酸化物供給流が、方法で利用される唯一の炭素源である、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項12】
炭素酸化物供給流が捕捉されたＣＯ2を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項13】
二酸化炭素を、エチレン（Ｃ2Ｈ4）を含むオレフィンに変換する方法であって、（ａ）二酸化炭素（ＣＯ2）を含有する天然ガス流をガス処理ユニットに導いて、ＣＯ2供給流及び実質的にＣＯ2を含まない天然ガス流を生成すること；
（ｂ）再生可能な水素（Ｈ2）供給流及びＣＯ2供給流をメタン生成反応器に導いて、メタン（ＣＨ4）を含む、メタンの酸化カップリング（ＯＣＭ）供給流を生成すること；
及び
（ｃ）ＯＣＭ供給流と、酸素（Ｏ2）を含む酸化剤供給流とを、ＯＣＭ触媒を含むＯＣＭ反応器に導き、ＯＣＭ反応を実行して、（ｉ）Ｃ2Ｈ4及びエタン（Ｃ2Ｈ6）を含むＣ2+化合物と、（ｉｉ）ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物を生成すること、
を含み、
Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンをネガティブカーボンエミッションで生産する、方法。
【請求項14】
再生可能なＨ2供給流が、（ｉ）水の電気分解；（ｉｉ）バイオマスガス化；（ｉｉｉ）アンモニアクラッキング；又は（ｉｖ）硫化水素分解の少なくとも１つにより生成される、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
再生可能なＨ2供給流が、水の電気分解により生成され、水の電気分解が、酸化剤供給流の少なくとも一部分として使用される再生可能なＯ2を生成する、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
ＯＣＭ供給流から水を取り出し、その水を水の電気分解を実行するための電気分解ユニットに導くことを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
ＯＣＭ流出物を少なくとも（ｉ）ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れと、（ｉｉ）Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離することを更に含む、請求項１３～１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項18】
第１の流れの少なくとも一部分をメタン生成反応器に導くことを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
ＯＣＭ流出物からＣＯ2を取り出し、取り出したＣＯ2の少なくとも一部分をメタン生成反応器に導くことを更に含む、請求項１３～１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項20】
第２の流れを分離して、Ｃ2Ｈ4を含む第３の流れ及びＣ2Ｈ6を含む第４の流れを生成することを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項21】
第４の流れをＯＣＭ触媒の下流のポストベッドクラッキングユニットに導くことを更に含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項22】
実質的にＣＯ2を含まない天然ガス流の少なくとも一部分を含むメイクアップ流を、ＯＣＭ反応器に導くことを更に含み、メイクアップ流中のＣＨ4対ＣＯ2供給流中のＣＯ2のモル比が、０．０１：１～５：１である、請求項１３～１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項23】
ＣＯ2供給流が、方法で利用される唯一の炭素源である、請求項１３～１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項24】
捕捉されたＣＯ2源をＣＯ2供給流に加えることを更に含む、請求項１３～１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項25】
炭素酸化物を、エチレン（Ｃ2Ｈ4）を含むオレフィンに変換するためのシステムであって、（ａ）再生可能なＨ2供給流を生成するように構成された、再生可能な水素（Ｈ2）サブシステム；
（ｂ）再生可能なＨ2サブシステムに流体連通されたメタン生成サブシステムであり、再生可能なＨ2供給流と、二酸化炭素（ＣＯ2）、一酸化炭素（ＣＯ）又はＣＯ2及びＣＯの両方を含む炭素酸化物供給流とを受け取り、メタン（ＣＨ4）を含む、メタンの酸化カップリング（ＯＣＭ）供給流を生成するように構成されている、メタン生成サブシステム；
（ｃ）メタン生成サブシステムの下流にあり該メタン生成サブシステムに流体連通されたＯＣＭサブシステムであり、ＯＣＭ供給流と、酸素（Ｏ2）を含む酸化剤供給流とを受け取り、（ｉ）Ｃ2Ｈ4及びエタン（Ｃ2Ｈ6）を含むＣ2+化合物と、（ｉｉ）ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物を生成するように構成されている、ＯＣＭサブシステム；並びに
（ｄ）ＯＣＭサブシステムの下流にあり該ＯＣＭサブシステムに流体連通された分離サブシステムであり、ＯＣＭ流出物を受け取り、ＯＣＭ流出物を少なくとも（ｉ）ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れと、（ｉｉ）Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離するように構成されている、分離サブシステム
を含み、
Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンがネガティブカーボンエミッションで生産されるように作動するように構成されている、システム。
【請求項26】
再生可能なＨ2サブシステムが再生可能なエネルギー源により電力を供給される電気分解ユニットを含み、電気分解ユニットがＯＣＭサブシステム及びメタン生成サブシステムの上流にあり該ＯＣＭサブシステム及びメタン生成サブシステムに流体連通されており、電気分解ユニットが、水を受け取り、その水を再生可能なＨ2及び再生可能なＯ2に変換し、再生可能なＨ2を再生可能なＨ2供給流としてメタン生成サブシステムに導き、再生可能なＯ2を酸化剤供給流の少なくとも一部分としてＯＣＭサブシステムに導くように構成されている、請求項２５に記載のシステム。
【請求項27】
ＯＣＭサブシステム、メタン生成サブシステム及び分離サブシステムに流体連通されたＣＯ2除去ユニットを更に含み、ＣＯ2除去ユニットが、ＯＣＭ流出物からＣＯ2を取り出し、取り出されたＣＯ2の少なくとも一部分をメタン生成サブシステムに導き、実質的にＣＯ2を含まないＯＣＭ流出物を分離サブシステムに導くように構成されている、請求項２５又は請求項２６に記載のシステム。
【請求項28】
分離サブシステムが脱メタンユニット及びＣ2精製ユニットを含み；脱メタンユニットがメタン生成サブシステム及びＣ2精製ユニットに流体連通されており；
脱メタンユニットが、（ｉ）ＯＣＭ流出物を受け取り；（ｉｉ）ＯＣＭ流出物を第１の流れ及び第２の流れに分離し；（ｉｉｉ）第１の流れの少なくとも一部分をメタン生成サブシステムに導き；（ｉｖ）第２の流れをＣ2精製ユニットに導くように構成されており；
Ｃ2精製ユニットが、ＯＣＭサブシステムに流体連通され、第２の流れを受け取り、その第２の流れを少なくともＣ2Ｈ4を含む第３の流れ及びＣ2Ｈ6を含む第４の流れに分離するように構成されている、
請求項２５又は請求項２６に記載のシステム。
【請求項29】
ＯＣＭサブシステムが、（ｉ）ＯＣＭ触媒を含有するＯＣＭ反応器、及び（ｉｉ）ＯＣＭ触媒の下流のポストベッドクラッキング（ＰＢＣ）ユニットを含み、ＰＢＣユニットが第４の流れを受け取り、Ｃ2Ｈ4を生成するように構成されている、請求項２８に記載のシステム。
【請求項30】
炭素酸化物供給流の少なくとも一部分が、捕捉されたＣＯ2源により提供される、請求項２５又は請求項２６に記載のシステム。
【請求項31】
メタン生成サブシステムの上流にあり該メタン生成サブシステムに流体連通されたガス処理ユニットを更に含み、ガス処理ユニットが、（ｉ）ＣＯ2を含有する天然ガス流を受け取り；（ｉｉ）ＣＯ2を天然ガス流から取り出し；（ｉｉｉ）取り出されたＣＯ2を炭素酸化物供給流の少なくとも一部分としてメタン生成サブシステムに導くように構成されている、請求項２５又は請求項２６に記載のシステム。
【請求項32】
二酸化炭素を、エチレン（Ｃ2Ｈ4）を含むオレフィンに変換する方法であって、（ａ）二酸化炭素（ＣＯ2）を含む供給流をＣＯ2電気分解ユニットに導いて、一酸化炭素（ＣＯ）を含む第１の再生可能な電気分解流及び酸素（Ｏ2）を含む第２の再生可能な電気分解流を生成すること；
（ｂ）再生可能な水素（Ｈ2）供給流及び第１の再生可能な電気分解流をメタン生成反応器に導いて、メタン（ＣＨ4）を含む、メタンの酸化カップリング（ＯＣＭ）供給流を生成すること；
（ｃ）ＯＣＭ供給流と、第２の再生可能な電気分解流を含む酸化剤供給流とを、ＯＣＭ触媒を含むＯＣＭ反応器に導き、ＯＣＭ反応を実行して、（ｉ）Ｃ2Ｈ4及びエタン（Ｃ2Ｈ6）を含むＣ2+化合物と、（ｉｉ）ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2、及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物を生成すること、
を含み、
Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンをネガティブカーボンエミッションで生産する、方法。
【請求項33】
再生可能なＨ2供給流が、（ｉ）水の電気分解；（ｉｉ）バイオマスガス化；（ｉｉｉ）アンモニアクラッキング；又は（ｉｖ）硫化水素分解の少なくとも１つにより生成する、請求項３２に記載の方法。
【請求項34】
再生可能なＨ2供給流が、水の電気分解により生成され、水の電気分解が、酸化剤供給流の少なくとも一部分として使用される再生可能なＯ2を生成する、請求項３２に記載の方法。
【請求項35】
ＯＣＭ供給流から水を取り出し、その水を水の電気分解を実行するための水電気分解ユニットに導くことを更に含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項36】
ＯＣＭ流出物からＣＯ2を取り出し、取り出されたＣＯ2の少なくとも一部分をＣＯ2電気分解ユニットに導くことを更に含む、請求項３２～３５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項37】
ＯＣＭ流出物を少なくとも（ｉ）ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れと、（ｉｉ）Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離することを更に含む、請求項３２～３５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項38】
第１の流れの少なくとも一部分をメタン生成反応器に導くことを更に含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項39】
第２の流れを分離して、Ｃ2Ｈ4を含む第３の流れ及びＣ2Ｈ6を含む第４の流れを生成することを更に含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項40】
第４の流れをＯＣＭ触媒の下流のポストベッドクラッキングユニットに導くことを更に含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項41】
メタン（ＣＨ4）を含むメイクアップ流をＯＣＭ反応器に導くことを更に含み、メイクアップ流中のＣＨ4対供給流中のＣＯ2のモル比が、０．０１：１～５：１である、請求項３２～３５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項42】
ＣＯ2を含む供給流が、方法で利用される唯一の炭素源である、請求項３２～３５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項43】
ＣＯ2を含む供給流が捕捉されたＣＯ2を含む、請求項３２～３５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項44】
二酸化炭素を、エチレン（Ｃ2Ｈ4）を含むオレフィンに変換する方法であって、（ａ）二酸化炭素（ＣＯ2）を含む第１の供給流及び水（Ｈ2Ｏ）を含む第２の供給流を共電気分解ユニットに導いて、一酸化炭素（ＣＯ）及び水素（Ｈ2）を含む再生可能な合成ガス流並びに酸素（Ｏ2）を含む再生可能な酸化剤流を生成すること；
（ｂ）再生可能な合成ガス流をメタン生成反応器に導いて、メタン（ＣＨ4）を含む、メタンの酸化カップリング（ＯＣＭ）供給流を生成すること；
（ｃ）ＯＣＭ供給流及び再生可能な酸化剤流を、ＯＣＭ触媒を含むＯＣＭ反応器に導き、ＯＣＭ反応を実行して、（ｉ）Ｃ2Ｈ4及びエタン（Ｃ2Ｈ6）を含むＣ2+化合物と、（ｉｉ）ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物を生成すること、
を含み、
Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンをネガティブカーボンエミッションで生産する、方法。
【請求項45】
ＯＣＭ供給流から水を取り出し、その水を共電気分解ユニットに導くことを更に含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項46】
ＯＣＭ流出物からＣＯ2を取り出し、取り出されたＣＯ2の少なくとも一部分を共電気分解ユニットに導くことを更に含む、請求項４４又は請求項４５に記載の方法。
【請求項47】
ＯＣＭ流出物を少なくとも（ｉ）ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れと、（ｉｉ）Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離することを更に含む、請求項４４又は請求項４５に記載の方法。
【請求項48】
第１の流れの少なくとも一部分をメタン生成反応器に導くことを更に含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項49】
第２の流れを分離して、Ｃ2Ｈ4を含む第３の流れ及びＣ2Ｈ6を含む第４の流れを生成することを更に含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項50】
第４の流れをＯＣＭ触媒の下流のポストベッドクラッキングユニットに導くことを更に含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項51】
メタン（ＣＨ4）を含むメイクアップ流をＯＣＭ反応器に導くことを更に含み、メイクアップ流中のＣＨ4対第１の供給流中のＣＯ2のモル比が、０．０１：１～５：１である、請求項４４又は請求項４５に記載の方法。
【請求項52】
第１の供給流が、方法で利用される唯一の炭素源である、請求項４４又は請求項４５に記載の方法。
【請求項53】
第１の供給流が捕捉されたＣＯ2により提供される、請求項４４又は請求項４５に記載の方法。
【請求項54】
二酸化炭素（ＣＯ2）を、エチレン（Ｃ2Ｈ4）を含むオレフィンに変換するためのシステムであって、（ａ）再生可能なＨ2供給流を生成するように構成された、再生可能な水素（Ｈ2）サブシステム；
（ｂ）ＣＯ2を含む供給流を受け取り、一酸化炭素（ＣＯ）を含む第１の再生可能な電気分解流及び酸素（Ｏ2）を含む第２の再生可能な電気分解流を生成するように構成された、ＣＯ2電気分解ユニット；
（ｃ）再生可能なＨ2サブシステム及びＣＯ2電気分解ユニットに流体連通されたメタン生成サブシステムであり、再生可能なＨ2供給流及び第１の再生可能な電気分解流を受け取り、メタン（ＣＨ4）を含む、メタンの酸化カップリング（ＯＣＭ）供給流を生成するように構成されている、メタン生成サブシステム；
（ｄ）メタン生成サブシステム及びＣＯ2電気分解ユニットの下流にあり該メタン生成サブシステム及びＣＯ2電気分解ユニットに流体連通されたＯＣＭサブシステムであり、ＯＣＭ供給流と、第２の再生可能な電気分解流を含む酸化剤供給流とを受け取り、（ｉ）Ｃ2Ｈ4及びエタン（Ｃ2Ｈ6）を含むＣ2+化合物と、（ｉｉ）ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物を生成するように構成されている、ＯＣＭサブシステム；並びに
（ｅ）ＯＣＭサブシステムの下流にあり該ＯＣＭサブシステムに流体連通された分離サブシステムであり、ＯＣＭ流出物を受け取り、ＯＣＭ流出物を少なくとも（ｉ）ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れと、（ｉｉ）Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離するように構成されている、分離サブシステム
を含み、
Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンがネガティブカーボンエミッションで生産されるように作動するように構成されている、システム。
【請求項55】
再生可能なＨ2サブシステムが再生可能なエネルギー源により電力を供給される電気分解ユニットを含み、電気分解ユニットがＯＣＭサブシステム及びメタン生成サブシステムの上流にあり該ＯＣＭサブシステム及びメタン生成サブシステムに流体連通されており、電気分解ユニットが、水を受け取り、その水を再生可能なＨ2及び再生可能なＯ2に変換し、再生可能なＨ2を再生可能なＨ2供給流としてメタン生成サブシステムに導き、再生可能なＯ2を酸化剤供給流の少なくとも一部分としてＯＣＭサブシステムに導くように構成されている、請求項５４に記載のシステム。
【請求項56】
ＯＣＭサブシステム、ＣＯ2電気分解ユニット及び分離サブシステムに流体連通されたＣＯ2除去ユニットを更に含み、ＣＯ2除去ユニットが、ＯＣＭ流出物からＣＯ2を取り出し、取り出されたＣＯ2の少なくとも一部分をＣＯ2電気分解ユニットに導き、実質的にＣＯ2を含まないＯＣＭ流出物を分離サブシステムに導くように構成されている、請求項５４又は請求項５５に記載のシステム。
【請求項57】
二酸化炭素（ＣＯ2）を、エチレン（Ｃ2Ｈ4）を含むオレフィンに変換するためのシステムであって、（ａ）ＣＯ2を含む第１の供給流及び水（Ｈ2Ｏ）を含む第２の供給流を受け取り、一酸化炭素（ＣＯ）及び水素（Ｈ2）を含む再生可能な合成ガス流並びに酸素（Ｏ2）を含む再生可能な酸化剤流を生成するように構成された、共電気分解ユニット；
（ｂ）共電気分解ユニットと流体連通されたメタン生成サブシステムであり、再生可能な合成ガス流を受け取り、メタン（ＣＨ4）を含む、メタンの酸化カップリング（ＯＣＭ）供給流を生成するように構成されている、メタン生成サブシステム；
（ｃ）メタン生成サブシステム及び共電気分解ユニットの下流にあり該メタン生成サブシステム及び共電気分解ユニットに流体連通されたＯＣＭサブシステムであり、ＯＣＭ供給流及び再生可能な酸化剤流を受け取り、（ｉ）Ｃ2Ｈ4及びエタン（Ｃ2Ｈ6）を含むＣ2+化合物と、（ｉｉ）ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物を生成するように構成されている、ＯＣＭサブシステム；並びに
（ｄ）ＯＣＭサブシステムの下流にあり該ＯＣＭサブシステムに流体連通された分離サブシステムであり、ＯＣＭ流出物を受け取り、ＯＣＭ流出物を少なくとも（ｉ）ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れと、（ｉｉ）Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離するように構成されている、分離サブシステム
を含み、
Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンがネガティブカーボンエミッションで生産されるように作動するように構成されている、システム。
【請求項58】
ＯＣＭサブシステム、共電気分解ユニット及び分離サブシステムに流体連通されたＣＯ2除去ユニットを更に含み、ＣＯ2除去ユニットが、ＯＣＭ流出物からＣＯ2を取り出し、取り出されたＣＯ2の少なくとも一部分を共電気分解ユニットに導き、実質的にＣＯ2を含まないＯＣＭ流出物を分離サブシステムに導くように構成されている、請求項５７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
この出願は２０２０年１１月１３日出願の米国仮特許出願第６３／１１３，６３６号、及び２０２１年７月１９日出願の米国仮特許出願第６３／２２３，２１５号に基づく優先権及び利益を主張し、それらの全体の内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は炭素酸化物をオレフィンに変換するための方法及びシステムに関する。より詳細には、本開示は炭素酸化物をネガティブカーボンエミッション（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｃａｒｂｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）でエチレンに変換するための方法及びシステムに関する。
この出願は２０２０年１１月１３日出願の米国仮特許出願第６３／１１３，６３６号、及び２０２１年７月１９日出願の米国仮特許出願第６３／２２３，２１５号に基づく優先権及び利益を主張し、それらの全体の内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は炭素酸化物をオレフィンに変換するための方法及びシステムに関する。より詳細には、本開示は炭素酸化物をネガティブカーボンエミッション（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｃａｒｂｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）でエチレンに変換するための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
オレフィンの生産は一般に非常に大量の二酸化炭素（ＣＯ2）の大気中への放出を引き起こす。実際、オレフィンを生産するための飽和炭化水素の水蒸気クラッキングは、化学工業で最もエネルギーを消費するプロセスの１つである。１トンのオレフィン（即ち、エチレンとプロピレンの混合物）の生産では、ほぼ１トンのＣＯ2が排出されることになると報告されている。世界中で、温室効果ガスの排出を低減するために、より詳細にはＣＯ2の排出を低減するために、プレッシャーが高まっている。
ＣＯ2からエチレン（Ｃ2Ｈ4）を生産する幾つかの方法が提案されている。１つの方法において、第１のステップはサバティエ（Ｓａｂａｔｉｅｒ）メタン生成反応を使用してＣＯ2をメタン（ＣＨ4）に変換することである。次のステップはＣＨ4を水蒸気改質して合成ガス（即ち、ＣＯ及びＨ2）を生産することである。続くステップでは、合成ガスを使用してメタノール（ＣＨ3ＯＨ）を生産する。最後に、ＣＨ3ＯＨがゼオライト触媒を用いて軽質オレフィン（例えば、Ｃ2Ｈ4）及び水に変換される。このＣ2Ｈ4を生産する特定の方法は多くのステップを含み、プロセスを実行するためにかかるプラントを建設するには法外な費用がかかることになる。この特定の方法に関する別の問題は、メタン生成に使用される水素（Ｈ2）の起源に関連する。メタンの水蒸気改質がＨ2の主要な起源であるので、この特定の方法は消費するよりも多くのＣＯ2を生産する。
ＣＯ2からエチレン（Ｃ2Ｈ4）を生産する幾つかの方法が提案されている。１つの方法において、第１のステップはサバティエ（Ｓａｂａｔｉｅｒ）メタン生成反応を使用してＣＯ2をメタン（ＣＨ4）に変換することである。次のステップはＣＨ4を水蒸気改質して合成ガス（即ち、ＣＯ及びＨ2）を生産することである。続くステップでは、合成ガスを使用してメタノール（ＣＨ3ＯＨ）を生産する。最後に、ＣＨ3ＯＨがゼオライト触媒を用いて軽質オレフィン（例えば、Ｃ2Ｈ4）及び水に変換される。このＣ2Ｈ4を生産する特定の方法は多くのステップを含み、プロセスを実行するためにかかるプラントを建設するには法外な費用がかかることになる。この特定の方法に関する別の問題は、メタン生成に使用される水素（Ｈ2）の起源に関連する。メタンの水蒸気改質がＨ2の主要な起源であるので、この特定の方法は消費するよりも多くのＣＯ2を生産する。
【0003】
ＣＯ2からＣ2Ｈ4を生産する別の方法では、メタノール合成反応及び同じ反応器で合成されたＣＨ3ＯＨからオレフィンへの変換を実行し、水蒸気改質ステップを迂回し、プラントのコストを低減する（Gao et al., Catalysis Science and Technology (2017), Vol. 23, 5602-5607）。この方法は、ＣＯ2及びＨ2を直接ＣＨ3ＯＨに変換するメタノール合成触媒を反応器の上部の触媒床で使用し、メタノールからオレフィンへの触媒（例えば、ＳＡＰＯ－３４）を反応器の下部の触媒床で使用して、ＣＨ3ＯＨを軽質オレフィン及び水に変換することを含む。
更に、ＣＯ2をＣ2Ｈ4に変換するための電気化学技術が提案されている（Qin et al., Int. J. Electrochem. Sci. (2018), Vol. 13, 10101-10112参照）。別の電気化学技術は炭素、銅及び窒素から作成された触媒を用いたＣＯ2のエタノールへの変換を含む（https://www.energy.gov/articles/scientists-accidentally-turned-co2-ethanol）。エタノールはその後脱水反応によってＣ2Ｈ4に変換することができる。
熱化学サイクルもＣＯ2を有用な製品に変換する方法として提案されている。米国特許第９，４６４，０１０号は、銅－塩素（Ｃｕ－Ｃｌ）熱化学サイクルの使用を、ＣＯ2を捕捉し有用な製品に変換するのに必要とされるＨ2を生成する方法として開示している。
ＣＯ2をオレフィンに変換するために幾つかのプロセスが提案されて来ているが、これらのプロセスは一般に実用的であるには費用がかかり過ぎるか又は長年の間商業化されていない。更に、これらのプロセスの幾つかは消費するよりも多くのＣＯ2を発生するが、中間体としてＣＨ3ＯＨを含む幾つかのプロセスは生産されるＯ2を利用しない。
更に、ＣＯ2をＣ2Ｈ4に変換するための電気化学技術が提案されている（Qin et al., Int. J. Electrochem. Sci. (2018), Vol. 13, 10101-10112参照）。別の電気化学技術は炭素、銅及び窒素から作成された触媒を用いたＣＯ2のエタノールへの変換を含む（https://www.energy.gov/articles/scientists-accidentally-turned-co2-ethanol）。エタノールはその後脱水反応によってＣ2Ｈ4に変換することができる。
熱化学サイクルもＣＯ2を有用な製品に変換する方法として提案されている。米国特許第９，４６４，０１０号は、銅－塩素（Ｃｕ－Ｃｌ）熱化学サイクルの使用を、ＣＯ2を捕捉し有用な製品に変換するのに必要とされるＨ2を生成する方法として開示している。
ＣＯ2をオレフィンに変換するために幾つかのプロセスが提案されて来ているが、これらのプロセスは一般に実用的であるには費用がかかり過ぎるか又は長年の間商業化されていない。更に、これらのプロセスの幾つかは消費するよりも多くのＣＯ2を発生するが、中間体としてＣＨ3ＯＨを含む幾つかのプロセスは生産されるＯ2を利用しない。
【発明の概要】
【0004】
本明細書には、再生可能な水素を利用し、温室効果ガスの排出を低減する、炭素酸化物をオレフィン、特にエチレンに変換するための方法及びシステムが開示される。加えて、炭素酸化物をオレフィンに変換する方法及びシステムは、高い炭素利用率（ｃａｒｂｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を有し、且つネガティブカーボンエミッションを達成する。
本開示の発明に従って、炭素酸化物を、エチレン（Ｃ2Ｈ4）を含むオレフィンに変換する方法が提供される。方法は、再生可能な水素（Ｈ2）供給流と、二酸化炭素（ＣＯ2）、一酸化炭素（ＣＯ）又はＣＯ2及びＣＯの両方を含む炭素酸化物供給流とをメタン生成反応器に導いて、メタン（ＣＨ4）を含む、メタン（ＯＣＭ）供給流の酸化カップリングを起こさせることを含む。ＯＣＭ供給流と、酸素（Ｏ2）を含む酸化剤供給流とが、ＯＣＭ触媒を含むＯＣＭ反応器に導かれる。ＯＣＭ反応が行われて、（ｉ）Ｃ2Ｈ4及びエタン（Ｃ2Ｈ6）を含むＣ2+化合物と、（ｉｉ）ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物を生成する。方法は、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンをネガティブカーボンエミッションで生産する。
本開示の発明に従って、ＣＯ2を、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンに変換する方法が提供される。方法は、ＣＯ2を含有する天然ガス流をガス処理ユニットに導いて、ＣＯ2供給流及び実質的にＣＯ2を含まない天然ガス流を生成することを含む。ＣＯ2供給流及び再生可能なＨ2供給流をメタン生成反応器に導いて、ＣＨ4を含むＯＣＭ供給流を生成する。ＯＣＭ供給流と、酸素Ｏ2を含む酸化剤供給流とが、ＯＣＭ触媒を含むＯＣＭ反応器に導かれる。ＯＣＭ反応が行われて、（ｉ）Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物と、（ｉｉ）ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物を生成する。方法は、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンをネガティブカーボンエミッションで生産する。
本開示の発明に従って、炭素酸化物を、エチレン（Ｃ2Ｈ4）を含むオレフィンに変換する方法が提供される。方法は、再生可能な水素（Ｈ2）供給流と、二酸化炭素（ＣＯ2）、一酸化炭素（ＣＯ）又はＣＯ2及びＣＯの両方を含む炭素酸化物供給流とをメタン生成反応器に導いて、メタン（ＣＨ4）を含む、メタン（ＯＣＭ）供給流の酸化カップリングを起こさせることを含む。ＯＣＭ供給流と、酸素（Ｏ2）を含む酸化剤供給流とが、ＯＣＭ触媒を含むＯＣＭ反応器に導かれる。ＯＣＭ反応が行われて、（ｉ）Ｃ2Ｈ4及びエタン（Ｃ2Ｈ6）を含むＣ2+化合物と、（ｉｉ）ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物を生成する。方法は、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンをネガティブカーボンエミッションで生産する。
本開示の発明に従って、ＣＯ2を、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンに変換する方法が提供される。方法は、ＣＯ2を含有する天然ガス流をガス処理ユニットに導いて、ＣＯ2供給流及び実質的にＣＯ2を含まない天然ガス流を生成することを含む。ＣＯ2供給流及び再生可能なＨ2供給流をメタン生成反応器に導いて、ＣＨ4を含むＯＣＭ供給流を生成する。ＯＣＭ供給流と、酸素Ｏ2を含む酸化剤供給流とが、ＯＣＭ触媒を含むＯＣＭ反応器に導かれる。ＯＣＭ反応が行われて、（ｉ）Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物と、（ｉｉ）ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物を生成する。方法は、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンをネガティブカーボンエミッションで生産する。
【0005】
本開示の発明に従って、炭素酸化物を、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンに変換するためのシステムが提供される。システムは、再生可能なＨ2供給流を生成するように構成された、再生可能な水素（Ｈ2）サブシステムを含む。メタン生成サブシステムが再生可能なＨ2サブシステムの下流に配置され、そこに流体連通されている。このメタン生成サブシステムは、再生可能なＨ2供給流と、ＣＯ2、ＣＯ又はＣＯ2及びＣＯの両方を含む炭素酸化物供給流とを受け取り、メタンＣＨ4を含むＯＣＭ供給流を生成するように構成されている。ＯＣＭサブシステムがメタン生成サブシステムの下流に配置され、そこに流体連通されている。このＯＣＭサブシステムは、ＯＣＭ供給流と、Ｏ2を含む酸化剤供給流とを受け取り、（ｉ）Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物と、（ｉｉ）ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物を生成するように構成されている。システムはまた、ＯＣＭサブシステムの下流でそこに流体連通された分離サブシステムも含む。この分離サブシステムは、ＯＣＭ流出物を受け取り、ＯＣＭ流出物を少なくとも（ｉ）ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れと、（ｉｉ）Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離するように構成されている。システムは、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンがネガティブカーボンエミッションで生産されるように作動するように構成されている。
【0006】
本開示の発明に従って、ＣＯ2を、エチレン（Ｃ2Ｈ4）を含むオレフィンに変換する方法が提供される。方法は、ＣＯ2を含む供給流をＣＯ2電気分解ユニットに導いて、ＣＯを含む第１の再生可能な電気分解流及びＯ2を含む第２の再生可能な電気分解流を生成することを含む。再生可能なＨ2供給流及び第１の再生可能な電気分解流をメタン生成反応器に導いて、ＣＨ4を含むＯＣＭ供給流を生成する。ＯＣＭ供給流と、第２の再生可能な電気分解流を含む酸化剤供給流とを、ＯＣＭ触媒を含むＯＣＭ反応器に導く。ＯＣＭ反応を行って、（ｉ）Ｃ2Ｈ4及びエタン（Ｃ2Ｈ6）を含むＣ2+化合物と、（ｉｉ）ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物を生成する。方法は、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンをネガティブカーボンエミッションで生産する。
【0007】
本開示の発明に従って、ＣＯ2を、エチレン（Ｃ2Ｈ4）を含むオレフィンに変換する方法が提供される。方法は、ＣＯ2を含む第１の供給流及び水（Ｈ2Ｏ）を含む第２の供給流を共電気分解ユニットに導いて、ＣＯ及びＨ2を含む再生可能な合成ガス流並びにＯ2を含む再生可能な酸化剤流を生成することを含む。再生可能な合成ガス流をメタン生成反応器に導いて、ＣＨ4を含むＯＣＭ供給流を生成する。ＯＣＭ供給流及び再生可能な酸化剤流を、ＯＣＭ触媒を含むＯＣＭ反応器に導く。ＯＣＭ反応を行って、（ｉ）Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物と、（ｉｉ）ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物を生成する。方法は、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンをネガティブカーボンエミッションで生産する。
【0008】
本開示の発明に従って、ＣＯ2を、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンに変換するためのシステムが提供される。システムは、再生可能なＨ2供給流を生成するように構成された、再生可能な水素（Ｈ2）サブシステム、並びに、ＣＯ2を含む供給流を受け取り、ＣＯを含む第１の再生可能な電気分解流及びＯ2を含む第２の再生可能な電気分解流を生成するように構成されたＣＯ2電気分解ユニットを含む。メタン生成サブシステムが再生可能なＨ2サブシステム及びＣＯ2電気分解ユニットの下流に配置され、それらに流体連通されている。メタン生成サブシステムは、再生可能なＨ2供給流及び第１の再生可能な電気分解流を受け取り、メタンＣＨ4を含むＯＣＭ供給流を生成するように構成されている。ＯＣＭサブシステムがメタン生成サブシステム及びＣＯ2電気分解ユニットの下流に配置され、それらに流体連通されている。ＯＣＭサブシステムは、ＯＣＭ供給流と、第２の再生可能な酸化剤流を含む酸化剤供給流とを受け取り、（ｉ）Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物と、（ｉｉ）ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物を生成するように構成されている。システムはまた、ＯＣＭサブシステムの下流にそれと流体連通された分離サブシステムも含む。分離サブシステムは、ＯＣＭ流出物を受け取り、ＯＣＭ流出物を少なくとも（ｉ）ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れと、（ｉｉ）Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離するように構成されている。システムは、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンがネガティブカーボンエミッションで生産されるように作動するように構成されている。
【0009】
本開示の発明に従って、ＣＯ2を、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンに変換するためのシステムが提供される。システムは、ＣＯ2を含む第１の供給流及び第２の供給流Ｈ2Ｏを受け取り、ＣＯ及びＨ2を含む再生可能な合成ガス流並びにＯ2を含む再生可能な酸化剤流を生成するように構成された、共電気分解ユニットを含む。メタン生成サブシステムが共電気分解ユニットの下流に配置され、それに流体連通されている。メタン生成サブシステムは、再生可能な合成ガス流を受け取り、メタンＣＨ4を含むＯＣＭ供給流を生成するように構成されている。ＯＣＭサブシステムがメタン生成サブシステム及び共電気分解ユニットの下流に配置され、それらに流体連通されている。ＯＣＭサブシステムは、ＯＣＭ供給流及び再生可能な酸化剤流を受け取り、（ｉ）Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物と、（ｉｉ）ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物を生成するように構成されている。システムはまた、ＯＣＭサブシステムの下流に流体連通された分離サブシステムも含む。分離サブシステムは、ＯＣＭ流出物を受け取り、ＯＣＭ流出物を少なくとも（ｉ）ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れと、（ｉｉ）Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離するように構成されている。システムは、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンがネガティブカーボンエミッションで生産されるように作動するように構成されている。
本開示のその他の態様及び利点は次の記載から明らかとなる。
本開示のその他の態様及び利点は次の記載から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
本明細書には、炭素酸化物をオレフィンに変換するための方法及びシステムが記載されている。本開示の発明に従って、炭素酸化物供給流が、エチレン（Ｃ2Ｈ4）を含むオレフィンを生産するために、再生可能な水素（Ｈ2）供給流と、酸素（Ｏ2）を含む酸化剤供給流と共に、プロセス又はシステムに供給される主要な又は唯一の炭素源である。オレフィンはメタンの酸化カップリング（ＯＣＭ）反応によって生産される。本開示の発明に従って、炭素酸化物をオレフィンに変換するための方法及びシステムは、（ｉ）オレフィンの生産に伴う温室効果ガスの排出を低減又は除外することができ；（ｉｉ）高い炭素利用率（即ち、９０％より高い）で作動することができ；及び／又は（ｉｉｉ）ネガティブカーボンエミッションでオレフィンを生産することができる。
用語「ＯＣＭ反応」は、本明細書で使用されるとき、エチレン（Ｃ2Ｈ4）を生成するメタンの酸化カップリング反応又はプロセスを一般に指す。ＯＣＭ反応はメタンの炭化水素及び水への酸化を含むことができ、発熱反応を含み得る。ＯＣＭ反応において、メタンは部分的にエチレンのような１種又は複数種のＣ2+化合物に酸化されることができる。一例において、ＯＣＭ反応は２ＣＨ4＋Ｏ2→Ｃ2Ｈ4＋２Ｈ2Ｏである。ＯＣＭ反応はＣ2+化合物を生成することができる。ＯＣＭ反応は不均一系触媒のようなＯＣＭ触媒により促進することができる。ＯＣＭ反応の付加的な副産物はＣＯ、ＣＯ2及びＨ2を含むことができる。エタンも、ＯＣＭ反応においてＯＣＭ触媒によって反応してエチレンを形成することができる。
用語「ＯＣＭ反応」は、本明細書で使用されるとき、エチレン（Ｃ2Ｈ4）を生成するメタンの酸化カップリング反応又はプロセスを一般に指す。ＯＣＭ反応はメタンの炭化水素及び水への酸化を含むことができ、発熱反応を含み得る。ＯＣＭ反応において、メタンは部分的にエチレンのような１種又は複数種のＣ2+化合物に酸化されることができる。一例において、ＯＣＭ反応は２ＣＨ4＋Ｏ2→Ｃ2Ｈ4＋２Ｈ2Ｏである。ＯＣＭ反応はＣ2+化合物を生成することができる。ＯＣＭ反応は不均一系触媒のようなＯＣＭ触媒により促進することができる。ＯＣＭ反応の付加的な副産物はＣＯ、ＣＯ2及びＨ2を含むことができる。エタンも、ＯＣＭ反応においてＯＣＭ触媒によって反応してエチレンを形成することができる。
【0012】
用語「Ｃ2+」及び「Ｃ2+化合物」は、本明細書で使用されるとき、一般に２個以上の炭素原子を含む化合物、例えば、Ｃ2、Ｃ3等を指す。Ｃ2+化合物は、限定するものではないが、２個以上の炭素原子を含有するアルカン、アルケン、アルキン、アルデヒド、ケトン、芳香族化合物 エステル、及びカルボン酸を含む。Ｃ2+化合物の例にはエタン、エチレン、エチン、プロパン、プロピレン、プロピンなどがある。同様に、用語「Ｃ3+」及び「Ｃ3+化合物」は、本明細書で使用されるとき、一般に３個以上の炭素原子を含む化合物、例えば、Ｃ3、Ｃ4、Ｃ5等を指す。Ｃ3+化合物は、限定するものではないが、２個以上の炭素原子を含有するアルカン、アルケン、アルキン、アルデヒド、ケトン、芳香族化合物 エステル、及びカルボン酸を含む。Ｃ3+化合物の例にはプロパン、プロピレン、プロピン、ブタン、ブテンなどがある。
用語「非Ｃ2+不純物」は、本明細書で使用されるとき、一般にＣ2+化合物を含まない物質を指す。あるＯＣＭ反応生成物流に見出され得る非Ｃ2+不純物の例には、限定されるものではないが、窒素（Ｎ2）、酸素（Ｏ2）、水（Ｈ2Ｏ）、アルゴン（Ａｒ）、水素（Ｈ2） 一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、及びメタン（ＣＨ4）がある。
用語「非Ｃ2+不純物」は、本明細書で使用されるとき、一般にＣ2+化合物を含まない物質を指す。あるＯＣＭ反応生成物流に見出され得る非Ｃ2+不純物の例には、限定されるものではないが、窒素（Ｎ2）、酸素（Ｏ2）、水（Ｈ2Ｏ）、アルゴン（Ａｒ）、水素（Ｈ2） 一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、及びメタン（ＣＨ4）がある。
【0013】
用語「炭素利用率」は、本明細書で使用されるとき、一般に、全てのプロセス投入流（場合によって、例えば天然ガス及びエタン及び燃料流などの全ての炭化水素供給原材料を含む）中に存在する炭素のモル数対プロセスの全ての商業的に（又は工業的に）使用可能な又は市場性のある生成物中に存在する炭素のモル数の比率を指す。かかる生成物は石油化学のような様々な下流用途又はコモディティーケミカルとしての使用に用いることができる炭化水素を含むことができる。かかる生成物はＣＯ及びＣＯ2を除外することができる。プロセスの生成物は、少なくとも約９９％のＣ2+炭化水素を含有するＣ2+炭化水素生成物及び少なくとも約９０％のメタンを含有する全てのセールスガス（ｓａｌｅｓ ｇａｓ）又はパイプラインガス生成物のような市場性のある生成物であることができる。プロセス投入流は、プロセスの作動のためのパワーを提供する投入流を含むことができる。場合によって、プロセスの作動のためのパワーの少なくとも一部分は、ＯＣＭ反応により解放された熱により提供することができる。
用語「ＣＯx」は、本明細書で使用されるとき、一酸化炭素（ｘ＝１）、二酸化炭素（ｘ＝２）、又は一酸化炭素及び二酸化炭素の両方を指す。
用語「ＣＯx」は、本明細書で使用されるとき、一酸化炭素（ｘ＝１）、二酸化炭素（ｘ＝２）、又は一酸化炭素及び二酸化炭素の両方を指す。
【0014】
用語「ユニット」は、本明細書で使用されるとき、一般に単位作動を指す。単位作動はプロセスにおける１つ又は複数の基本作動であり得る。ユニットは１つ又は複数のサブユニット（又はサブシステム）を有し得る。単位作動は分離、結晶化、蒸発、ろ過、重合、異性化、その他の反応、又はこれらの組合せのような物理的変化又は化学的変転を含み得る。ユニットは１つ又は複数の個々の構成要素を含み得る。例えば、分離ユニットは１つ又は複数の分離カラムを含み得、又はアミンユニットは１つ又は複数のアミンカラムを含み得る。
用語「オレフィン」及び「アルケン」は本明細書で同義に使用されており、一般に、１つ又は複数の二重結合を含有する炭化水素を指す。
用語「オレフィン」及び「アルケン」は本明細書で同義に使用されており、一般に、１つ又は複数の二重結合を含有する炭化水素を指す。
【0015】
用語「断熱」又は「断熱プロセス」は、一般に、周囲への実質的な熱損失を伴うことなくガスの圧力が増大させられ得るプロセスを指す。断熱ユニット又は要素は、ユニット又は要素間の熱伝達が少ない或いは無いこと、例えば、（例えば、ユニットからの全熱入力及び熱出力により測定して）１５％、１０％、５％、４％、３％、２％、又は１％未満の熱伝達を可能にし得る。
用語「実質的にＣＯ2を含まない」は、本明細書で使用されるとき、一般に、０．５％未満、０．２５％未満、０．１％未満、０．０５％未満を含めて、更には０％も含めて、１％未満のＣＯ2モルパーセンテージを指す。
用語「実質的にＣＯ2を含まない」は、本明細書で使用されるとき、一般に、０．５％未満、０．２５％未満、０．１％未満、０．０５％未満を含めて、更には０％も含めて、１％未満のＣＯ2モルパーセンテージを指す。
【0016】
本発明に従って、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンが、再生可能なＨ2供給流と、Ｏ2を含む酸化剤供給流と共にプロセス又はシステムに供給される主要又は唯一の炭素源として炭素酸化物供給流を利用する方法及びシステムによって生産することができるということが発見された。本明細書に開示されている方法及びシステムはまた、メタン生成反応及びメタンの酸化カップリング（ＯＣＭ）反応も利用してオレフィンを生産する。本開示の方法及びシステムは、公知のＯＣＭ方法及びシステムと比べて、温室効果ガスの排出（例えばＣＯ2）の低減又は除外、高い炭素利用率で作動する能力、及びＣ2Ｈ4を含むオレフィンをネガティブカーボンエミッションで生産する能力を含めて、幾つかの利点を有する。
ここで図面を参照して本開示の方法及びシステムを更に説明する。図面及びその中の特徴は必ずしも一定の縮尺で描かれていないことが了解されよう。図面において、ユニット間の流体流の方向は矢印により示されている。流体はバルブ及び流体流システムを用いて１つのユニットからもう１つ別のユニットに導かれ得る。当業者には分かるように、かかる流体流システムは、圧縮器及び／又はポンプ、並びに流体流を調節するためのコントロールシステムを含み得る。
ここで図面を参照して本開示の方法及びシステムを更に説明する。図面及びその中の特徴は必ずしも一定の縮尺で描かれていないことが了解されよう。図面において、ユニット間の流体流の方向は矢印により示されている。流体はバルブ及び流体流システムを用いて１つのユニットからもう１つ別のユニットに導かれ得る。当業者には分かるように、かかる流体流システムは、圧縮器及び／又はポンプ、並びに流体流を調節するためのコントロールシステムを含み得る。
【0017】
ここで図１を参照すると、本発明に従って、炭素酸化物を、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンに変換する方法を実行するためのシステム１００のブロックフロー図が示されている。システム１００は、メタン生成サブシステム１０１、再生可能なＨ2サブシステム１０２、及びＯＣＭサブシステム１０３を含む。メタン生成サブシステム１０１は、再生可能なＨ2サブシステム１０２に流体連通されており、炭素酸化物供給流１０４及び再生可能なＨ2サブシステム１０２により生成した再生可能なＨ2供給流１０６を受け取って、ＣＨ4を含むＯＣＭ供給流１０７を生成するように構成されている。ＯＣＭサブシステム１０３は、メタン生成サブシステム１０１の下流にあり、そこに流体連通され、ＯＣＭ供給流１０７及びＯ2を含む酸化剤供給流１０８を受け取って、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物と、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物１０９を生成するように構成されている。
【0018】
メタン生成サブシステム１０１は、メタン生成反応を実行するためのメタン生成触媒（例えば、ニッケルをベースとする触媒）を含有する１つ又は複数のメタン生成反応器を含むことができる。メタン生成反応器の典型的な作動条件は約３バール～約５０バールの圧力及び約１５０℃～約４００℃の温度であることができる。メタン生成サブシステム１０１において、炭素酸化物供給流１０４中の炭素酸化物（例えば、ＣＯ2、ＣＯ、又は両方）は、再生可能なＨ2供給流１０６からのＨ2と反応して、反応ｉ）ＣＯ2＋４Ｈ2→ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ及びｉｉ）ＣＯ＋３Ｈ2→ＣＨ4＋Ｈ2Ｏを介してＣＨ4を生成する。メタン生成サブシステム１０１で生成したＣＨ4は、ＯＣＭ供給流１０７としてＯＣＭサブシステム１０３に導かれる。
本開示の方法及びシステムによると、炭素酸化物供給流１０４は、ＣＯ2、ＣＯ、又はＣＯ2及びＣＯの両方を含む。本開示の方法及びシステムによると、炭素酸化物供給流１０４は、システム１００又はプロセスに供給される主要又は唯一の炭素源である。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、炭素酸化物供給流１０４は捕捉されたＣＯ2を含む。捕捉されたＣＯ2は、限定されないが、鋼／金属生産設備、セメント生産設備、石炭燃焼発電プラント、石炭ガス化、及びバイオマスガス化を含む産業設備から捕捉されたＣＯ2であり得る。捕捉されたＣＯ2はまた、幾らかの量のＣＯも含み得る。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、炭素酸化物供給流１０４は、ＣＯ2を含有する天然ガス流からＣＯ2を取り出すことにより生成したＣＯ2供給流を含む。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、炭素酸化物供給流１０４は、幾らかの量のＣＯを含み得る捕捉されたＣＯ2（例えば、産業設備から捕捉されたＣＯ2）、及びＣＯ2を含有する天然ガス流からＣＯ2を取り出すことにより生成されたＣＯ2を含む。
本開示の方法及びシステムによると、炭素酸化物供給流１０４は、ＣＯ2、ＣＯ、又はＣＯ2及びＣＯの両方を含む。本開示の方法及びシステムによると、炭素酸化物供給流１０４は、システム１００又はプロセスに供給される主要又は唯一の炭素源である。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、炭素酸化物供給流１０４は捕捉されたＣＯ2を含む。捕捉されたＣＯ2は、限定されないが、鋼／金属生産設備、セメント生産設備、石炭燃焼発電プラント、石炭ガス化、及びバイオマスガス化を含む産業設備から捕捉されたＣＯ2であり得る。捕捉されたＣＯ2はまた、幾らかの量のＣＯも含み得る。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、炭素酸化物供給流１０４は、ＣＯ2を含有する天然ガス流からＣＯ2を取り出すことにより生成したＣＯ2供給流を含む。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、炭素酸化物供給流１０４は、幾らかの量のＣＯを含み得る捕捉されたＣＯ2（例えば、産業設備から捕捉されたＣＯ2）、及びＣＯ2を含有する天然ガス流からＣＯ2を取り出すことにより生成されたＣＯ2を含む。
【0019】
メタン生成サブシステム１０１に導かれる再生可能なＨ2供給流１０６は、再生可能なＨ2サブシステム１０２により生成する。本開示の方法及びシステムによると、再生可能なＨ2サブシステム１０２は、再生可能なＨ2を生成するための１つ又は複数の技術に基づき得る。かかる技術には、限定されるものではないが、水の電気分解、バイオマスガス化、アンモニアクラッキング、及び硫化水素分解がある。再生可能なＨ2供給流１０６を生成するために再生可能なＨ2サブシステム１０２に動力を供給するのに必要とされるエネルギーは、１種又は複数種の再生可能なエネルギー源により提供され得る。本開示の方法及びシステムに従って使用し得る代表的な再生可能なエネルギー源には、限定されるものではないが、風力、太陽、バイオマス、地熱、水力発電、及び原子力がある。
図１で分かるように、Ｈ2担体流１０５は、再生可能なＨ2サブシステム１０２に導かれて再生可能なＨ2供給流１０６を生成し、この供給流１０６はメタン生成サブシステム１０１に導かれる。本開示の方法及びシステムによると、Ｈ2担体流１０５はＨ2担体を含む。Ｈ2担体は、処理されて（例えば、反応されて、分解されて）Ｈ2ガスを生成することができるあらゆる化合物又は物質であり得る。本開示の方法及びシステムでの使用に適したＨ2担体の例には、限定されるものではないが、水、バイオマス、アンモニア、及び硫化水素がある。
図１で分かるように、Ｈ2担体流１０５は、再生可能なＨ2サブシステム１０２に導かれて再生可能なＨ2供給流１０６を生成し、この供給流１０６はメタン生成サブシステム１０１に導かれる。本開示の方法及びシステムによると、Ｈ2担体流１０５はＨ2担体を含む。Ｈ2担体は、処理されて（例えば、反応されて、分解されて）Ｈ2ガスを生成することができるあらゆる化合物又は物質であり得る。本開示の方法及びシステムでの使用に適したＨ2担体の例には、限定されるものではないが、水、バイオマス、アンモニア、及び硫化水素がある。
【0020】
続けて図１を参照すると、メタン生成サブシステム１０１により生成したＯＣＭ供給流１０７は、酸化剤供給流１０８と共にＯＣＭサブシステム１０３に導かれて、ＯＣＭ流出物１０９を生成する。本明細書により詳細に説明されるように、ＯＣＭ流出物１０９は、ＯＣＭ流出物１０９の追加の加工処理のための下流のユニット及び／又は分離サブシステムに導くことができる。ＯＣＭサブシステム１０３に供給される酸化剤供給流１０８は、何らかの適切なＯ2源により提供され得る。本開示の幾つかの態様に従って、ＯＣＭ供給流１０７及び酸化剤供給流１０８は、ＯＣＭサブシステム１０３に注入される前に加熱され得る。図１は別々の流れとしてＯＣＭサブシステム１０３に導かれるＯＣＭ供給流１０７及び酸化剤供給流１０８を例示しているが、ＯＣＭ供給流１０７及び酸化剤供給流１０８は組み合わせられ混合されてＯＣＭサブシステム１０３に導かれる単一の流れを形成することができると考えられる。本開示の幾つかの態様によると、酸化剤供給流１０８は、気流、又は空気分離ユニットにより生成するか、若しくは再生可能なＨ2サブシステム１０２、ＣＯ2電気分解ユニット若しくは本明細書中以下に説明する共電気分解ユニットにより生成する、Ｏ2流によって提供することができる。
【0021】
本開示の方法及びシステムによると、ＯＣＭサブシステム１０３は、直列及び／又は並列の１つ又は複数のＯＣＭ反応器を含むことができる。ＯＣＭ反応器は、ＯＣＭ反応を促進するための１種又は複数種のＯＣＭ触媒を含んでいて、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物と、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物１０９を生成する。ＯＣＭ反応器は、等温又は断熱条件下で作動してＯＣＭ反応を実行することができる。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様において、ＯＣＭ反応器の入口温度は約４００℃～約６００℃であることができ、ＯＣＭ反応器の出口温度は約７００℃～約９００℃であることができる。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様において、ＯＣＭ反応器の入口圧力は約１５ポンド／平方インチゲージ（ｐｓｉｇ）～約１５０ｐｓｉｇである。ＯＣＭ触媒は、例えば、米国特許第８，９２１，２５６号、米国特許第８，９６２，５１７号、及び米国特許第９，７１８，０５４号に記載されている触媒のように低温環境（即ち、約４００℃～約６００℃）で作動するように設計されたＯＣＭ触媒のようなあらゆる公知のＯＣＭ触媒であり得、それら特許の全開示は参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
【0022】
本開示の方法及びシステムによると、ＯＣＭサブシステム１０３は、アルカン（例えば、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8）からオレフィン（例えば、Ｃ2Ｈ4）を生成するためのポストベッドクラッキング（ｐｏｓｔ－ｂｅｄ ｃｒａｃｋｉｎｇ）（ＰＢＣ）ユニットを含むことができる。ＰＢＣユニットは、ＯＣＭ反応器、特にＯＣＭ反応器内に含有されるＯＣＭ触媒の下流に配置することができる。ＰＢＣユニットは別の反応器であってもよいし、又はＰＢＣユニットはＯＣＭ反応器の一部分（例えば、同じ反応容器内のＰＢＣユニットの上流に配置されたＯＣＭ触媒床）として含まれてもよい。ＯＣＭ反応は発熱であり、熱を発生するので、ＯＣＭ反応により発生した熱はアルカン（例えば、Ｃ2Ｈ6）をオレフィン（例えば、Ｃ2Ｈ4）にクラッキングするのに使用されることができる。ＰＢＣユニットは、約６００℃～約１，０００℃の温度、例えば約８００℃～約９５０℃の温度でクラッキングを行い得る。
【0023】
本開示の方法及びシステムによると、ＰＢＣユニットは、ＯＣＭ流出物１０９に含有されるもの以外の更なる別のアルカン（例えば、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8）をクラッキングするのに使用することができる。ＯＣＭ流出物１０９の熱容量は、幾らかの量の更なる別のアルカンをクラッキングするのに充分であることができる。更なる別のアルカンは、プロセスのリサイクル流又は全く別の起源のアルカンから提供されることができる。これら別のアルカンは、ＰＢＣユニットへの注入前に加熱することができる。別のアルカンは、例えば、ＯＣＭ反応器及び／又はＯＣＭ流出物１０９との熱交換により加熱することができる。
ここで図２を参照すると、本発明に従って、炭素酸化物を、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンに変換する方法を実行するためのシステム２００のブロックフロー図が示されている。システム２００は、メタン生成サブシステム２０１、再生可能なＨ2サブシステム２０２、ＯＣＭサブシステム２０４、及び分離サブシステム２０６を含む。メタン生成サブシステム２０１は、再生可能なＨ2サブシステム２０２に流体連通されており、炭素酸化物供給流２１０及び再生可能なＨ2サブシステム２０２により生成した再生可能なＨ2供給流２１２を受け取り、ＣＨ4を含むＯＣＭ供給流２１３を生成するように構成されている。ＯＣＭサブシステム２０４は、メタン生成サブシステム２０１の下流にあってそこに流体連通されており、ＯＣＭ供給流２１３及びＯ2を含む酸化剤供給流２１４を受け取って、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物と、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物２１５を生成するように構成されている。分離サブシステム２０６は、ＯＣＭサブシステム２０４の下流にあってそこに流体連通されており、ＯＣＭ流出物２１５を受け取り、且つＯＣＭ流出物２１５を少なくとも、ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れ２１７と、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離するように構成されている。第２の流れは分離サブシステム２０６内で更に分離されて、Ｃ2Ｈ4を含む第３の流れ２１８及びＣ2Ｈ6を含む第４の流れ２１９を生成し得る。
ここで図２を参照すると、本発明に従って、炭素酸化物を、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンに変換する方法を実行するためのシステム２００のブロックフロー図が示されている。システム２００は、メタン生成サブシステム２０１、再生可能なＨ2サブシステム２０２、ＯＣＭサブシステム２０４、及び分離サブシステム２０６を含む。メタン生成サブシステム２０１は、再生可能なＨ2サブシステム２０２に流体連通されており、炭素酸化物供給流２１０及び再生可能なＨ2サブシステム２０２により生成した再生可能なＨ2供給流２１２を受け取り、ＣＨ4を含むＯＣＭ供給流２１３を生成するように構成されている。ＯＣＭサブシステム２０４は、メタン生成サブシステム２０１の下流にあってそこに流体連通されており、ＯＣＭ供給流２１３及びＯ2を含む酸化剤供給流２１４を受け取って、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物と、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物２１５を生成するように構成されている。分離サブシステム２０６は、ＯＣＭサブシステム２０４の下流にあってそこに流体連通されており、ＯＣＭ流出物２１５を受け取り、且つＯＣＭ流出物２１５を少なくとも、ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れ２１７と、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離するように構成されている。第２の流れは分離サブシステム２０６内で更に分離されて、Ｃ2Ｈ4を含む第３の流れ２１８及びＣ2Ｈ6を含む第４の流れ２１９を生成し得る。
【0024】
図２に例示されているシステム２００において、メタン生成サブシステム２０１、再生可能なＨ2サブシステム２０２、及びＯＣＭサブシステム２０４は、図１を参照して先に説明した、メタン生成サブシステム１０１、再生可能なＨ2サブシステム１０２、及びＯＣＭサブシステム１０３と同じように構成され得る。
図２に示されているように、炭素酸化物供給流２１０は、再生可能なＨ2サブシステム２０２により生成した再生可能なＨ2供給流２１２と共にメタン生成サブシステム２０１に導かれる。本開示の方法及びシステムによると、炭素酸化物供給流２１０は、ＣＯ2、ＣＯ又はＣＯ2及びＣＯの両方を含む。本開示の方法及びシステムによると、炭素酸化物供給流２１０は、システム２００又はプロセスに供給される主要又は唯一の炭素源である。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、炭素酸化物供給流２１０は捕捉されたＣＯ2を含む。捕捉されたＣＯ2は、限定されないが、鋼／金属生産設備、セメント生産設備、石炭燃焼発電プラント、石炭ガス化、及びバイオマスガス化を含む産業設備から捕捉されたＣＯ2であり得る。捕捉されたＣＯ2はまた幾らかの量のＣＯも含み得る。
図２に示されているように、炭素酸化物供給流２１０は、再生可能なＨ2サブシステム２０２により生成した再生可能なＨ2供給流２１２と共にメタン生成サブシステム２０１に導かれる。本開示の方法及びシステムによると、炭素酸化物供給流２１０は、ＣＯ2、ＣＯ又はＣＯ2及びＣＯの両方を含む。本開示の方法及びシステムによると、炭素酸化物供給流２１０は、システム２００又はプロセスに供給される主要又は唯一の炭素源である。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、炭素酸化物供給流２１０は捕捉されたＣＯ2を含む。捕捉されたＣＯ2は、限定されないが、鋼／金属生産設備、セメント生産設備、石炭燃焼発電プラント、石炭ガス化、及びバイオマスガス化を含む産業設備から捕捉されたＣＯ2であり得る。捕捉されたＣＯ2はまた幾らかの量のＣＯも含み得る。
【0025】
ここで図２及び３を参照して、本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、炭素酸化物供給流２１０は、ＣＯ2を含有する天然ガス流３０１からＣＯ2を取り出すことにより生成されるＣＯ2供給流３１０を含み得る。図３に示されているように、ＣＯ2を含有する天然ガス流は、天然ガスからＣＯ2を取り出し、それによりＣＯ2供給流及び実質的にＣＯ2を含まない天然ガス流３０２を生成するように構成されたガス処理ユニット３００に導かれる。本開示の幾つかの態様によると、実質的にＣＯ2を含まない天然ガス流３０２は（例えば、セールスガスとして天然ガスインフラ設備に販売するために）天然ガスパイプラインに輸出され得る。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、実質的にＣＯ2を含まない天然ガス流３０２の少なくとも一部分は、ＣＨ4を含むメイクアップ流（ｍａｋｅｕｐ ｓｔｒｅａｍ）２２１としてＯＣＭサブシステム２０４に導かれ得る。
【0026】
天然ガス流３０１はいかなる濃度のＣＯ2を含んでもよい。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様において、天然ガス流３０１は、５０質量％以下のＣＯ2、例えば１質量％～５０質量％、５質量％～５０質量％、１０質量％～５０質量％、１５質量％～５０質量％、２０質量％～５０質量％、２５質量％～５０質量％、３０質量％～５０質量％、３５質量％～５０質量％、４０質量％～５０質量％、及び更には４５質量％～５０質量％のＣＯ2を含み得る。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、ＣＯ2供給流３１０は、メタン生成サブシステム２０１に導かれる炭素酸化物供給流２１０の少なくとも一部分を含み、残りの部分は上に記載した捕捉されたＣＯ2により供給される。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、メタン生成サブシステム２０１に導かれる炭素酸化物供給流２１０は、ガス処理ユニット３００により生成されたＣＯ2供給流３１０からなる。
【0027】
ガス処理ユニット３００は、天然ガスからＣＯ2を除去するための知られた従来のシステム又は方法を含み得る。例えば、本開示の方法及びシステムの幾つかの態様において、ガス処理ユニット３００は天然ガス処理プラント又はその一部分であり得る。本開示の方法及びシステムの他の態様において、ガス処理ユニット３００は従来のアミン吸収装置システムであり得る。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様において、ガス処理ユニット３００はメタン生成サブシステム（例えば、１０１、２０１）に流体連通される。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様において、ガス処理ユニット３００はメタン生成サブシステム（例えば、１０１、２０１）及びＯＣＭサブシステム（例えば、１０３、２０４）に流体連通される。
【0028】
続けて図２を参照すると、システム２００は、再生可能なＨ2供給流２１２を生成するように構成された再生可能なＨ2サブシステム２０２を含む。図２に例示したシステム２００において、再生可能なＨ2サブシステム２０２は、風力、太陽、バイオマス、地熱、水力発電、原子力、及びこれらの組合せのような再生可能なエネルギー源により発生した電気により電力を供給される電気分解ユニットを含む。電気分解ユニットは、メタン生成サブシステム２０１及びＯＣＭサブシステム２０４の上流に配置され、それらに流体連通されている。電気分解ユニットは、水流２１１を受け取り、２Ｈ2Ｏ→２Ｈ2＋Ｏ2で与えられる水の電気分解反応によって水をＨ2ガス及びＯ2ガスに変換する。電気分解反応により生成したＨ2ガスは再生可能なＨ2供給流としてメタン生成サブシステム２０１に導かれる。同様に、電気分解反応により生成したＯ2ガスは酸化剤供給流２１４の少なくとも一部分としてＯＣＭサブシステム２０４に導かれる。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様において、ＯＣＭサブシステム２０４に導かれる酸化剤供給流２１４は電気分解反応により生成した再生可能なＯ2ガスからなる。従って、電気分解ユニットはＯＣＭサブシステム２０４に導かれる酸化剤供給流２１４に必要とされる酸素の全てを再生可能に供給することができる。この態様は、ＯＣＭサブシステム２０４に酸素を供給するために、高価でエネルギー集約的な空気分離ユニット（ＡＳＵ）の必要性を除外することができる点で特に有利である。
メタン生成サブシステム２０１において、炭素酸化物供給流２１０中の炭素酸化物（即ち、ＣＯ2、ＣＯ、又は両方）は、再生可能なＨ2供給流２１２からのＨ2と反応して、反応ｉ）ＣＯ2＋４Ｈ2→ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ及びｉｉ）ＣＯ＋３Ｈ2→ＣＨ4＋Ｈ2Ｏを介してＣＨ4を生成する。メタン生成サブシステム２０１内で生成したＣＨ4はＯＣＭ供給流２１３としてＯＣＭサブシステム２０４に導かれる。
メタン生成サブシステム２０１において、炭素酸化物供給流２１０中の炭素酸化物（即ち、ＣＯ2、ＣＯ、又は両方）は、再生可能なＨ2供給流２１２からのＨ2と反応して、反応ｉ）ＣＯ2＋４Ｈ2→ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ及びｉｉ）ＣＯ＋３Ｈ2→ＣＨ4＋Ｈ2Ｏを介してＣＨ4を生成する。メタン生成サブシステム２０１内で生成したＣＨ4はＯＣＭ供給流２１３としてＯＣＭサブシステム２０４に導かれる。
【0029】
上に挙げたメタン生成反応により分かるように、かかる反応は水を生成することができ、これはメタン生成サブシステム２０１を出るＯＣＭ供給流２１３中に存在することができる。従って、本開示の方法及びシステムの幾つかの態様において、ＯＣＭ供給流２１３中に存在するＨ2Ｏの少なくとも一部分は、ＯＣＭ供給流２１３がＯＣＭサブシステム２０４に導かれる前に除去され得る。例えば、ＯＣＭ供給流２１３は、ＯＣＭ供給流２１３からＨ2Ｏを除去するために脱水ユニット２０３に導くことができる。脱水ユニット２０３は、ＯＣＭ供給流２１３を冷却することによりＯＣＭ供給流２１３からＨ2Ｏを除去するノックアウトドラム、又はＨ2ＯをＯＣＭ供給流２１３から除去することができる他のあらゆる分離ユニットであり得る。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様において、ＯＣＭ供給流２１３から除去されたＨ2Ｏは流れ２２２を介して電気分解ユニットにリサイクルすることができる。一方、ＯＣＭサブシステム２０４に存在するＯＣＭ触媒が蒸気の存在に耐性であれば、脱水ユニット２０３は省略することができる。
【0030】
続けて図２を参照すると、ＯＣＭ供給流２１３は、酸化剤供給流２１４と共にＯＣＭサブシステム２０４に導かれて、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物と、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2、及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物２１５を生成する。ＯＣＭ流出物２１５は、ＯＣＭ流出物２１５を、少なくとも、ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れ２１７と、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離するために分離サブシステム２０６に導くことができる。図２で分かるように、ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れ２１７又はその一部分は、メタン生成によってＯＣＭ供給流２１３の生成を促進するためにメタン生成サブシステム２０１にリサイクルすることができる。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様に従って、第１の流れ２１７の少なくとも一部分はシステム内の不活性成分（例えば、Ｎ2）の蓄積を防ぐためにパージし得る。加えて、分離サブシステム２０６は、Ｃ2+化合物を含む第２の流れを、Ｃ2Ｈ4生成物を含む第３の流れ２１８及びＣ2Ｈ6を含む第４の流れ２１９に分離することができる。図２に示されているように、Ｃ2Ｈ6を含む第４の流れ２１９は、ＯＣＭサブシステム２０４（例えば、ＯＣＭ反応器又はＰＢＣユニット）に導かれて、Ｃ2Ｈ6をクラッキングすることにより追加のＣ2Ｈ4を生成することができる。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、電気分解ユニットは、分離サブシステム２０６に流体連通されており、ＯＣＭ流出物２１５から分離サブシステム２０６により分離されたか又はその他取り出されたＨ2Ｏを含む流れ２２０を受け取る（接続は示さない）。
【0031】
分離サブシステム２０６は、任意の数の分離ユニットを含み得るか又はＯＣＭ反応の生成物を分離するのに適した分離技術の任意の組合せを利用し得る。例えば、分離サブシステム２０６は、低温分離、圧力スイング吸着、温度スイング吸着、膜分離、吸着剤、及びこれらの組合せによりＯＣＭ流出物２１５を分離し得る。本開示の方法及びシステムの実施に適した分離サブシステムの例は、例えば、全開示内容が参照によりその全体として本明細書に組み込まれる、国際公開第２０１４／０１１６４６号、国際公開第２０１３／１０６７７１号、国際公開第２０１５／１０６０２３号、国際公開第２０１７／０６５９４７号、及び国際公開第２０１８／１１８１０５号に記載されている。
図２で分かるように、本開示の方法及びシステムの幾つかの態様に従って、システム２００は、ＯＣＭサブシステム２０４、メタン生成サブシステム２０１及び分離サブシステム２０６と流体連通されたＣＯ2除去ユニット２０５を含む。ＣＯ2除去ユニット２０５は、ＣＯ2をＯＣＭ流出物２１５から取り出し、取り出されたＣＯ2の少なくとも一部分を流れ２１６を介してメタン生成サブシステム２０１に導き、実質的にＣＯ2を含まないＯＣＭ流出物を分離サブシステム２０６に導くように構成されている。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、ＣＯ2除去ユニット２０５により取り出されたＣＯ2の全てが流れ２１６を介してメタン生成サブシステム２０１に導かれる。ＣＯ2除去ユニット２０５はプロセス流からＣＯ2を除去するのに適した任意の公知の技術を含み得る。適切なＣＯ2除去技術の例には、限定されるものではないが、アミン吸収装置システム、圧力スイング吸着、温度スイング吸着、膜分離、溶媒分離、及び低温分離がある。
図２で分かるように、本開示の方法及びシステムの幾つかの態様に従って、システム２００は、ＯＣＭサブシステム２０４、メタン生成サブシステム２０１及び分離サブシステム２０６と流体連通されたＣＯ2除去ユニット２０５を含む。ＣＯ2除去ユニット２０５は、ＣＯ2をＯＣＭ流出物２１５から取り出し、取り出されたＣＯ2の少なくとも一部分を流れ２１６を介してメタン生成サブシステム２０１に導き、実質的にＣＯ2を含まないＯＣＭ流出物を分離サブシステム２０６に導くように構成されている。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、ＣＯ2除去ユニット２０５により取り出されたＣＯ2の全てが流れ２１６を介してメタン生成サブシステム２０１に導かれる。ＣＯ2除去ユニット２０５はプロセス流からＣＯ2を除去するのに適した任意の公知の技術を含み得る。適切なＣＯ2除去技術の例には、限定されるものではないが、アミン吸収装置システム、圧力スイング吸着、温度スイング吸着、膜分離、溶媒分離、及び低温分離がある。
【0032】
図２はＯＣＭサブシステム２０４の下流で分離サブシステム２０６の上流に位置するＣＯ2除去ユニット２０５を例示しているが、ＯＣＭ流出物２１５中に含有されるＣＯ2は分離サブシステム２０６によって除去してもよく、これによりＣＯ2除去ユニット２０５の必要性を除外し得ると考えられる。かかる配置は、分離サブシステム２０６が吸着技術に基づくシステムで特に適している。
上に記載したように、図２に例示した炭素酸化物をオレフィンに変換する方法を実行するためのシステム２００は、再生可能な水素Ｈ2供給流と共にシステム２００に供給される主要又は唯一の炭素源としての炭素酸化物供給流２１０、及び再生可能なエネルギー源により電力を供給された電気分解ユニットにより生成した再生可能な酸化剤供給流を利用する。図２に示したプロセス全体で起こる主要な反応は次の通りである：
メタン生成： ＣＯ2＋４Ｈ2→ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ
水の電気分解： ２Ｈ2Ｏ→２Ｈ2＋Ｏ2
ＯＣＭ： ２ＣＨ4＋Ｏ2→Ｃ2Ｈ4＋２Ｈ2Ｏ
上に記載したように、図２に例示した炭素酸化物をオレフィンに変換する方法を実行するためのシステム２００は、再生可能な水素Ｈ2供給流と共にシステム２００に供給される主要又は唯一の炭素源としての炭素酸化物供給流２１０、及び再生可能なエネルギー源により電力を供給された電気分解ユニットにより生成した再生可能な酸化剤供給流を利用する。図２に示したプロセス全体で起こる主要な反応は次の通りである：
メタン生成： ＣＯ2＋４Ｈ2→ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ
水の電気分解： ２Ｈ2Ｏ→２Ｈ2＋Ｏ2
ＯＣＭ： ２ＣＨ4＋Ｏ2→Ｃ2Ｈ4＋２Ｈ2Ｏ
【0033】
上の反応式から分かるように、電気分解ユニットがＨ2及びＯ2を２：１のモル比で生成する（即ち、２Ｈ2：Ｏ2）ことは明らかである。メタン生成反応及びＯＣＭ反応に基づいて、システムに供給されるＣＯ2（即ち、流れ２１０を介したＣＯ2）の各１モルが４モルのＨ2及び０．５モルのＯ2を消費する。従って、Ｏ2よりはるかに多くのＨ2がプロセスで消費され、従って過剰のＯ2はプロセスからパージされる必要がある。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様において、過剰のＯ2は、プロセス／システムから取り出し、後の使用のために貯蔵又は対外的に販売し得る。
ＯＣＭサブシステム２０４で起こるＯＣＭ反応と、電気分解ユニットにより生成したＨ2対Ｏ2の２：１の比とのバランスをとるために、ＣＨ4を含む任意選択のメイクアップ流２２１をＯＣＭサブシステム２０４に導き得る。システムに供給されるＣＨ4対ＣＯ2のモル比を増大すると、プロセスでのＨ2対Ｏ2消費のモル比を低下することが決定された。これらのモル比の推定値を表１に示す。
ＯＣＭサブシステム２０４で起こるＯＣＭ反応と、電気分解ユニットにより生成したＨ2対Ｏ2の２：１の比とのバランスをとるために、ＣＨ4を含む任意選択のメイクアップ流２２１をＯＣＭサブシステム２０４に導き得る。システムに供給されるＣＨ4対ＣＯ2のモル比を増大すると、プロセスでのＨ2対Ｏ2消費のモル比を低下することが決定された。これらのモル比の推定値を表１に示す。
【0034】
【表1】
【0035】
表１に示したデータから分かるように、ＣＯ2と比較してより高い割合のＣＨ4がシステムに導入されるにつれて、Ｈ2：Ｏ2消費のモル比は低下する。実際、モル比２．３３：１のＣＨ4対ＣＯ2がシステム２００に導入されると、約２：１のモル比のＨ2対Ｏ2がシステム２００で消費され、これは電気分解ユニットにより生成するＨ2対Ｏ2のモル比に近い。従って、本開示のシステム及び方法の幾つかの態様において、ＣＨ4を含む任意選択のメイクアップ流２２１がＯＣＭサブシステム２０４に導かれ得、メイクアップ流中のＣＨ4対炭素酸化物供給流２１０中のＣＯ2のモル比（即ち、ＣＨ4：ＣＯ2）は０．０１：１～５：１、例えば０．１：１～４：１のＣＨ4：ＣＯ2のモル比、０．５：１～３．５：１のＣＨ4：ＣＯ2のモル比、０．７５：１～３：１のＣＨ4：ＣＯ2のモル比、更には例えば１：１～２．５：１のＣＨ4：ＣＯ2のモル比である。また、ＣＨ4源をシステム２００に（例えば、メイクアップ流２２１を介して）提供する能力は、炭素酸化物供給流２１０を介したシステム２００への炭素酸化物の供給が変動するか又は断続的である場合システム２００を作動する柔軟性を提供する。
【0036】
上述した通り、ＣＨ4がシステム２００に供給されないとき過剰のＯ2はシステムからパージする必要があるが、ＣＯ2又はその他の炭素排出源がシステム２００から放出される必要はない。しかしながら、ＣＨ4がメイクアップ流２２１を介して増大量で（即ち、システム２００に供給されるＣＯ2に対して）システム２００に供給されると、システムに（例えば、酸化剤供給流２１４及び／又は任意選択のメイクアップ流２２１を介して）供給される少量の不純物として存在し得、また他の場合パージしなければシステム２００に蓄積するＮ2のような不活性成分をパージする以外の理由がなくても、幾らかの量のＣＯ2がシステム２００から（例えば、流れ２１７からパージ流を介して）パージされる必要があり得る。一般に、本開示のシステムからパージする必要があるＣＯ2の量はシステムに供給されるＣＯ2の量未満である。また、本開示の方法及びシステムで利用されるＨ2及びＯ2は再生可能なエネルギー及びＣＯ2排出を引き起こさない資源を用いて生成される。従って、本開示のシステム及び方法は有利なことに排出されるより多くのＣＯ2を消費し、それによりＣ2Ｈ4及びＣ3Ｈ6のようなオレフィンをネガティブカーボンエミッションで、特に負のＣＯ2排出で生産する。
【0037】
本開示のシステム及び方法の別の利点は、このシステム及び方法が所望の炭素利用率を達成するように調整することができることである。本開示のシステム及び方法の幾つかの態様において、システム及び方法は、少なくとも９０％、例えば少なくとも９２％、少なくとも９４％、少なくとも９６％、少なくとも９８％の炭素利用率、更には少なくとも９９％の炭素利用率で作動する。本開示のシステム及び方法の幾つかの態様において、システム及び方法は、９２％～１００％の炭素利用率、例えば９２％～９９．９％の炭素利用率、９３％～９９．９％の炭素利用率、９４％～９９．９％の炭素利用率、９５％～９９．９％の炭素利用率、９６％～９９．９％の炭素利用率、９７％～９９．９％の炭素利用率、更には９９％～９９．９％の炭素利用率で作動する。ＯＣＭ反応において、炭素利用率は、通例Ｃ2+化合物に変換されるＣＨ4からプロセスに供給される炭素の量に基づいて決定される。しかし、本開示のシステム及び方法において、炭素酸化物供給流（即ち、ＣＯ2、ＣＯ、又は両方を含む供給流）はシステムに供給される主要又は唯一の炭素源として利用され、従って、ＣＨ4からプロセスに供給される炭素の量に基づく炭素利用率は常に１００％より大きい。例えば、図２に示したシステム２００が供給材料としてＣＨ4を含むメイクアップ流２２１及びＣＯ2を含む炭素酸化物供給流２１０を含み、メイクアップ流中のＣＨ4対炭素酸化物供給流２１０中のＣＯ2のモル比（即ち、ＣＨ4：ＣＯ2）が２．３３：１であれば、システム２００は３．３３モルの炭素をＣ2+化合物として生成する。従って、システム２００はＣＨ4として供給されたわずか２．３３モルの炭素に基づいて３．３３モルの炭素をＣ2+化合物として生成し、これは約１４３％の炭素利用率となる。
【0038】
ここで図４を参照すると、本発明に従って、炭素酸化物を、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンに変換する方法を実行するためのシステム４００の、別の実施のブロックフロー図が示されている。図２に例示したシステム２００と同様に、システム４００は、メタン生成サブシステム４０１、再生可能なＨ2サブシステム４０２、ＯＣＭサブシステム４０３、及び分離サブシステム（番号を付けてない）を含む。メタン生成サブシステム４０１は、再生可能なＨ2サブシステム４０２と流体連通されており、炭素酸化物供給流４１０及び再生可能なＨ2サブシステム４０２で生成した再生可能なＨ2供給流４１２を受け取り、且つＣＨ4を含むＯＣＭ供給流２１３を生成するように構成されている。ＯＣＭサブシステム４０３は、メタン生成サブシステム４０１の下流にあってそこと流体連通されており、ＯＣＭ供給流４１３及びＯ2を含む酸化剤供給流４１４を受け取って、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物と、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物４１５を生成するように構成されている。
【0039】
図４に例示したシステム４００において、メタン生成サブシステム４０１、再生可能なＨ2サブシステム４０２、及びＯＣＭサブシステム４０３は、図１及び２を参照して先に説明した、メタン生成サブシステム１０１、２０１、再生可能なＨ2サブシステム１０２、２０２、及びＯＣＭサブシステム１０３、２０４と同じように構成され得る。
ＯＣＭ流出物４１５は１つ又は複数の熱交換器４０４に導かれてＯＣＭ流出物４１５からの熱をプロセス流に伝達し、これによりＯＣＭ流出物４１５を冷却し得る。幾つかの態様において、１つ又は複数の熱交換器は蒸気を生成する熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）であり得、この蒸気は、加熱してガスタービンによってパワーを発生するため、又は他のプロセスのために使用され得る。
ＯＣＭ流出物４１５は１つ又は複数の熱交換器４０４に導かれてＯＣＭ流出物４１５からの熱をプロセス流に伝達し、これによりＯＣＭ流出物４１５を冷却し得る。幾つかの態様において、１つ又は複数の熱交換器は蒸気を生成する熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）であり得、この蒸気は、加熱してガスタービンによってパワーを発生するため、又は他のプロセスのために使用され得る。
【0040】
続けて図４を参照すると、１つ又は複数の熱交換器４０４を通過した後、ＯＣＭ流出物４１５は、プロセスガス圧縮器４０５に導かれて、ＯＣＭ流出物４１５の圧力を少なくとも約１００ｐｓｉｇ（６９０ｋＰａ）、少なくとも約１５０ｐｓｉｇ（１０３５ｋＰａ）、少なくとも約２００ｐｓｉｇ（１３８０ｋＰａ）、少なくとも約２５０ｐｓｉｇ（１７２５ｋＰａ）、又は少なくとも約３００ｐｓｉｇ（２０７０ｋＰａ）のような所望又は適切な圧力に増大し得る。圧縮されたＯＣＭ流出物４１５はＣＯ2除去ユニット４０６に導かれて、ＯＣＭ流出物４１５からＣＯ2を取り出し得る。取り出されたＣＯ2の少なくとも一部分は流れ４１６を介してメタン生成サブシステムに導かれ得る。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、ＣＯ2除去ユニット４０６により取り出されたＣＯ2の全てが流れ４１６を介してメタン生成サブシステム４０１に導かれる。ＣＯ2除去ユニット４０６は上に記載したＣＯ2除去ユニット２０５と同じように構成され得る。実質的にＣＯ2を含まないＯＣＭ流出物４１５はプロセスガス乾燥機４０７に導かれて、実質的にＣＯ2を含まないＯＣＭ流出物４１５からＨ2Ｏを除去し得る。プロセスガス乾燥機４０７は、実質的にＣＯ2を含まないＯＣＭ流出物４１５からＨ2Ｏを凝縮し分離するための１つ又は複数のモレキュラーシーブ乾燥機又は分離容器であり得る。
【0041】
図４はＯＣＭサブシステム４０３の下流且つ分離サブシステムの上流に位置するＣＯ2除去ユニット４０６を例示しているが、ＯＣＭ流出物４１５中に含有されるＣＯ2は分離サブシステムにより除去されてもよく、それによりＣＯ2除去ユニット４０６の必要性を除外すると考えられる。かかる配置は、分離サブシステムが吸着技術に基づくシステムに適切である。
なおも図４を参照して、プロセスガス乾燥機４０７を出た後、乾燥した実質的にＣＯ2を含まないＯＣＭ流出物４１５は、ＯＣＭサブシステム４０３の下流でそこに流体連通されており且つ少なくとも脱メタンユニット４０８及びＣ2精製ユニット４０９を含む分離サブシステムに導かれ得る。脱メタンユニット４０８は、図４に示されているように、メタン生成システム４０１及びＣ2精製ユニット４０９に流体連通されている。脱メタンユニット４０８は、ＯＣＭ流出物４１５を受け取り、ＯＣＭ流出物を、ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れ４１７と、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れ４１８とに分離するように構成されている。第１の流れ４１７の少なくとも一部分は、脱メタンユニット４０８からメタン生成サブシステム４０１に導かれて、メタン生成によるＯＣＭ供給流４１３の生成を促進する。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、第１の流れ４１７の全てが脱メタンユニット４０８からメタン生成サブシステムにリサイクルされて、メタン生成によるＯＣＭ供給流４１０の生成を促進する。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、第１の流れ４１７の少なくとも一部分はパージされて、システム４００内の不活性成分（例えば、Ｎ2）の蓄積を防ぐ。
なおも図４を参照して、プロセスガス乾燥機４０７を出た後、乾燥した実質的にＣＯ2を含まないＯＣＭ流出物４１５は、ＯＣＭサブシステム４０３の下流でそこに流体連通されており且つ少なくとも脱メタンユニット４０８及びＣ2精製ユニット４０９を含む分離サブシステムに導かれ得る。脱メタンユニット４０８は、図４に示されているように、メタン生成システム４０１及びＣ2精製ユニット４０９に流体連通されている。脱メタンユニット４０８は、ＯＣＭ流出物４１５を受け取り、ＯＣＭ流出物を、ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れ４１７と、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れ４１８とに分離するように構成されている。第１の流れ４１７の少なくとも一部分は、脱メタンユニット４０８からメタン生成サブシステム４０１に導かれて、メタン生成によるＯＣＭ供給流４１３の生成を促進する。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、第１の流れ４１７の全てが脱メタンユニット４０８からメタン生成サブシステムにリサイクルされて、メタン生成によるＯＣＭ供給流４１０の生成を促進する。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、第１の流れ４１７の少なくとも一部分はパージされて、システム４００内の不活性成分（例えば、Ｎ2）の蓄積を防ぐ。
【0042】
図４に示されているように、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れ４１８はＣ2精製ユニット４０９に導かれ得る。Ｃ2精製ユニット４０９は、ＯＣＭサブシステム４０３に流体連通されており、第２の流れ４１８を受け取り、且つ第２の流れ４１８を、少なくとも、Ｃ2Ｈ4を含む第３の流れ４１９及びＣ2Ｈ6を含む第４の流れ４２０に分離するように構成されている。Ｃ2Ｈ4を含む第３の流れ４１９は、収集され得るか又はＣ2Ｈ4を供給原料として利用する下流のプロセスに導かれ得る。図４で分かるように、Ｃ2Ｈ6を含む第４の流れ４２０はＯＣＭサブシステム４０３に（例えば、ＯＣＭ反応器又はＰＢＣユニットに）リサイクルされて、Ｃ2Ｈ6をクラッキングすることにより追加のＣ2Ｈ4を生成し得る。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様において、Ｃ2精製ユニット４０９は、Ｃ2化合物（例えば、エタン及びエチレン）をＣ3+化合物（例えば、プロパン、プロピレン、ブタン、ブテン）から分離することができる脱エタンユニット（図には示されてない）を含み得る。分離されたＣ3+化合物は、流れ４２２に沿って脱エタンユニットを去り、追加の下流処理を受けることができる。脱エタンユニットからのＣ2化合物はＣ2分割器（ｓｐｌｉｔｔｅｒ）（図には示されてない）に導かれることができ、これはＣ2Ｈ6をＣ2Ｈ4から分離することができる。Ｃ2分割器は蒸留カラムであることができる。
【0043】
ここで図５を参照すると、本発明に従って、二酸化炭素を、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンに変換する方法を実行するためのシステム５００のブロックフロー図が示されている。システム５００は、メタン生成サブシステム５０１、再生可能なＨ2サブシステム５０２、ＯＣＭサブシステム５０４、分離サブシステム５０６、及びＣＯ2電気分解ユニット５０７を含む。ＣＯ2電気分解ユニット５０７は、ＣＯ2を含む供給流５１０を受け取り、且つＣＯを含む第１の再生可能な電気分解流５１１及びＯ2を含む第２の再生可能な電気分解流５１２を生成するように構成されている。メタン生成サブシステム５０１は、再生可能なＨ2サブシステム５０２及びＣＯ2電気分解ユニット５０７と流体連通されており、第１の再生可能な電気分解流５１１及び再生可能なＨ2サブシステム５０２により生成した再生可能なＨ2供給流５１４を受け取り、且つＣＨ4を含むＯＣＭ供給流５１５を生成するように構成されている。ＯＣＭサブシステム５０４は、メタン生成サブシステム５０１及びＣＯ2電気分解ユニット５０７の下流にあってそれらに流体連通されており、ＯＣＭ供給流５１５及び第２の再生可能な電気分解流５１２を含む酸化剤供給流５１７を受け取り、且つＣ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物と、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物５１８を生成するように構成されている。分離サブシステム５０６は、ＯＣＭサブシステム５０４の下流にあってそれに流体連通されており、ＯＣＭ流出物５１８を受け取り、且つＯＣＭ流出物５１８を、少なくとも、ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れ５２０と、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離するように構成されている。第２の流れは、分離サブシステム５０６で更に分離されて、Ｃ2Ｈ4を含む第３の流れ５２１及びＣ2Ｈ6を含む第４の流れ５２２を生成し得る。
【0044】
図５に例示されているシステム５００において、メタン生成サブシステム５０１、再生可能なＨ2サブシステム５０２及びＯＣＭサブシステム５０４は、図１を参照して本明細書中先に説明したメタン生成サブシステム１０１、再生可能なＨ2サブシステム１０２及びＯＣＭサブシステム１０３と類似又は同じ構成を有し得、また類似又は同じ構成要素を含み得る。例えば、メタン生成サブシステム５０１はメタン生成触媒を含有する１つ又は複数のメタン生成反応器を含むことができる。再生可能なＨ2サブシステム５０２は、例えば、再生可能なエネルギー源により電力を供給される水電気分解ユニットを含むことができる。ＯＣＭサブシステム５０４は、例えば、ＯＣＭ流出物５１８を生成するためにＯＣＭ反応を促進するための１種又は複数種のＯＣＭ触媒を含む１つ又は複数のＯＣＭ反応器を含むことができる。ＯＣＭサブシステム５０４はまたＰＢＣユニットも含むことができる。
【0045】
図５に示されているように、ＣＯ2を含む供給流５１０はＣＯ2電気分解ユニット５０７に導かれる。本開示の方法及びシステムによると、ＣＯ2を含む供給流５１０は、システム５００又はプロセスに供給される主要又は唯一の炭素源である。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、供給流５１０は捕捉されたＣＯ2を含む。捕捉されたＣＯ2は、限定されないが、鋼／金属生産設備、セメント生産設備、石炭燃焼発電プラント、石炭ガス化、及びバイオマスガス化を含む産業設備から捕捉されたＣＯ2であり得る。捕捉されたＣＯ2はまた幾らかの量のＣＯも含み得る。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、供給流５１０は図３に関して先に記載したように、天然ガス流からＣＯ2を取り出すことにより生成するＣＯ2を含み得る。本開示の幾つかの態様によると、図３に関して記載したように、ガス処理ユニットにより生成した実質的にＣＯ2を含まない天然ガス流の少なくとも一部分は、ＣＨ4を含むメイクアップ流５２４としてＯＣＭサブシステム５０４に導かれ得る。
【0046】
上述したように、ＣＯ2電気分解ユニット５０７は、ＣＯ2を含む供給流５１０を受け取り、且つＣＯを含む第１の再生可能な電気分解流５１１及びＯ2を含む第２の再生可能な電気分解流５１２を生成するように構成されている。ＣＯ2電気分解ユニット５０７は、ＣＯ2ガスをＣＯガス及びＯ2ガスに変換するように作動可能である。例えば、ある一定の態様において、ＣＯ2電気分解ユニットは、反応：ＣＯ2→ＣＯ＋１／２Ｏ2に従って、ＣＯ2ガスをＣＯガス及びＯ2ガスに変換することができる。ＣＯ2電気分解ユニット５０７は、ＣＯ2をＣＯ及びＯ2に電気化学的に変換することができるあらゆる技術に基づくことができる。かかる技術には、限定されるものではないが、固体酸化物電気分解（ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ）、溶融炭酸塩電気分解（ｍｏｌｔｅｎ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ）、及び低温電気分解（例えば、Ｈ型セル電極（Ｈ－ｃｅｌｌ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）又はガス拡散電極（ｇａｓ－ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ））がある。ＣＯ2をＣＯ及びＯ2に電気化学的に変換するための技術は、例えば、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる国際公開第２０１４／１５４２５３号及び米国特許第９，６２４，５８９号に記載されている。本開示の方法及びシステムのある一定の態様において、ＣＯ2電気分解ユニット５０７は固体酸化物電気分解セル（ＳＯＥＣ）を含む。ＳＯＥＣは５００℃～１，２００℃の温度で作動し得る。ＳＯＥＣは、限定されないが、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ、Ｙ2Ｏ3及びＺｒＯ2の固溶体）又はスカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）のような安定化ジルコニア、及びガドリニアドープセリア（ＣＧＯ）又はサマリアドープセリアのようなドープセリアを含む電解質材料を含み得る。更に、ＳＯＥＣは、限定されないが、ニッケル及びＹＳＺ又はＣＧＯの複合材を含むカソード材料を含み得る。更に、ＳＯＥＣは、限定されないが、ＳｒドープＬａＭｎＯ3（ＬＳＭ）、ＳｒドープＬａ（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ3（ＬＳＣＦ）、又はＳｒドープＳｍＣｏＯ3（ＳＳＣ）のようなランタニド及び遷移金属のドープペロブスカイトを含むアノード材料を含み得る。第１の再生可能な電気分解流５１１及び第２の再生可能な電気分解流５１２を生成するためにＣＯ2電気分解ユニット５０７に電力を供給するのに必要とされるエネルギーは、１種又は複数種の再生可能なエネルギー源により提供され得る。本開示の方法及びシステムに従って使用され得る代表的な再生可能なエネルギー源には、限定されるものではないが、風力、太陽、バイオマス、地熱、水力発電、及び原子力がある。
【0047】
図５で分かるように、第１の再生可能な電気分解流５１１は、再生可能なＨ2サブシステム５０２により生成した再生可能なＨ2供給流５１４と共にメタン生成サブシステム５０１に導かれる。図５に例示されたシステム５００において、再生可能なＨ2サブシステム５０２は、風力、太陽、バイオマス、地熱、水力発電、原子力、及びこれらの組合せのような再生可能なエネルギー源により発生した電気により電力を供給される水電気分解ユニットを含む。水電気分解ユニットは、メタン生成サブシステム５０１及びＯＣＭサブシステム５０４の上流に配置され、そこに流体連通されている。水電気分解ユニットは、水流５１３を受け取り、２Ｈ2Ｏ→２Ｈ2＋Ｏ2による水の電気分解反応によって、水をＨ2ガス及びＯ2ガスに変換する。水の電気分解反応により生成したＨ2ガスは、再生可能なＨ2供給流５１４としてメタン生成サブシステム５０１に導かれる。同様に、水の電気分解反応により生成したＯ2ガスは、流れ５１６を介してＯＣＭサブシステム５０４に導かれて酸化剤供給流５１７の少なくとも一部分を形成する。図５に見られるように、水の電気分解反応により形成されたＯ2を含む流れ５１６は、第２の再生可能な電気分解流５１２と合わせられて酸化剤供給流５１７を形成することができる。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様において、ＯＣＭサブシステム５０４に導かれる酸化剤供給流５１７は、ｉ）水電気分解ユニットにより生成した再生可能なＯ2ガス流５１６；及びｉｉ）第２の再生可能な電気分解流５１２からなる。従って、水電気分解ユニット及びＣＯ2電気分解ユニットは、ＯＣＭサブシステム５０４に導かれる酸化剤供給流５１７に必要とされる酸素の全てを再生可能に供給することができる。この態様は、酸素をＯＣＭサブシステム５０４に供給するために、高価でエネルギー集約的な空気分離ユニット（ＡＳＵ）の必要性を除外することができるという点で特に有利である。
【0048】
メタン生成サブシステム５０１において、第１の再生可能な電気分解流５１１中の炭素酸化物（即ち、ＣＯ、ＣＯ2、又は両方）は、再生可能なＨ2供給流５１４からのＨ2と反応して、反応ｉ）ＣＯ2＋４Ｈ2→ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ及びｉｉ）ＣＯ＋３Ｈ2→ＣＨ4＋Ｈ2ＯによってＣＨ4を生成する。（ＣＯ2電気分解ユニット５０７で達成可能な）ＣＯ2の代わりに、より大きい割合のＣＯをメタン生成サブシステム５０１に提供することにより、より少ないＨ2がメタン生成反応に必要とされ、より少ないＨ2Ｏが生成する。更に、メタン生成サブシステム５０１への供給材料中のＣＯのより高い濃度は、メタン生成反応器のサイズ及びメタン生成反応を実行するのに必要とされるメタン生成触媒の量を低減することができる。メタン生成サブシステム５０１で生成したＣＨ4はＯＣＭ供給流５１５としてＯＣＭサブシステム５０４に導かれる。
【0049】
上に記載したメタン生成反応により理解することができるように、かかる反応は水を生成することができ、この水はメタン生成サブシステム５０１を出るＯＣＭ供給流５１５中に存在することができる。従って、本開示の方法及びシステムの幾つかの態様において、ＯＣＭ供給流５１５中に存在するＨ2Ｏの少なくとも一部分はＯＣＭ供給流５１５がＯＣＭサブシステム５０４に導かれる前に除去し得る。例えば、ＯＣＭ供給流５１５は、ＯＣＭ供給流５１５からＨ2Ｏを除去するために脱水ユニット５０３に導くことができる。脱水ユニット５０３は、ＯＣＭ供給流５１５を冷却することによりＯＣＭ供給流５１５からＨ2Ｏを除去するノックアウトドラム、又はＯＣＭ供給流５１５からＨ2Ｏを除去することができるその他のいかなる分離ユニットであってもよい。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様において、ＯＣＭ供給流５１５から除去されたＨ2Ｏは、流れ５２５を介して水電気分解ユニットにリサイクルすることができる。一方、ＯＣＭサブシステム５０４中に存在するＯＣＭ触媒が蒸気の存在に対して耐性であれば、脱水ユニット５０３は省略することができる。
【0050】
続けて図５を参照すると、ＯＣＭ供給流５１５は、第２の再生可能な電気分解流５１２を含む酸化剤供給流５１７と共にＯＣＭサブシステム５０４に導かれて、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物と、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物５１８を生成する。ＯＣＭ流出物５１８は、分離サブシステム５０６に導かれて、ＯＣＭ流出物５１８を、少なくとも、ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れ５２０と、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離することができる。図５で見られるように、ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れ５２０又はその一部分は、メタン生成サブシステム５０１にリサイクルされて、メタン生成によるＯＣＭ供給流５１５の生成を促進することができる。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、第１の流れ５２０の少なくとも一部分は、システム内の不活性成分（例えば、Ｎ2）の蓄積を防ぐためにパージし得る。更に、分離サブシステム５０６は、Ｃ2+化合物を含む第２の流れを、Ｃ2Ｈ4生成物を含む第３の流れ５２１及びＣ2Ｈ6を含む第４の流れ５２２に分離することができる。図５に示されている通り、Ｃ2Ｈ6を含む第４の流れ５２２は、ＯＣＭサブシステム５０４に（例えば、ＯＣＭ反応器又はＰＢＣユニットに）導かれて、Ｃ2Ｈ6をクラッキングすることにより追加のＣ2Ｈ4を生成することができる。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、水電気分解ユニットは、分離サブシステム５０６に流体連通されており、分離サブシステム５０６によりＯＣＭ流出物５１８から分離されるか又は取り出されたＨ2Ｏを含む流れ５２３を受け取る（接続部は示されていない）。
【0051】
分離サブシステム５０６は、任意の数の分離ユニットを含み得、又はＯＣＭ反応の生成物を分離するのに適した分離技術の任意の組合せを利用し得る。例えば、分離サブシステム５０６は、低温分離、圧力スイング吸着、温度スイング吸着、膜分離、吸着剤、及びこれらの組合せを用いて、ＯＣＭ流出物５１８を分離し得る。本開示の方法及びシステムにおける実施に適した分離サブシステムの例は、例えば、全開示が参照によりその全体として本明細書に組み込まれる、国際公開第２０１４／０１１６４６号、国際公開第２０１３／１０６７７１号、国際公開第２０１５／１０６０２３号、国際公開第２０１７／０６５９４７号、及び国際公開第２０１８／１１８１０５号に記載されている。
【0052】
図５に見られるように、本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、システム５００は、ＯＣＭサブシステム５０４、ＣＯ2電気分解ユニット５０７及び分離サブシステム５０６に流体連通された、ＣＯ2除去ユニット５０５を含む。ＣＯ2除去ユニット５０５は、ＣＯ2をＯＣＭ流出物５１８から取り出し、取り出されたＣＯ2の少なくとも一部分を流れ５１９を介してＣＯ2電気分解ユニット５０７に導き、且つ実質的にＣＯ2を含まないＯＣＭ流出物を分離サブシステム５０６に導くように構成されている。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、ＣＯ2除去ユニット５０５により取り出されたＣＯ2の全てが、流れ５１９を介してＣＯ2電気分解ユニット５０７に導かれる。ＣＯ2除去ユニット５０５はプロセス流からＣＯ2を除去するのに適したいずれか公知の技術を含み得る。適切なＣＯ2除去技術の例には、限定されるものではないが、アミン吸収装置システム、圧力スイング吸着、温度スイング吸着、膜分離、溶媒分離、及び低温分離がある。
【0053】
図５はＯＣＭサブシステム５０４の下流且つ分離サブシステム５０６の上流に位置するＣＯ2除去ユニット５０５を例示しているが、ＯＣＭ流出物５１８中に含有されるＣＯ2は分離サブシステム５０６によって除去してもよく、それによりＣＯ2除去ユニット５０５の必要性を除外し得ると考えられる。かかる配置は分離サブシステム５０６が吸着技術に基づくシステムで適切である。
ここで図６を参照すると、本発明に従って、二酸化炭素を、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンに変換する方法を実行するためのシステム６００のブロックフロー図が示されている。システム６００は、メタン生成サブシステム６０１、共電気分解ユニット６０２、ＯＣＭサブシステム６０４、及び分離サブシステム６０６を含む。共電気分解ユニット６０２は、ＣＯ2を含む第１の供給流６１０及びＨ2Ｏを含む第２の供給流を受け取り、且つＣＯ及びＨ2を含む再生可能な合成ガス流６１２並びにＯ2を含む再生可能な酸化剤流６１４を生成するように構成されている。メタン生成サブシステム６０１は、共電気分解ユニット６０２に流体連通されており、再生可能な合成ガス流６１２を受け取り、且つＣＨ4を含むＯＣＭ供給流６１３を生成するように構成されている。ＯＣＭサブシステム６０４は、メタン生成サブシステム６０１及び共電気分解ユニット６０２の下流にあってそれらに流体連通されており、ＯＣＭ供給流６１３及び再生可能な酸化剤流６１４を受け取り、且つＣ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物と、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物６１５を生成するように構成されている。分離サブシステム６０６は、ＯＣＭサブシステム６０４の下流にあってそこに流体連通されており、ＯＣＭ流出物６１５を受け取り、且つＯＣＭ流出物６１５を、少なくとも、ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れ６１７と、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離するように構成されている。第２の流れは、分離サブシステム６０６で更に分離され得て、Ｃ2Ｈ4を含む第３の流れ６１８及びＣ2Ｈ6を含む第４の流れ６１９を生成し得る。
ここで図６を参照すると、本発明に従って、二酸化炭素を、Ｃ2Ｈ4を含むオレフィンに変換する方法を実行するためのシステム６００のブロックフロー図が示されている。システム６００は、メタン生成サブシステム６０１、共電気分解ユニット６０２、ＯＣＭサブシステム６０４、及び分離サブシステム６０６を含む。共電気分解ユニット６０２は、ＣＯ2を含む第１の供給流６１０及びＨ2Ｏを含む第２の供給流を受け取り、且つＣＯ及びＨ2を含む再生可能な合成ガス流６１２並びにＯ2を含む再生可能な酸化剤流６１４を生成するように構成されている。メタン生成サブシステム６０１は、共電気分解ユニット６０２に流体連通されており、再生可能な合成ガス流６１２を受け取り、且つＣＨ4を含むＯＣＭ供給流６１３を生成するように構成されている。ＯＣＭサブシステム６０４は、メタン生成サブシステム６０１及び共電気分解ユニット６０２の下流にあってそれらに流体連通されており、ＯＣＭ供給流６１３及び再生可能な酸化剤流６１４を受け取り、且つＣ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物と、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物６１５を生成するように構成されている。分離サブシステム６０６は、ＯＣＭサブシステム６０４の下流にあってそこに流体連通されており、ＯＣＭ流出物６１５を受け取り、且つＯＣＭ流出物６１５を、少なくとも、ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れ６１７と、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離するように構成されている。第２の流れは、分離サブシステム６０６で更に分離され得て、Ｃ2Ｈ4を含む第３の流れ６１８及びＣ2Ｈ6を含む第４の流れ６１９を生成し得る。
【0054】
図６に例示したシステム６００において、メタン生成サブシステム６０１及びＯＣＭサブシステム６０４は、図１を参照して本明細書中先に説明したメタン生成サブシステム１０１及びＯＣＭサブシステム１０３と類似又は同じ構成を有し得、類似又は同じ構成要素を含み得る。例えば、メタン生成サブシステム６０１はメタン生成触媒を含有する１つ又は複数のメタン生成反応器を含むことができる。ＯＣＭサブシステム６０４は、例えば、ＯＣＭ流出物６１５を生成するために、ＯＣＭ反応を促進するための１種又は複数種のＯＣＭ触媒を含む１つ又は複数のＯＣＭ反応器を含むことができる。ＯＣＭサブシステム６０４はまたＰＢＣユニットも含むことができる。
【0055】
図６に示されているように、ＣＯ2を含む第１の供給流６１０及びＨ2Ｏを含む第２の供給流６１１が共電気分解ユニット６０２に導かれる。本開示の方法及びシステムによると、ＣＯ2を含む第１の供給流６１０は、システム６００又はプロセスに供給される主要又は唯一の炭素源である。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、第１の供給流６１０は捕捉されたＣＯ2を含む。捕捉されたＣＯ2は、限定されないが、鋼／金属生産設備、セメント生産設備、石炭燃焼発電プラント、石炭ガス化、及びバイオマスガス化を含む産業設備から捕捉されたＣＯ2であり得る。捕捉されたＣＯ2はまた幾らかの量のＣＯも含み得る。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、第１の供給流６１０は、図３に関連して先に記載したように、天然ガス流からＣＯ2を取り出すことにより生成したＣＯ2を含み得る。本開示の幾つかの態様によると、図３に関連して先に記載したように、ガス処理ユニットにより生成した実質的にＣＯ2を含まない天然ガス流の少なくとも一部分は、ＣＨ4を含むメイクアップ流６２１としてＯＣＭサブシステム６０４に導かれ得る。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、第２の供給流６１１は蒸気を含む。
【0056】
上述したように、共電気分解ユニット６０２は、第１及び第２の供給流６１０、６１１を受け取り、且つＣＯ及びＨ2を含む再生可能な合成ガス流６１２並びにＯ2を含む再生可能な酸化剤流６１４を生成するように構成されている。ある一定の態様において、Ｏ2を含む再生可能な酸化剤流６１４はＯＣＭサブシステム６０４に供給される唯一のＯ2源である。従って、共電気分解ユニット６０２は、ＯＣＭサブシステム６０４においてＯＣＭ反応を実行するのに必要とされる酸素の全てを再生可能に供給することができる。この態様は、ＯＣＭサブシステム６０４に酸素を供給するために、高価でエネルギー集約的な空気分離ユニット（ＡＳＵ）の必要性を除外することができるという点で特に有利である。共電気分解ユニット６０２は、ＣＯ2及び水又は蒸気をＣＯ、Ｈ2及びＯ2に変換するように作動可能である。例えば、ある一定の態様において、共電気分解ユニット６０２は、ＣＯ2及び水又は蒸気を、反応：ＣＯ2→ＣＯ＋１／２Ｏ2及びＨ2Ｏ→Ｈ2＋１／２Ｏ2に従って、ＣＯ、Ｈ2及びＯ2ガスに変換することができる。共電気分解ユニット６０２は、ＣＯ2及び水又は蒸気を、合成ガス成分ＣＯ及びＨ2並びにＯ2に電気化学的に変換することができるあらゆる技術に基づくことができる。かかる技術の１つの例は固体酸化物電気分解である。本開示の共電気分解ユニット６０２で使用するのに適切であり得る代表的な技術は、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第７，９５１，２８３号、米国特許第８，３６６，９０２号、及び米国特許第９，６３１，２８４号に記載されている。本開示の方法及びシステムのある一定の態様において、共電気分解ユニット６０２は固体酸化物電気分解セル（ＳＯＥＣ）を含む。ＳＯＥＣは５００℃～１，２００℃の温度で作動し得る。ＳＯＥＣは、限定されないが、イットリア安定化ジルコニア電解質材料、スカンジア安定化ジルコニア電解質材料、ランタンガレート（ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｇａｌｌａｔｅ）電解質材料（ＬＳＧＭ）、イッテルビウム安定化ジルコニア電解質材料、及びセリア（ＣｅＯ2）電解質材料を含む電解質材料を含み得る。ＳＯＥＣは、限定されないが、ニッケルジルコニアサーメット材料を含む固体酸化物電気分解セルと共に従来より使用されるカソード材料を含み得る。ＳＯＥＣは、限定されないが、ランタンストロンチウムマンガナイト又はストロンチウムドープランタンマンガナイト材料を含む固体酸化物電気分解セルと共に従来より使用されるアノード材料を含み得る。本開示の方法及びシステムのある一定の態様において、共電気分解ユニット６０２は、ＣＯ、Ｈ2及びＯ2に加えてＣＨ4を生成する。再生可能な合成ガス流６１２及び再生可能な酸化剤流６１４を生成するために共電気分解ユニット６０２に電力を供給するのに必要とされるエネルギーは、１種又は複数種の再生可能なエネルギー源により提供され得る。本開示の方法及びシステムに従って使用できる代表的な再生可能なエネルギー源には、限定されるものではないが、風力、太陽、バイオマス、地熱、水力発電、及び原子力がある。
【0057】
図６に見られるように、再生可能な合成ガス流６１２はメタン生成サブシステム６０１に導かれる。メタン生成サブシステム５０１で、再生可能な合成ガス流６１２中の炭素酸化物（即ち、ＣＯ、ＣＯ2、又は両方）及びＨ2は、反応ｉ）ＣＯ2＋４Ｈ2→ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ及びｉｉ）ＣＯ＋３Ｈ2→ＣＨ4＋Ｈ2Ｏによって反応して、ＣＨ4を生成する。（共電気分解ユニット６０２で達成可能な）ＣＯ2の代わりに、より大きい割合のＣＯをメタン生成サブシステム６０１に提供することにより、より少ないＨ2がメタン生成反応に必要とされ、より少ないＨ2Ｏが生成する。加えて、メタン生成サブシステム６０１への供給材料中のＣＯのより高い濃度は、メタン生成反応器のサイズ及びメタン生成反応を実行するのに必要とされるメタン生成触媒の量を低減することができる。更にまた、共電気分解ユニット６０２により生成したＨ2は、別の再生可能なＨ2サブシステムの必要性を除外することができる。メタン生成サブシステム６０１で生成したＣＨ4は、ＯＣＭ供給流６１３としてＯＣＭサブシステム６０４に導かれる。
【0058】
上記のメタン生成反応により理解されるように、かかる反応は水を生成することができ、水はメタン生成サブシステム６０１を出るＯＣＭ供給流６１３中に存在することができる。従って、本開示の方法及びシステムの幾つかの態様において、ＯＣＭ供給流６１３中に存在するＨ2Ｏの少なくとも一部分は、ＯＣＭ供給流６１３がＯＣＭサブシステム６０４に導かれる前に除去されてもよい。例えば、ＯＣＭ供給流６１３は脱水ユニット６０３に導かれて、Ｈ2ＯをＯＣＭ供給流６１３から除去することができる。脱水ユニット６０３は、ＯＣＭ供給流６１３を冷却することによりＨ2ＯをＯＣＭ供給流６１３から除去するノックアウトドラム、又はＯＣＭ供給流６１３からＨ2Ｏを除去することができるその他のいかなる分離ユニットであってもよい。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様において、ＯＣＭ供給流６１３から除去されたＨ2Ｏは、流れ６２２を介して共電気分解ユニット６０２にリサイクルすることができる。一方、ＯＣＭサブシステム６０４中に存在するＯＣＭ触媒が蒸気の存在に対して耐性があれば、脱水ユニット６０３は省略することができる。
【0059】
続けて図６を参照すると、ＯＣＭ供給流６１３は、再生可能な酸化剤流６１４と共にＯＣＭサブシステム６０４に導かれて、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物と、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2及びＣＨ4の１種又は複数種を含む非Ｃ2+不純物とを含むＯＣＭ流出物６１５を生成する。ＯＣＭ流出物６１５は、分離サブシステム６０６に導かれて、ＯＣＭ流出物６１５を、少なくとも、ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れ６１７と、Ｃ2Ｈ4及びＣ2Ｈ6を含むＣ2+化合物を含む第２の流れとに分離することができる。図６に見られるように、ＣＯx、Ｈ2及びＣＨ4を含む第１の流れ６１７又はその一部分は、メタン生成サブシステム６０１にリサイクルされて、メタン生成によるＯＣＭ供給流６１３の生成を促進することができる。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、第１の流れ６１７の少なくとも一部分は、システム内の不活性成分（例えば、Ｎ2）の蓄積を防ぐためにパージし得る。加えて、分離サブシステム６０６は、Ｃ2+化合物を含む第２の流れを、Ｃ2Ｈ4生成物を含む第３の流れ６１８及びＣ2Ｈ6を含む第４の流れ６１９に分離することができる。図６に示されているように、Ｃ2Ｈ6を含む第４の流れ６１９は、ＯＣＭサブシステム６０４に（例えば、ＯＣＭ反応器又はＰＢＣユニットに）導かれて、Ｃ2Ｈ6をクラッキングすることにより追加のＣ2Ｈ4を生成することができる。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、共電気分解ユニットは、分離サブシステム６０６と流体連通されており、Ｈ2Ｏを含む流れ６２０を受け取り（接続部は示されてない）、このＨ2Ｏは分離サブシステム６０６によりＯＣＭ流出物６１５から分離されるか又はその他除去される。
【0060】
分離サブシステム６０６は、任意の数の分離ユニットを含み得、又はＯＣＭ反応の生成物を分離するのに適した分離技術の任意の組合せを利用し得る。例えば、分離サブシステム６０６は、低温分離、圧力スイング吸着、温度スイング吸着、膜分離、吸着剤、及びこれらの組合せを用いて、ＯＣＭ流出物６１５を分離し得る。本開示の方法及びシステムにおいて実施に適切な分離サブシステムの例は、例えば、全開示が参照によりその全体として本明細書に組み込まれる、国際公開第２０１４／０１１６４６号、国際公開第２０１３／１０６７７１号、国際公開第２０１５／１０６０２３号、国際公開第２０１７／０６５９４７号、及び国際公開第２０１８／１１８１０５号に記載されている。
【0061】
図６に見られるように、本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、システム６００は、ＯＣＭサブシステム６０４、共電気分解ユニット６０２及び分離サブシステム６０６と流体連通された、ＣＯ2除去ユニット６０５を含む。ＣＯ2除去ユニット６０５は、ＣＯ2をＯＣＭ流出物６１５から取り出し、取り出されたＣＯ2の少なくとも一部分を流れ６１６を介して共電気分解ユニット６０２に導き、且つ実質的にＣＯ2を含まないＯＣＭ流出物を分離サブシステム６０６に導くように構成されている。本開示の方法及びシステムの幾つかの態様によると、ＣＯ2除去ユニット６０５により取り出されたＣＯ2の全てが、流れ５１９を介してＣＯ2電気分解ユニット５０７に導かれる。ＣＯ2除去ユニット６０５はＣＯ2をプロセス流から除去するのに適したあらゆる公知の技術を含み得る。適切なＣＯ2除去技術の例には、限定されるものではないが、アミン吸収装置システム、圧力スイング吸着、温度スイング吸着、膜分離、溶媒分離、及び低温分離がある。
図６はＯＣＭサブシステム６０４の下流且つ分離サブシステム６０６の上流に位置するＣＯ2除去ユニット６０５を例示しているが、ＯＣＭ流出物６１５中に含有されるＣＯ2は分離サブシステム６０６によって除去してもよく、それによりＣＯ2除去ユニット６０５の必要性を除外することが考えられる。かかる配置は分離サブシステム６０６が吸着技術に基づくシステムで適切である。
図６はＯＣＭサブシステム６０４の下流且つ分離サブシステム６０６の上流に位置するＣＯ2除去ユニット６０５を例示しているが、ＯＣＭ流出物６１５中に含有されるＣＯ2は分離サブシステム６０６によって除去してもよく、それによりＣＯ2除去ユニット６０５の必要性を除外することが考えられる。かかる配置は分離サブシステム６０６が吸着技術に基づくシステムで適切である。
【0062】
図はユニットに別々に導入される様々な流れを示しているが、ユニットに導入される２つ以上の流れがユニットに導入される前に単一の流れに合わせられても又は混合されてもよいと考えられる。例えば、図４に示されている炭素酸化物供給流４１０及びＣＯ2を含む流れ４１６は、合わせて単一の流れとしてメタン生成サブシステム４０１に供給してもよい。
本開示の単数の特性又は限定への参照は全て、他に規定されないか又はその参照がなされている文脈で明白に反対に示されない限り、対応する複数の特性又は限定を含み、その逆もまた同様である。
本明細書で使用される方法又はプロセス段階の全ての組合せは、他に規定されないか又はその組合せの参照がなされている状況で明白に反対に示されない限り、いかなる順序で実行することもできる。
限定されるものではないが百分率、部及び比を含めた、本明細書に開示されている全ての範囲及びパラメーターは、そこに仮定され包含されるいずれか及び全ての部分範囲並びに終点間のあらゆる数を含むと理解される。例えば、「１～１０」とされた範囲は、最小値１及び最大値１０の間の（両端を含む）いずれか及び全ての部分範囲；即ち、１以上の最小値で始まる（例えば、１～６．１）及び１０以下の最大値で終わる（例えば、２．３～９．４、３～８、４～７）全ての部分範囲、並びに最後に範囲内に含有される各々の数１、２、３、４、５、６、７、８、９及び１０を含むと考えられたい。
本開示の単数の特性又は限定への参照は全て、他に規定されないか又はその参照がなされている文脈で明白に反対に示されない限り、対応する複数の特性又は限定を含み、その逆もまた同様である。
本明細書で使用される方法又はプロセス段階の全ての組合せは、他に規定されないか又はその組合せの参照がなされている状況で明白に反対に示されない限り、いかなる順序で実行することもできる。
限定されるものではないが百分率、部及び比を含めた、本明細書に開示されている全ての範囲及びパラメーターは、そこに仮定され包含されるいずれか及び全ての部分範囲並びに終点間のあらゆる数を含むと理解される。例えば、「１～１０」とされた範囲は、最小値１及び最大値１０の間の（両端を含む）いずれか及び全ての部分範囲；即ち、１以上の最小値で始まる（例えば、１～６．１）及び１０以下の最大値で終わる（例えば、２．３～９．４、３～８、４～７）全ての部分範囲、並びに最後に範囲内に含有される各々の数１、２、３、４、５、６、７、８、９及び１０を含むと考えられたい。
【0063】
本開示の方法及びシステムは、本明細書に記載されている本開示の必須の要素及び限定、並びに本明細書に記載されているか又はメタンの酸化カップリング用途を含めた炭化水素又は石油化学プロセッシング用途で有用であることが公知のあらゆる付加的又は任意選択の構成要素又は特徴を含むか（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）、それらからなるか（ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ）、又はそれらから本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）ことができる。
用語「含むｉｎｃｌｕｄｅ」、「含むｉｎｃｌｕｄｅｓ」、又は「含むｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」は、本明細書又は特許請求の範囲で使用される限り、請求項で移行語（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎａｌ ｗｏｒｄ）として使用されるときに解釈される用語「含むｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」と同様に、包括的であることが意図されている。また、用語「又は」が使用される限り（例えば、Ａ又はＢ）、「Ａ若しくはＢ、又はＡ及びＢの両方」を意味することが意図されている。出願人が「Ａ又はＢのみで両方ではない（ｏｎｌｙ Ａ ｏｒ Ｂ ｂｕｔ ｎｏｔ ｂｏｔｈ）」ことを示す意図であるときは、用語「Ａ又はＢのみで両方ではない」が使用される。このように、本明細書で用語「又は」の使用は包括的であって、排他的な使用ではない。また、表現「Ａ、Ｂ及びＣの少なくとも１つ」は「Ａのみ若しくはＢのみ若しくはＣのみ又はこれらの組合せ」と解釈するべきである。本開示で、単語「ａ」又は「ａｎ」は単数及び複数の両方を含むと解釈されるべきである。逆に、複数の項目への言及はいずれも、必要に応じて単数も包含する。
用語「含むｉｎｃｌｕｄｅ」、「含むｉｎｃｌｕｄｅｓ」、又は「含むｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」は、本明細書又は特許請求の範囲で使用される限り、請求項で移行語（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎａｌ ｗｏｒｄ）として使用されるときに解釈される用語「含むｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」と同様に、包括的であることが意図されている。また、用語「又は」が使用される限り（例えば、Ａ又はＢ）、「Ａ若しくはＢ、又はＡ及びＢの両方」を意味することが意図されている。出願人が「Ａ又はＢのみで両方ではない（ｏｎｌｙ Ａ ｏｒ Ｂ ｂｕｔ ｎｏｔ ｂｏｔｈ）」ことを示す意図であるときは、用語「Ａ又はＢのみで両方ではない」が使用される。このように、本明細書で用語「又は」の使用は包括的であって、排他的な使用ではない。また、表現「Ａ、Ｂ及びＣの少なくとも１つ」は「Ａのみ若しくはＢのみ若しくはＣのみ又はこれらの組合せ」と解釈するべきである。本開示で、単語「ａ」又は「ａｎ」は単数及び複数の両方を含むと解釈されるべきである。逆に、複数の項目への言及はいずれも、必要に応じて単数も包含する。
【0064】
本開示に従って、様々な発明概念をお互いに組み合わせて利用することが可能である。加えて、本開示の方法及びシステムの、特に開示された態様に関連して述べられたあらゆる特定の特徴は、その特定の特徴の組み込みが開示された態様の明示条件と矛盾しない限り、本開示の方法及びシステムの全ての開示された態様で使用するのに利用可能であると解釈するべきである。追加の利点及び修正は当業者には直ちに明らかである。従って、本開示は、そのより広い態様において、そこに提示された具体的な詳細、代表的な装置、又は示され記載された具体例に限定されない。従って、一般的発明概念の思想又は範囲から逸脱することなくかかる詳細からの逸脱が可能である。
【0065】
本明細書に提示された一般的発明概念の範囲は本明細書に示され記載された特定の例示態様に限定されることは意図されていない。当業者は、与えられた開示から、一般的発明概念及びその付随する利点を理解するばかりでなく、開示されたデバイス、システム及び方法の明らかな各種の変化及び修正も見出すであろう。従って、全てのかかる変化及び修正が本明細書及び／又は特許請求の範囲に記載された一般的発明概念の思想及び範囲並びにそのあらゆる均等物の範囲内に入ると考えられる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【国際調査報告】