JP2000309549A - エチレンの製造方法 - Google Patents

エチレンの製造方法

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江 宏 一 藤
Hiromitsu Shibuya
谷 博 光 渋
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Abstract

(57)【要約】 【解決手段】本発明は、水素、メタン、エタンおよびエ
チレンを含むガス状炭化水素から、エチレンを製造する
方法であって、(I)ガス状炭化水素を、炭化水素選択
透過膜を有する膜分離装置に導入し、エチレンをほぼ全
量含む炭化水素ガス(A)と、実質的にエチレンを含ま
ないガス(B)とに分離する工程と、(II)エチレンを
ほぼ全量含む炭化水素ガス(A)を深冷分離する工程と
を有することを特徴としている。 【効果】 本発明によれば、深冷分離工程に係る冷却エ
ネルギーおよび冷媒などを大幅に節約することができ、
また、装置への負荷を小さくすることができる。また脱
メタンを行うためのプレフラクショネーターおよび脱メ
タン塔への負荷も低減することができる。また、既設の
深冷分離および、脱メタン塔などの後続するエチレン分
離装置を用いる場合には、処理量を大幅に増加させるこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の技術分野】本発明は、水素、メタン、エタン
およびエチレンを含むガス状炭化水素からエチレンおよ
びプロピレンを分離精製する分離方法に関する。詳しく
は、水素、メタン、エタンおよびエチレンを含むガス状
炭化水素から膜分離装置を用いて水素およびメタンを分
離し、深冷分離工程の負荷を軽減して効率的にエチレン
およびプロピレンを分離生成する方法に関する。
【0002】
【発明の技術的背景】エチレンやプロピレンを製造する
方法としては、ナフサなどの炭化水素油を熱分解して得
られる、水素、メタン、エタン、プロパン、エチレン、
プロピレン等を含有するガス状炭化水素から、目的とす
るエチレンやプロピレンを分離精製する方法が主として
行われている。
【0003】従来、ガス状炭化水素からエチレンやプロ
ピレンを得る場合には、脱メタン塔、脱エタン塔、エチ
レン精留塔、脱プロパン塔、プロピレン精留塔、脱ブタ
ン塔などの多くの蒸留塔によって、深冷分離による分離
精製が行われている。このとき、ガス状炭化水素は、高
度に圧縮および冷却されて脱メタン塔に導入されてい
る。
【0004】このようにしてガス状炭化水素から水素お
よびメタンを分離してエチレンを得る方法としては、た
とえば、図3に示すプロセスが挙げられる。
【0005】図3において、ガス状炭化水素は、圧縮機
により高圧ガス流とされた後、熱交換器(E−1)〜
(E−5)において、順次冷却される。そして、これら
各熱交換器のそれぞれの温度帯域において凝縮する炭化
水素混合液は、対応するそれぞれの気液分離器(V−
1)〜(V−5)において未凝縮ガスから分離される。
【0006】気液分離器(V−1)の塔底から抜き出さ
れた分離液は、プレフラクショネーター(T−1)に供
給されて精製される。プレフラクショネーター(T‐
1)における留出ガスは、塔頂から抜き出されて熱交換
器(E−6)により冷却された後、脱メタン塔(T−
2)に供給される。また、気液分離器(V−2)〜(V
−4)の塔底から抜き出された分離液は、脱メタン塔
(T−2)に供給される。
【0007】脱メタン塔(T−2)により精製されて塔
頂から得られるメタンを主成分とする留分は、熱交換器
(E−7)により冷却された後、気液分離器(V−6)に
よりメタンを主成分とする未凝縮ガスと凝縮液とに分離
され、凝縮液の一部は脱メタン塔(T−2)に返送され
る。脱メタン塔(T−2)の塔底からはエチレンおよび
これより沸点の高い炭化水素を含有する炭化水素混合物
が得られる。
【0008】気液分離器(V−4)における未凝縮ガス
は、熱交換器(E−5)により、更に冷却され、気液分
離器(V−5)において水素を主成分とする未凝縮ガス
とメタンを主成分とする凝縮液に分離される。
【0009】しかしながら、このような方法において
は、冷却工程に送られるガス状炭化水素中に水素および
メタンが多く含まれているため、圧縮および冷却に要す
るエネルギーが大きく、プレ脱メタン塔に大きな負荷が
かかるという問題があった。また、脱メタン塔(T−
2)に導入される液状成分中にメタン分が多いため、脱
メタン塔(T−2)内における液負荷が大きいという問
題があった。
【0010】また、このような負荷を低減させるため
に、原料であるガス状炭化水素を圧縮し、水素分離器を
用いて水素を分離した後、メタンやエチレンを分離する
深冷分離に供する方法が提案されている(特開平10−11
4502号公報)。この方法によれば、あらかじめ分離され
た水素の分だけ、その後の分離工程における負荷を低減
することができる。しかしながら、この場合の水素分離
は、ガス状炭化水素中の水素を選択的に透過させて分離
できる水素分離膜を用いるものであって、ガス状炭化水
素を高圧で供給する必要があるため、圧縮機の負荷およ
び圧縮に要するエネルギーの低減はなされていなかっ
た。
【0011】このため、さらに気液分離器などへの負荷
を軽減し、消費エネルギーを節約した条件で、炭化水素
ガスからエチレンやプロピレンを分離する方法の出現が
強く望まれていた。
【0012】本発明者は、このような状況を鑑みて鋭意
研究した結果、水素、メタン、エタンおよびエチレンを
含むガス状炭化水素から、深冷分離によりエチレンを製
造するにあたり、ガス状炭化水素を、炭化水素選択透過
膜を有する膜分離装置により、エチレンをほぼ全量含む
炭化水素ガス(A)と、実質的にエチレンを含まないガ
ス(B)とに分離し、分離されたエチレンをほぼ全量含
む炭化水素ガス(A)のみを深冷分離工程に供すること
により、深冷分離工程の負荷を軽減し、エネルギー効率
よくエチレンを製造できることを見出して本発明を完成
させるに至った。
【0013】
【発明の目的】本発明は、ガス状炭化水素から、深冷分
離によりエチレンを製造するにあたり、炭化水素選択透
過膜を有する膜分離装置を用いることによって、深冷分
離工程の負荷を軽減し、冷却および圧縮に要するエネル
ギーを従来より低減して、効率よくエチレンを製造する
ことを目的とする。
【0014】
【発明の概要】本発明は、水素、メタン、エタンおよび
エチレンを含むガス状炭化水素から、エチレンを製造す
る方法であって、(I)ガス状炭化水素を、炭化水素選
択透過膜を有する膜分離装置に導入し、エチレンをほぼ
全量含む炭化水素ガス(A)と、実質的にエチレンを含
まないガス(B)とに分離する工程と、(II)エチレン
をほぼ全量含む炭化水素ガス(A)を深冷分離する工程
とを有することを特徴としている。
【0015】
【発明の具体的説明】本発明のエチレン製造方法におい
て、原料となるガス状炭化水素としては、水素、メタ
ン、エタンおよびエチレンを含むガス状炭化水素であれ
ば、いずれも好適に用いることができ、プロパン、プロ
ピレンなどのその他のガス状低級炭化水素を含有してい
てもよい。このようなガス状炭化水素としては、ナフ
サ、NGLなどの熱分解により得られるものが特に好まし
く使用される。
【0016】本発明では、このようなガス状炭化水素
を、炭化水素選択透過膜を有する膜分離装置に導入す
る。この膜分離装置は、炭化水素選択透過膜を有し、水
素と炭化水素とを分離できるものであればいずれも好適
に使用することができる。
【0017】この炭化水素選択透過膜は、ガス状の炭化
水素を透過し、水素を透過しにくい性質の膜であるのが
よく、好ましくは、炭素数8以下のガス状炭化水素化合
物の炭素数が大きいほど透過量が大きく、無機ガスより
もガス状炭化水素に親和性のある、高分子炭化水素選択
透過膜であるのが望ましい。また、この炭化水素選択透
過膜は、さらに好ましくは、下記式で求められる、エチ
レンと、水素ガスとの膜透過速度比が4〜10の範囲の
炭化水素選択透過膜であるのが望ましい。
【0018】
【数1】
【0019】本発明では、このような炭化水素選択透過
膜を有する膜分離装置により、ガス状炭化水素を分離す
るが、このとき該ガス状炭化水素の膜分離装置への導入
温度は0〜60℃、導入圧力は10〜50kg/cm2G程度
であるのが好ましい。
【0020】本発明で用いる膜分離装置は1つ以上であ
ればよく、所望により複数の膜分離装置を並列または直
列して用いてもよい。
【0021】このような膜分離装置に導入されたガス状
炭化水素は、膜分離装置中の炭化水素選択透過膜を透過
する成分であるエチレンをほぼ全量含む炭化水素ガス
(A)と、炭化水素選択透過膜を透過していない成分で
ある、実質的にエチレンを含まないガス(B)とに分離
される。このとき、炭素数2以上の炭化水素は実質的に
全量炭化水素選択透過膜を透過し、炭化水素ガス(A)
として得られる。また、水素およびメタンは、膜の性状
および膜分離条件にもよるが一般に、分離されたエチレ
ンをほぼ全量含む炭化水素ガス(A)と、実質的にエチ
レンを含まないガス(B)との両方に存在する。
【0022】このようにして、水素およびメタンの一部
が分離された、エチレンをほぼ全量含む炭化水素ガス
(A)が得られる。また、実質的にエチレンを含まない
ガス(B)は、適宜水素濃度を上げるなどの処理を行っ
て、水素化処理などのプロセスに使用することができ
る。
【0023】続いて膜分離装置より得られた炭化水素ガ
ス(A)を深冷分離する工程に供する。深冷分離する工
程では、炭化水素ガス(A)を冷却して気相と液相の混
合相とし、これを気液分離器でガス状成分と液状成分と
に分離する。
【0024】本発明では、深冷分離する工程は、炭化水
素ガス(A)を順次冷却した複数の温度帯域で、複数の
気液分離器を用いて分離するのが好ましい。
【0025】具体的には、膜分離装置から得られた水素
を実質的に含まない炭化水素ガス(A)を冷却して、気
相と液相との混合相とし、気液分離器でガス状成分と液
状成分とに分離する。気液分離器より得られたガス状成
分をさらに冷却して気相と液相との混合相とし、後続す
る気液分離器でガス状成分と液状成分とに分離する。こ
のように順次ガス状成分を冷却して、複数の温度帯域で
複数回の気液分離をするのが好ましい。
【0026】本発明では、このような深冷分離工程によ
り分離される液状成分をさらに分離することによってエ
チレンを製造することができる。
【0027】液状成分をさらに分離するには、脱メタン
塔プレフラクショネーター、脱メタン塔、エチレン精留
塔などの、通常のエチレン製造プロセスで用いる装置を
適宜使用することができる。
【0028】以下、本発明を図1および図2に基づいて
さらに具体的に説明する。図1は、本発明に係るエチレ
ンの製造方法を示す、概略フロー図の一例である。な
お、本発明はこのフロー図によるエチレンの製造方法に
何ら限定されるものではない。
【0029】図1に示すプロセスは、膜分離装置
(M)、熱交換器(E−1)〜(E−9)、気液分離器
(V−1)〜(V−5)、プレフラクショネーター(T−
1)および脱メタン塔(T−2)とから主として構成され
ている。
【0030】まず、原料である、水素、メタン、エタン
およびエチレンを含むガス状炭化水素を、炭化水素選択
透過膜を有する膜分離装置(M)に導入し、膜を透過す
る成分であるエチレンをほぼ全量含む炭化水素ガス
(A)と、膜を透過しない成分である実質的にエチレン
を含まないガス(B)とに分離する。
【0031】次に、気液分離器(V−1)〜(V−4)お
よび熱交換器(E−1)〜(E−4)において、膜を透過
した成分である、エチレンをほぼ全量含む炭化水素ガス
(A)の深冷分離を行う。膜分離装置(M)より得られ
た炭化水素ガス(A)を熱交換器(E−1)により冷却
し、気相と液相の混相の状態で気液分離器(V−1)に導
入する。気液分離器(V−1)より得られた液状成分はプ
レフラクショネータ(T−1)に、ガス状成分は熱交換
器(E−2)でさらに冷却して気液分離器(V−2)に導
入する。気液分離器(V−2)において得られた液状成
分は脱メタン塔(T−2)に、ガス状成分は熱交換器
(E−3)でさらに冷却して気液分離器(V−3)に導入
する。続いて気液分離器(V−3)において得られた液
状成分は脱メタン塔(T−2)に、ガス状成分は熱交換
器(E−4)でさらに冷却して気液分離器(V−4)に導
入する。さらに気液分離器(V−4)において得られた
液状成分は脱メタン塔(T−2)に導入する。
【0032】図1においては、深冷分離工程において、
エチレンのほぼ全量が気液分離器(V‐1)〜(V−4)
の液状成分(凝縮液)として回収され、(V−4)におい
て得られるガス状成分は、実質的にエチレンを含まな
い。(V−4)において得られるガス状成分は、そのまま
燃料ガスとして用いてもよく、また、熱交換器(E−
5)でさらに冷却して気液分離器(V−5)に導入し、ガ
ス状成分および液状成分に分離して、それぞれ燃料ガス
として用いてもよい。
【0033】このような深冷分離工程において、膜分離
装置(M)から供給される炭化水素ガス(A)は、好ま
しくは10〜45kg/cm2、より好ましくは20〜40k
g/cm2程度であるのが望ましい。本発明では、所望によ
り炭化水素ガス(A)をコンプレッサーなどを用いて加
圧した後に深冷分離工程に供給してもよい。
【0034】また、このような深冷分離工程において、
上記熱交換器(E−1)〜(E−4)における冷却温度は、
導入される炭化水素ガス(A)の組成および圧力などの
条件にもよるものであって、順次冷却してガス状成分の
一部が液化される温度であればよく特に限定されない
が、たとえば、熱交換器(E−1)の出口において−30
℃、熱交換器(E−2)の出口において−65℃、熱交換
器(E−3)の出口において−100℃、熱交換器(E−
4)の出口において−120℃程度とすることができ
る。
【0035】このような深冷分離工程において得られた
エチレンを含有する液状成分は、図2において概略を示
すように、脱メタン塔(T−2)、脱エタン塔(T−
3)、エチレン精留塔などからなる、後続する通常のエ
チレン製造工程に供することができる。通常このエチレ
ンを含有する液状成分は、脱メタン塔に導入して含有す
るメタンを分離するが、深冷分離工程で得られる液状成
分のうち、とくに重質の炭化水素を多く含む、気液分離
器(V−1)より得られた液状成分は、プレフラクショネ
ーター(T−1)によりメタンを含有しない比較的重質
の炭化水素を液状成分として分離して直接脱エタン塔に
導入し、メタンを含有するガス状成分のみを、冷却、液
化して脱メタン塔に導入するのが好ましいが、プレフラ
クショネーターを用いず、気液分離器(V−1)より得ら
れた液状成分を全量脱メタン塔(T−2)に導入しても
よい。脱メタン塔では、ガス状成分として得られるメタ
ンと、液状成分として得られる炭素数2以上の炭化水素
とに分離する。脱メタン塔(T−2)から得られる、エ
チレンを含む液状成分は、脱エタン塔(T−3)に導入
する。
【0036】脱エタン塔(T−3)では、エチレンを主
として含む炭素数2の炭化水素をガス状成分として、炭
素数3以上の炭化水素を液状成分として分離する。得ら
れたガス状成分である炭素数2の炭化水素は、冷却・液
化後した後、エチレン精留塔へ導入し、エチレンとその
他のガス状成分とに分離する。このようにして、エチレ
ンを分取して製造することができる。
【0037】脱エタン塔で得られた炭素数3以上の炭化
水素からは、同様にさらに分離することにより、プロパ
ンなどの成分を分取することができる。
【0038】
【発明の効果】本発明によれば、炭化水素選択透過膜を
有する膜分離装置により、ガス状炭化水素を深冷分離工
程に導入する前に、ガス状炭化水素中に含まれる水素の
ほぼ全量およびメタンの一部を分離することができるの
で、膜分離装置をもたない通常のエチレン製造方法およ
び水素透過膜を有する膜分離装置を用いたエチレンの製
造方法と比較して、深冷分離工程に供給する炭化水素ガ
スが少量である。したがって、深冷分離工程に係る冷却
エネルギーおよび冷媒などを大幅に節約することがで
き、また、装置への負荷を小さくすることができる。ま
た脱メタンを行うためのプレフラクショネーターおよび
脱メタン塔への負荷も低減することができる。
【0039】また、既設の深冷分離および、脱メタン塔
などの後続するエチレン分離装置を用いる場合には、処
理量を大幅に増加させることができる。
【0040】
【実施例】以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体
的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定される
ものではない。
【0041】
【実施例1】図1に示す脱メタン塔まわりの概略フロー図
を参照して以下に説明する工程で、ガス状炭化水素から
エチレンを製造するシミュレーションを行った。シミュ
レーションにはPRO/II(SIMULATION SCIENCES IN
C.社製)を用いた。
【0042】原料のガス状炭化水素としては、水素16
モル%、メタン32モル%、エチレン34モル%、エタ
ン4モル%、プロピレン9モル%、その他の炭化水素5
モル%の組成であるナフサの熱分解ガスをモデルとし
た。
【0043】また、以下の分離操作において、熱交換器
(E−1)、(E−6)および(E−8)はプロピレン冷媒
を、熱交換器(E−2)、(E−3)、(E−7)および(E
−9)はエチレン冷媒を使用する。
【0044】上記熱分解ガスを36kg/cm2Gまで昇圧し
た後、15℃に冷却してエチレンと、水素ガスとの膜透
過速度比が4〜10である炭化水素選択透過膜を有する
膜分離装置(M)に供給する。膜分離装置(M)では、原
料ガス中の水素の60%と、原料ガス中のメタンの50
%が、炭化水素選択透過膜を透過しないガス(B)とし
て分離される。
【0045】次に、膜分離装置(M)より得られた炭化
水素ガス(A)を、熱交換器(E−1)で−30℃に冷
却して、気液分離器(V−1)に導入し、凝縮液とガス
状成分とに分離する。気液分離器(V−1)から得られ
た凝縮液は、プレフラクショネーター(T−1)に導入
する。
【0046】プレフラクショネーター(T−1)では、
凝縮液に含まれるメタンをほぼ全量含むガス状成分と、
実質的にメタンを含まない液状成分に分離する。プレフ
ラクショネーター(T−1)塔底部から得られる、実質
的にメタンを含まない液状成分は、脱エタン塔に供給
し、塔頂部から得られるメタンをほぼ全量含むガス状成
分は、熱交換器(E−6)で−20℃に冷却し、一部を
プレフラクショネーター(T−1)にリサイクルさせな
がら、熱交換器(E−8)および(E−9)で−47℃に
冷却して脱メタン塔に供給する。
【0047】気液分離器(V−1)から得られたガス状
成分は、熱交換器(E−2)で−65℃に冷却して、気
液分離器(V−2)に導入し、凝縮液とガス状成分とに
分離する。気液分離器(V−2)から得られた凝縮液
は、脱メタン塔(T−2)に導入する。
【0048】つづいて、気液分離器(V−2)から得ら
れたガス状成分は、熱交換器(E−3)で−100℃に
冷却して、気液分離器(V−3)に導入し、凝縮液とガ
ス状成分とに分離して、凝縮液は脱メタン塔(T−2)
に導入する。気液分離器(V−3)から得られたガス状
成分は、熱交換器(E−4)で−120℃に冷却して気
液分離器(V−4)に導入し、凝縮液とガス状成分とに
分離して、凝縮液を脱メタン塔(T−2)に導入する。
【0049】脱メタン塔(T−2)では、メタンを主成
分とし実質的にエチレンを含まないガス状成分が塔頂部
より得られ、実質的にメタンを含まない液状成分が塔低
部より得られる。得られた液状成分は脱エタン塔に供給
する。
【0050】脱エタン塔では、エチレンを主成分とする
炭素数2の炭化水素をガス状成分として、炭素数3以上
の炭化水素を液状成分として分離する。得られたガス状
成分であるエチレンを主成分とする炭素数2の炭化水素
は、冷却・液化後した後、エチレン精留塔へ導入し、エ
チレンとその他のガス状成分とに分離し、エチレンを製
造する。
【0051】このシミュレーションの結果(物質収支)
を表1に示す。なお、表中、各成分の量については、単
位:kmol/hrで、合計量については単位:ton/hrでそれ
ぞれ示す。
【0052】また、図1に示す範囲内において、エチレ
ン冷凍系とプロピレン冷凍系コンプレッサーの全消費動
力は12,110KWである。
【0053】
【表1】
【0054】
【比較例1】実施例1において、膜分離装置(M)および
熱交換器(E−8)、(E−9)を用いないことの他は、
同様の装置構成である、図3に示す脱メタン塔まわりの
概略フロー図に沿って、ガス状炭化水素からエチレンを
製造するシミュレーションを行った。
【0055】原料のガス状炭化水素として、実施例1で
用いるのと同じナフサの熱分解ガスを用い、この熱分解
ガスを35.5kg/cm2Gまで昇圧して、熱交換器(E−
1)に導入し、以下、プレフラクショネーター(T−1)
塔頂から得られるガス状成分を熱交換器(E−6)で冷
却した−20℃の温度で脱メタン塔(T−1)に導入す
ることのほかは、実施例1と同様にして分離を行う。
【0056】このシミュレーションの結果(物質収支)
を表2に示す。なお、表中、各成分の量については、単
位:kmol/hrで、合計量については単位:ton/hrでそれ
ぞれ示す。
【0057】図3に示す範囲内において、エチレン冷凍
系とプロピレン冷凍系のコンプレッサーの全消費電力は
14,554KWである。
【0058】
【表2】
【0059】実施例1と比較例1との、エチレン冷凍系
とプロピレン冷凍系コンプレッサーの全消費電力を比較
すると、実施例1で用いられる全消費電力は比較例1の
約83%であって、大幅に消費電力を削減することがで
きる。また、膜分離装置を用いる実施例1では、同量の
原料ガス状炭化水素を処理する際よりも深冷分離する量
が少ないため、深冷分離を行う装置への負荷を低減する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明のエチレンの製造方法で用い
る、脱メタン塔まわりの概略フローの一例を示す図であ
る。
【図2】 図2は、本発明のエチレンの製造方法におけ
る分離シーケンスの一例を示す図である。
【図3】 図3は、従来のエチレン製造方法における脱
メタン塔まわりの概略フローの一例を示す図である。
【符号の説明】
(M) … 膜分離装置 (E−1)〜(E−9) … 熱交換器 (V−1)〜(V−6) … 気液分離器 (T−1) … プレフラクショネーター (T−2) … 脱メタン塔 (T−3) … 脱エタン塔

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】水素、メタン、エタンおよびエチレンを含
    むガス状炭化水素から、エチレンを製造する方法であっ
    て、 (I)ガス状炭化水素を、炭化水素選択透過膜を有する
    膜分離装置に導入し、 エチレンをほぼ全量含む炭化水素ガス(A)と、実質的
    にエチレンを含まないガス(B)とに分離する工程と、 (II)エチレンをほぼ全量含む炭化水素ガス(A)を深
    冷分離する工程とを有することを特徴とするエチレンの
    製造方法。
  2. 【請求項2】炭化水素選択透過膜が、エチレンと、水素
    ガスとの膜透過速度比が4〜10の範囲の炭化水素選択
    透過膜である、請求項第1項に記載のエチレンの製造方
    法。
  3. 【請求項3】炭化水素ガス(A)を深冷分離する工程(I
    I)が、ガス状成分を順次冷却した複数の温度帯域で、
    複数の気液分離器を用いて分離する工程である、請求項
    第1項または第2項に記載のエチレンの製造方法。
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