JPH11263740A - メタノ−ルの製造方法 - Google Patents
メタノ−ルの製造方法Info
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Abstract
とともにプラント全体のエネルギ−効率を向上させるメ
タノールの製造方法を提供する。 【解決手段】 原料ガスと水蒸気との原料混合ガスを一
次改質、二次改質、ついで合成反応に付してメタノ−ル
を製造するに際し、一次改質手段は燃焼型水蒸気改質炉
と熱交換型水蒸気改質器から構成され、原料混合ガスは
燃焼型水蒸気改質炉と熱交換型水蒸気改質器への供給量
が1対3〜3対1の割合とされ、燃焼型水蒸気改質炉へ
は硫黄分が除去された原料ガスの一部、燃焼用空気、メ
タノ−ル合成ル−プで発生する未反応の合成ガス及び好
ましくはフラッシュガスが燃料として供給され、熱交換
型水蒸気改質器へは二次改質反応後の合成ガスが熱交換
型水蒸気改質器の原料混合ガス加熱のために供給され、
メタノ−ル合成反応器における反応熱により発生された
スチ−ムは一次改質手段へ供給される原料ガスと混合さ
れることを特徴とするメタノ−ルの製造方法。
Description
分とする原料ガスを一次改質及び二次改質に付して、水
素と一酸化炭素及び二酸化炭素を含む合成ガスに転換
し、この合成ガスからメタノ−ルを製造する方法に関す
るものである。
る方法は、次の2つの反応から成立っている。
たCO、CO2及びH2のモル%間の関係(R)は、2.
0の場合が化学量論比となる。
モル%+CO2モル%) そのために、メタノ−ル合成に要求されるこの化学量論
的組成に非常に近いかまたは等しい組成、即ちR=2.
0となる組成の合成ガスを製造するべきであるという考
え方が一般的である。
6961号公報は供給原料を2つの流れに分け、その1
つの流れを通常の水蒸気改質に付し、この流出ガスとも
う1つの流れとを合流させて、酸素を用いて二次改質に
付し、メタノ−ル合成に好適な化学量論的組成(R=
2.0)を有する合成ガスをつくる方法を、また特開平
2−3614号公報は、この酸素を用いる二次改質の生
成物のエンタルピ−を水蒸気による一次改質の熱源とす
る方法を提案している。
=2.0にしようとすれば合成ガス圧縮のエネルギ−が
節減されるという効果はあるものの、酸素の消費量増大
によるエネルギ−の損失が大きくなる等の問題がある。
法として特開昭60−4140号公報は天然ガスを原料
とし、一次水蒸気改質、二次酸素燃焼改質によってメタ
ノ−ル合成ガスを製造するプロセスにおいて、R=2.
2〜2.5の組成となるように一次改質条件、二次改質
条件、酸素供給量等を設定することによって酸素製造、
合成ガス製造、メタノ−ル合成というプラント全体のエ
ネルギ−効率がR=2.0の場合より大となることを示
している。
に使用している燃焼型水蒸気改質炉の製作限界の問題、
1,000本を越えるような多数の反応管に均一に原料
を配分するための信頼性の問題点を有している。
方法では、プロセス系内に合成ル−プからのパ−ジガス
を燃料として有効に処分する燃焼系がないため、新規に
ガスタ−ビンを設置し、システムの効率維持を図るため
の大規模な設備投資が必要である。また、この方法は、
場合によっては、電力の外送等の手段を講じて余剰の熱
を外部に売却しなければその効率が保てない等の問題点
を有している。
ルを製造するプラントは、近年、燃料メタノ−ル製造の
ため大型化の様相を呈してきているメタノ−ルプラント
建設において、経済性を加味したコストの低減化ととも
にメタノ−ル合成プラント全体のエネルギ−効率を更に
向上させることが要求されている。
合成ガスの製造をも含めてメタノール合成プラント全体
のエネルギー効率が改善されるメタノールの製造方法を
提供することにある。
技術が有する問題点を解消すべく鋭意検討した結果、次
に記載する方法によりプラント全体のエネルギ−効率が
更に大幅に向上することを見出した。
水素(H)と炭素(C)との原子比H/Cが3〜4であ
る炭化水素からなる原料ガスまたは原子比H/Cが2〜
3である炭化水素をプレリフォーマーで処理した原料ガ
スを、圧力が15〜40Kg/cm2−G(ゲージ)、
触媒出口温度が700℃〜850℃、水蒸気(S)と原
料ガス中の炭素のモル比S/Cが2.5〜4.0の条件
下での一次改質、及び圧力が15〜40Kg/cm2−
G、触媒出口温度が950℃〜1000℃で、純度95
%以上の酸素を用いる二次改質に付して水素、一酸化炭
素及び二酸化炭素のモル%の関係(R)が次の式 R=(H2モル%−CO2モル%)/(COモル%+CO
2モル%) により計算して2.2〜2.5である合成ガスを取得
し、次いで該合成ガスを圧力40〜100Kg/cm2
−G、触媒温度210〜300℃のメタノール合成に付
してメタノールを製造する方法であって、該一次改質は
燃焼型水蒸気改質と熱交換型水蒸気改質とからなり、硫
黄分を除去された該原料ガスに水蒸気をS/Cが2.5
〜4.0になるよう混合した原料混合ガスを該燃焼型水
蒸気改質及び該熱交換型水蒸気改質に1対3〜3対1の
割合で供給し、該燃焼型水蒸気改質は、該硫黄分が除去
された原料ガスの一部およびメタノール合成ループにお
いて蓄積するイナート成分を除去するために発生する合
成パージガスを燃焼させて得られる燃焼ガスを加熱源と
して実施し、該燃焼型水蒸気改質から排出される燃焼ガ
スを該燃焼型水蒸気改質へ導入される該原料混合ガスと
熱交換させて該原料混合ガスを加熱し、一方該熱交換型
水蒸気改質は、該原料混合ガスを該二次改質からの該合
成ガスと、熱交換させて加熱することにより実施し、か
つ該メタノール合成における反応熱の回収により発生し
たスチームを該一次改質へ供給される該原料ガスと混合
するための水蒸気として用いることを特徴とするもので
ある。
ガスは、原子比H/Cが3〜4の炭化水素ガス、例えば
メタンを主成分とする天然ガス、あるいは原子比H/C
が2〜3の、ナフサのような液状炭化水素を、よく知ら
れているように、プレリフォーマーにおいて、例えば酸
化ニッケルを主成分とする触媒の存在下、250℃〜5
50℃の温度で水蒸気によって予備改質して得られる原
子比H/Cが3〜4の炭化水素ガスである。
水蒸気改質炉と熱交換型水蒸気改質器から構成し、硫黄
分が除去された原料ガスに水蒸気が混合した原料混合ガ
スは、燃焼型水蒸気改質炉と熱交換型水蒸気改質器のそ
れぞれに供給される。この供給量を1対3〜3対1の割
合に調節することによって、燃焼型水蒸気改質炉ではメ
タノ−ル合成ル−プで発生する未反応の合成ガス及びフ
ラッシュガスが燃料の大部分として利用可能となる。一
方、熱交換型水蒸気改質器では二次改質反応の終了した
合成ガスを原料混合ガスとの熱交換のために利用するこ
とが可能となった。
反応器において反応熱により発生されたスチ−ムは一次
改質手段へ供給される原料ガスと混合されるので、外部
からのスチ−ム供給量を最小限に押さえることが可能と
なり、プラント内で発生するエネルギ−を有効に利用す
ることができる。
4〜3/4を二次改質の生成物のエンタルピ−を熱源と
して利用し、且つ、R=2.2〜2.5の組成となるよ
う酸素供給量を設定して合成のパ−ジガスが一次改質の
燃焼型水蒸気改質炉の必要燃料量と概ねバランスするよ
う調整することにより、一次改質に要する燃料を節減
し、且つ酸素の圧縮動力を軽減させることが可能となっ
てプラント全体のエネルギ−効率が1〜2%向上する。
生成物のエンタルピ−を熱源として利用する場合、一次
改質に要する燃料の10%以上の削減は期待できない
し、3/4以上の場合では、R=2.2〜2.5を実現
することが不可能となる。
れる熱は、二次改質の部分燃焼反応によって得られる。
この部分燃焼を行うのに必要な酸素量は二次改質反応の
終了した合成ガス組成にも影響を与える。
よう酸素供給量を設定し、熱交換型水蒸気改質器の負荷
を決め、原料混合ガスの配分を決めたとき、メタノール
合成からのパ−ジガスが一次改質の燃焼型水蒸気改質炉
の必要燃料量と概ねバランスするようR値、燃焼型水蒸
気改質炉及び熱交換型水蒸気改質器の負荷配分が調整さ
れる。
明する。天然ガスなどの、メタンを主成分とする原料ガ
スは、ライン1から供給され、燃焼型水蒸気改質炉22
の燃焼ガスの排熱を利用した原料予熱器36によって脱
硫温度である約400℃まで昇温された後、脱硫器20
に供給されて水蒸気改質触媒の触媒毒である硫黄分を完
全に除去する。脱硫された原料ガスは、ライン18から
供給される水蒸気と混合される。このときに、メタノ−
ル合成反応器29で発生した水蒸気が回収されてライン
41からも原料ガスへ混合される。従って、外部からラ
イン18によって供給される水蒸気は一次改質手段で必
要な水蒸気量がライン41からの水蒸気で不足する分の
みを補給すればよいので、従来方法で必要とされた水蒸
気量の約70%を削減することができる。
一部が燃焼型水蒸気改質炉22の脱硫された補助燃料と
してライン17を介して燃焼型水蒸気改質炉22へ供給
される。
スは、熱交換型水蒸気改質器21へはライン3から供給
され、燃焼型水蒸気改質炉22へは混合ガス加熱器34
で約560℃まで加熱された後、ライン2を介して供給
される。改質器21へ供給される原料混合ガスと改質炉
22に供給される原料混合ガスとの供給量の割合が1対
3から3対1とされる。
へ供給されるライン3の原料混合ガスは、ライン42を
介して供給される燃焼後のガスの保有熱に余裕があれば
混合ガス加熱器34で加熱した後に燃焼型水蒸気改質炉
22への供給ライン2から分岐させて、熱交換型水蒸気
改質器21へ供給してもよいし、ライン3上に別途混合
ガス加熱器を設置し、加熱した後に供給してもよい。ま
た、熱交換型水蒸気改質器の改質ガスと熱交換した後に
供給してもよい。
タノ−ル合成ル−プのパ−ジガスがライン13、フラッ
シュガスがライン15及び補助燃料がライン17から夫
々供給され、また燃焼用空気はライン19から供給され
て低NOxバ−ナ−により燃焼させられ、水蒸気改質の
反応熱が与えられる。燃焼型水蒸気改質炉22は、ニッ
ケル系の触媒を充填した複数の反応管を並列に設置した
ものであり、反応管の出口運転条件は圧力15〜40K
g/cm2−G、700℃〜850℃、例えば圧力1
9.4Kg/cm2−G、温度800℃、未改質メタンの
残留量は10.6ドライ・モル%である。
の温度は約1000℃であり、このガスは燃焼型水蒸気
改質炉22からライン42を介して混合ガス加熱器3
4、ボイラ−水予熱等の熱回収設備35及び原料予熱器
36等で更に排熱が回収される。
21に供給された原料混合ガスは、二次改質器23から
ライン7へ取出された温度950〜1000℃の合成ガ
スとの熱交換によって反応熱が与えられる。熱交換型水
蒸気改質器21の原料混合ガスは、ニッケル系触媒が充
填された管側を通す。管側の出口運転条件は、例えば圧
力19.4Kg/cm2−G、温度820℃、未改質メタ
ンの残留量は9.5ドライ・モル%である。
5%程度の未改質メタンを含む合成ガスは、ライン4及
びライン5から二次改質器23へ供給されて未改質メタ
ンが改質される。二次改質器23には、空気分離器33
を介して95〜99%濃度の酸素がライン6から供給さ
れる。酸素の供給量は、二次改質器23出口の合成ガス
の組成である水素、一酸化炭素及び二酸化炭素のモル%
間の関係(R)が次式により計算して2.2〜2.5と
なるように調整される。R=(H2モル%−CO2モル
%)/(COモル%+CO2モル%)二次改質器23の
出口運転条件は圧力15〜40Kg/cm2−G、温度
950℃〜1000℃、例えば圧力19.0Kg/cm2
−G、温度950〜1000℃、未改質メタンの残留量
は0.4ドライ・モル%である。ライン7を通して熱交
換型改質器21のシェル側に供給されて水蒸気改質の反
応熱を供給した合成ガスは、ライン8を介してボイラ−
水予熱等の熱回収設備24に供給された後、冷却器25
で水分が凝縮され、次に凝縮水分離器26で凝縮水が分
離される。
れた合成ガスは、40〜100Kg/cm2−G、例え
ば100Kg/cm2−Gまで昇圧される。昇圧された合
成ガスは、メタノ−ル合成反応器29へライン10を介
して供給されるが、メタノ−ル合成反応器29へ供給さ
れる前に、メタノ−ル分離器31からライン14へ取出
された未反応の合成ガスと混合された後、メタノ−ル合
成反応器29からライン11へ取出された合成ガスと熱
交換されて210〜240℃まで昇温される。
に、例えば圧力40〜100Kg/cm2−G、温度21
0〜300℃の条件下で行われる。この際、ボイラ−水
をライン40からメタノ−ル合成反応器29に供給し
て、反応熱をライン41から水蒸気として回収する。こ
の水蒸気は改質用スチ−ムとして使用される。
生成メタノ−ルを含む合成ガスはライン11を介して取
出され、メタノ−ル合成反応器29へ供給される合成ガ
スと熱交換された後、凝縮器30で生成メタノ−ルを凝
縮させてメタノ−ル分離器31で凝縮粗メタノ−ルが未
反応の合成ガスと分離されるが、未反応の合成ガスの大
部分は、循環圧縮機28を通してメタノール合成ガス反
応器29へ循環され、その残部は蓄積するイナート成分
を除去するためにのパ−ジガスとしてライン13から燃
焼型水蒸気改質炉22へ供給されて燃料として有効利用
される。合成ル−プ内に不活性なメタンおよび窒素が多
量に蓄積すると、メタノ−ル合成反応器29内の水素、
一酸化炭素、二酸化炭素の分圧を下げるので、この循環
ル−プより適当量のパ−ジを行うことによってメタノ−
ル合成効率の低下を防止する。
12の粗メタノ−ル中には高圧で溶解しているガス成分
があるので、レッドダウンドラム32で減圧フラッシュ
して溶解しているガス成分をライン15へ取出し、この
フラッシュガスも燃焼型改質炉22の燃料として利用す
る。
はライン16からメタノ−ル精製設備へ供給される。
0トンのプラント設計の実施例ならびに比較例により詳
細に説明する。
燃焼型水蒸気改質炉と熱交換型水蒸気改質器を設置し、
二次改質には空気分離器から得た酸素を利用した。合成
ガス中のCO2、CO及びH2のモル%間の関係(R)が
2.5となるようにプロセス設計パラメ−タ−を調整
し、以下の条件で設計合成ガスの製造及びメタノールの
合成を行った。
された各ラインの番号を表し、横欄は各ラインを流れる
物質の圧力、温度、流量及び組成を表す。
的なエネルギー原単位(G(ギガ)cal/トン−メタ
ノ−ル)は、6.692であった。
様の条件で行った。物質収支を表2に示した。
す通り、総括的なエネルギー原単位(Gcal/トン−
メタノ−ル)は、6.714であった。従来法の比較例
2に比べ、1.40%の向上となった。更に、比較例2
に比べて燃焼型改質炉必要燃料、正味天然ガス燃料消費
量が低減された。
中のCO2、CO及びH2間のモル%間の関係(R)が
2.25となるように調整し、その他は実施例1と同様
の条件で行った。物質収支を表3に示した。
的なエネルギー原単位(Gcal/トン−メタノ−ル)
は、6.711であった。従来法の比較例2に比べ、
1.45%の向上となった。更に、比較例2に比べて燃
焼型改質炉必要燃料、正味天然ガス燃料消費量が低減さ
れた。
中のCO2、CO及びH2間のモル%間の関係(R)が
2.0となるように調整し、その他は実施例1と同様の
条件で行った。物質収支を表4に示した。
的なエネルギー原単位(Gcal/トン−メタノ−ル)
は、6.848であった。従来法の比較例2に比べ、
0.57%悪化となり、、実施例1、実施例2および比
較例2に比べて必要酸素量、総所要動力が増大した。
来方法で行い、原料は実施例2と同じ組成の天然ガスを
原料として合成ガス中のCO2、CO及びH2間のモル%
間の関係(R)が2.5となるように調整し、その他は
実施例1と同様の条件で行った。物質収支を表5に示し
た。
的なエネルギー原単位(Gcal/トン−メタノ−ル)
は6.809であった。しかしながら、ここではプロセ
スからの熱回収量が回転機の総所要動力量を大きく上回
るため、系外へエネルギ−を売却できる環境になけれ
ば、ここで示す原単位の達成に寄与できない。
(R=2.0)といわれるCO2、CO及びH2間のモル
比となる合成ガスを製造することが必ずしもメタノ−ル
プラントの総括的なエネルギ−効率を最適にするもので
はないことが明らかとなった。即ち、Rが小さくなるほ
ど必要酸素量が増大し、それに応じて空気分離装置に空
気を供給するための空気圧縮機所要動力及び当該酸素圧
縮機所要動力が増大する。
の所要動力は、化学量論比に近いほど低減されるが、空
気圧縮機及び酸素圧縮機の所要動力を合わせて総動力消
費量として考えれば、その低減分を超えて総動力消費量
として増大するのみである。その結果、プロセス熱回収
も含めた総括的なエネルギ−効率として原料及び燃料天
然ガスの所要量が低減する分も更に相殺され、逆に効率
が悪化の方向に転じることが明らかになった。その分岐
点は、Rが2.25付近であることを見出した。
は、実質的に熱交換型改質器のみで賄えるようになる
が、熱交換型改質器をスタ−トするためのスタ−トアッ
プヒ−タ−が必要となり、過剰に必要な酸素関連装置の
コストアップと合わせて設備投資が必要となり、エネル
ギ−効率的にも投資コスト的にも経済的ではない。
の大きい機器である燃焼型水蒸気改質器、空気分離装置
及び大型回転機器類を総じた経済性を考えると、合成ガ
ス中のCO2、CO及びH2間のモル%間の関係(R)を
2.2〜2.5の範囲内に選定し、設計すべきであるこ
とを見出した。
の製造を含めた全メタノール製造プロセスのエネルギー
効率が従来の方法に比して改善されるとともに、プラン
ト建設費も低減される。
ロ−シートである。
Claims (4)
- 【請求項1】 水素(H)と炭素(C)との原子比H/
Cが3〜4である炭化水素からなる原料ガスまたは原子
比H/Cが2〜3である炭化水素をプレリフォーマーで
処理した原料ガスを、圧力が15〜40Kg/cm2−
G、触媒出口温度が700℃〜850℃、水蒸気(S)
と原料ガス中の炭素のモル比S/Cが2.5〜4.0の
条件下での一次改質、及び圧力が15〜40Kg/cm
2−G、触媒出口温度が950℃〜1000℃で、純度
95%以上の酸素を用いる二次改質に付して水素、一酸
化炭素及び二酸化炭素のモル%の関係(R)が次の式 R=(H2モル%−CO2モル%)/(COモル%+CO
2モル%) により計算して2.2〜2.5である合成ガスを取得
し、次いで該合成ガスを圧力40〜100Kg/cm2
−G、触媒温度210〜300℃のメタノール合成に付
してメタノールを製造する方法であって、該一次改質は
燃焼型水蒸気改質と熱交換型水蒸気改質とからなり、硫
黄分を除去された該原料ガスに水蒸気をS/Cが2.5
〜4.0になるよう混合した原料混合ガスを該燃焼型水
蒸気改質及び該熱交換型水蒸気改質に1対3〜3対1の
割合で供給し、該燃焼型水蒸気改質は、該硫黄分が除去
された原料ガスの一部およびメタノール合成ループにお
いて蓄積するイナート成分を除去するために発生する合
成パージガスを燃焼させて得られる燃焼ガスを加熱源と
して実施し、該燃焼型水蒸気改質から排出される燃焼ガ
スを該燃焼型水蒸気改質へ導入される該原料混合ガスと
熱交換させて該原料混合ガスを加熱し、一方該熱交換型
水蒸気改質は、該原料混合ガスを該二次改質からの該合
成ガスと、熱交換させて加熱することにより実施し、か
つ該メタノール合成における反応熱の回収により発生し
たスチームを該一次改質へ供給される該原料ガスと混合
するための水蒸気として用いることを特徴とするメタノ
ールの製造方法。 - 【請求項2】 原料ガスの一部と合成パージガスとに加
えて、メタノール合成から排出されるメタノールを常圧
に減圧することにより放出される、その中に溶解してい
た合成ガスを燃焼させて該燃焼ガスを得る請求項1に記
載の方法。 - 【請求項3】 メタノール合成から排出され、スチーム
発生により熱回収された後の、メタノールおよび未反応
合成ガスからなる流出ガスを、メタノール合成に導入さ
れる合成ガスと熱交換させて該合成ガスを加熱する請求
項1に記載の方法。 - 【請求項4】 該二次改質から該熱交換型水蒸気改質に
おける熱交換を経て取り出される合成ガスを、メタノー
ル合成において熱回収に用いられるスチーム発生用水を
熱交換して冷却する請求項1に記載の方法。
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