JPS60186401A - 合成ガスの自熱製造方法及び該方法で使用される反応装置 - Google Patents

合成ガスの自熱製造方法及び該方法で使用される反応装置

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JPS60186401A JP60015259A JP1525985A JPS60186401A JP S60186401 A JPS60186401 A JP S60186401A JP 60015259 A JP60015259 A JP 60015259A JP 1525985 A JP1525985 A JP 1525985A JP S60186401 A JPS60186401 A JP S60186401A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は水素に富む合成ガス例えばアンモニア合成ガス
を製造する方法及び装置に係る。
炭化水素原料流（ｈｙｄｒｒｏｃａｒｂｏｎ　ｆｅｅｄ
　ｓｔｒｅａｍ）、例えば天然ガスからアンモニアを合
成する方法は勿論公知である。即ち、炭化水素フィルド
ガスと水蒸気との混合物を吸熱接触反応させて一酸化炭
素と水素とを生成する。この反応は一般に一次改質と指
称されている。次に必要なのは窒素の導入であり、一般
には空気の形状で窒素を導入して所望のアンモニア合成
ガスを生成する。これは二次改質と指称されている。
従来の工業用アンモニア合成に於いては一般に一次改質
ステッゾと二次改質ステップとを別々の反応装置で実施
する。このような方法は工場内で他にも蒸気が必要であ
る場合には極めて適切で好ましい方法である。即ちこの
種の工場では、二次改質処理後の反応生成物の高熱を蒸
気の発生及び／又は過熱に利用し、この蒸気とアンモニ
ア合成のプロセスで別途に使用するか又は該ゾロセスの
外部に取出して使用する。
工場内で他に蒸気を必要としない場合には、二次改質ス
テップで生じた熱を合成ガス製造プ皇セスで別途に利用
できるようにするのが有利である。
二次改質ステップで生じた熱の利用方法の１つとして、
この熱を一次改質ζこ利用する方法がある。
従って本発明の主たる目的は、前記の如き熱利用を高い
効率レベルで達成し得る方法及び装置を提供することで
ある。
アンモニア合成及び例えばメタノールの如き他の炭化水
素から誘導される生成物の製造技術はここ数年来極めて
高度化した。このような高度な技術に於いては原価効率
の向上が重要であるが、これを達成するときは極めて難
しい。従って、−次数質と二次改質との双方を１つの反
応装置で実施し得るように構成し高価な反応装置と不可
欠な連結装置とを削減することによって製造プロセスの
総原価を低減するのが好ましい。
上記目的を達成するための反応装置はこれまでにもいく
つか提案されたが常に何らかの重大な欠点が伴なってい
た。例えば米国特許第３，７５１，２２８号に記載の反
応装置に於いては、高熱の気体状改質生成物が改質反応
用の熱源きして利用されること無く反応装置底部から除
去される。改質ステップに必要な熱は反応装置外部から
導入される熱ガスによって供給される。米国特許第４，
１２７，２８９号にも同様の反応装置が記載されている
。
米国特許第４．０７１，３３０号に記載の反応装置は燃
焼炉の内部に配置されており反応装置のケーシングを介
した炉の熱伝達を利用して吸熱改質反応に必要な熱を供
給する。ケーシングは高級ニッケルークロム鋼の如き熱
伝導材から形成される。
米国特許第３，５４９，３３５号に開示された白熱反応
装置は、互いに離間した外側ケーシングと内側ケーシン
グとを備えており、両ケーシング間に環状通路が形成さ
れている。炭化水素と水蒸気との混合物は反応器の下部
で内側ケーシングの開口を通り管外部に位置する一次改
質触媒床を通過する。その後ガスは、燃焼反応生成物と
接触し最後に反応装置から排出される。燃焼ステップで
大気を利用するこの種の反応プロセスでは、高度化した
競争の激しい業界の現状から最も望まれていること、即
ち、吸熱反応により発生した熱の有効利用を達成するこ
とができない。
本発明の目的は前述の如く、合成ガス生成プロセス内で
発熱反応により発生した熱を有効利用すある。
本発明の方法及び装置では、蒸気と炭化水素フィードガ
スとの混合物を方法の燃焼反応生成物と向流する方向で
触媒に通すことによって一次改質処理する。該混合物は
一次改質触媒を収容した反応管を通過し、その後に酸素
又は酸素濃厚空気と接触して燃焼する。燃焼反応生成物
は第２触媒ゾーンに移り、付加反応即ち二次改質反応を
生じて合成ガスを生成する。合成ガスは反応管の外部を
循環する。従って、燃焼により発生した熱が、吸熱反応
たる一次反応ステップと二次反応ステップ図中、自熱反
応装置全体が参照番号１で示される。反応装置は熱交換
室２を備えておりまた蒸気と炭化水素フィードガスとの
混合物の導入口３を備える。該ガスは例えば天然ガスで
ある。複数の反応管４（判り易いように２つだけ図示）
が熱交換室に内蔵され管板５，６に取付けられている。
反応管は、−次触媒の固定床７を収容し得るように設計
されている。触媒としてニッケルの如き任意の適当な改
質触媒を使用し得ることは勿論であり、当業者は所望の
触媒を容易に選択し得るであろう。
円錐状部品として図示されたコレクタ１ｏは鉛直管１１
を備える。コレクタ１０は管板６の近傍で反応管と連通
して配置され、部分改質反応後のガスを反応管から反応
装置１の下部に備えられた燃焼反応室１２に移行させる
。図示のコレクタは円錐状であるが、別の形状を使用し
得ることも容易に理解されよう。
燃焼室内部で燃焼を生じさせるだめの酸素又は酸素濃厚
空気の導入口１３が反応装置底部に設けられている。燃
焼室１２と熱交換室２とを分離するために鉛直管１１の
末端近傍に隔壁１４が備えられている。隔壁１４に複数
の開孔１５が設けられており、これら開孔は、燃焼反応
生成物を通過せしめて全体が番号１６で示される第２触
媒ゾーンに導入する手段として機能する。燃焼反応生成
物はこの触媒ゾーンを通過し付加改質処理即ち二次改質
処理を受けて所望の合成ガスを生成する。
改質触媒としては、常用の触媒のいずれを使用してもよ
く、触媒の選択も当業者には容易であろう。
また、判り易いように比較的少量の触媒のみを図示した
が、触媒ゾーン全体で作用するように十分な量の触媒が
充填されることが理解されよう。
（以下余白） 前記の如く生成された合成ガスは第２触媒ゾーンから上
昇する。合成ガスはブローバッフル２０によって誘導さ
れる。バッフ／Ｉ／２０は反応管と高熱の反応生成物と
を緊密に接触せしむべく反応管４の外部を包囲している
。これによシ、燃焼によって発生した熱を反応管４内部
で生じる吸熱反応に必要な熱として有効利用し得る。
更に、導入口３のほぼ近傍に合成ガス排出口２１が設け
られている。排出口２１から排出されたガスは、精製処
理及びその他のアンモニア生成用処理を受ける（また、
個々の反応プロセス次第でアンモニア以外の生成物が得
られる）。
図示の反応装置は、点検又はその他の保守を行なうため
に従来同様の作業用通路（ｍａｎｗ’ａｙ　）　２２を
備える。必要な場合流れを分散させるため又は燃焼室に
付加的燃料ガスもしくは蒸気を導入するための付加的な
入口及び出口を反応装置に配設してもよい。
例えば本発明の転化プロセスを使用してアンモニア合成
ガスを生成する場合について説明する。
蒸気と天然ガス又は別の炭化水素フィードガスとの混合
物を約９００乃至１３００″Ｆの温度で導入口３から反
応装置１に導入する。混合物は管板５の開口と反応管４
とを順次通過し反応管から出て円錐状コレクタ１０に入
り鉛直管１１を経由して反応装置１の下部に到達し温度
約１１００乃至１４００　’Ｆで燃焼室１２に入る。室
温乃至約１００　’Ｆの酸素又は酸素濃厚空気を導入口
１３から燃焼室に導入して燃焼を生起する。燃焼反応生
成物は約２５００乃至３５００　’Ｆであシ隔壁１４の
開口１５を通って第２触媒ゾーン１６を通る。該ゾーン
で二次改質反応が生じる。
二次改質反応によって生成した合成ガス混合物の温度は
約１５００乃至２１００　’Ｆでアク、図示の経路で前
記の如く上昇して反応管４と緊密に接触し、所望の熱交
換を行なう。その結果、管４内部の蒸気と炭化水素フィ
ードガスとの混合物が加熱され、合成ガス混合物が冷却
される。排出口２１を出る合成ガス混合物の温度は約１
０００°乃至１３００　’Ｆである。
反応装置の内部圧力は主として大気圧から合成ガス転化
圧力までの範囲であシ、後者は使用した処理条件に左右
されるが現行の技術では約１２００ｐｓｉｇ　である。
アンモニア合成ガスの製造に使用される圧力は一般には
約７００　ｐｓｉｇである。
本発明の方法及び反応装置がアンモニア以外の生成物、
例えばメタノール、水素、オキソ−アルコール又ハフィ
ッシャーートロプシュ（ｐｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃ
ｈ　）法による炭化水素を製造するための合成ガスの製
造に使用できることは前記より理解されよう。これらの
方法の主要なステップが前記のアンモニア合成ガスの製
法の主要ステップと同じであるから、これら合成ガス製
造については詳述しない。
本発明の方法の効果を十分に発揮させるには、燃焼を生
起するために空気でなく酸素又は酸素濃厚空気を燃焼室
に導入することが重要である。酸素濃厚空気とは、酸素
含有率が約２５容量チ以上である空気混合物を意味する
。使用反応プロセス次第で酸素含有率は上記下限値から
１００％の範囲で選択され得る。例えばアンモニア合成
ガスの製放ガスの製造条件下では約３５容量チが最適で
あろう。これに対してメタノール製造の場合は、はぼ１
００％の酸素が使用されるであろう。いずれにしても当
業者は本出願の開示より、酸素の適当な比率及び酸素又
は酸素濃厚空気のいずれを使用するかについて容易に決
定し得るであろう。
空気に代る酸素濃厚空気の使用は多数の重要な利点を与
える。即ち、混合物中の酸素対窒素比を調節し得るので
燃焼反応生成物の窒素含有率を調整し易い。窒素は反応
装置から熱を奪うので燃焼反応後に得られた熱のレベル
を低下させる。即ち窒素が存在しなければよシ高い熱利
用レベルが得られる筈である。従って、窒素含有率の調
節は本発明方法に於いて極めて重要である。従って、本
発明によれば、窒素含有率を調節することによつ高の熱
利用レベルを達成し得る。
酸素濃厚空気と共に蒸気を燃焼室に導入し得ることも当
業者に容易に理解されよう。これによシ、反応体たる蒸
気を追加導入して一次改質反応で生じた不足を補償し得
る。また、蒸気の導入によって燃焼温度の調整が容易に
なり、上流の酸素濃厚空気予熱装置の効果を高める。
また、本発明の方法及び装置が従来の方法及び装置に比
較して重要な付加的利点を有することも当業者に理解さ
れよう。先ず、本発明の反応装置の資本コストは標準的
燃焼改質装置よυもかな９廉価である。また、本発明は
、高圧改質処理に容易に使用し得、装置のモジュール化
に極めて適している。このことは、発展途上国又は海洋
随伴ガスの利用に於いて極めて重要である。また、起動
時間を短縮し、その結果としてガスの使用量を節約し得
る。また、改質装置の待機時間を短縮し、このため、合
成装置が稼動していないときのガスの無効使用量を低減
する。本発明はまた、現行の多数パス、多数バーナ型燃
焼−次改質装置より起動と制御との自動化が容易である
。
更に、本明細誓で詳述した図示の自熱反応器は上から順
に熱交換室と二次改質触媒床と燃焼室とが配置された鉛
直形反応装置であるが、本発明の開示から反応装置の別
の物理的構成も可能であることが当業者に理解されよう
。また、本発明の好ましい具体例では図示の如く触媒を
内蔵した反応管を使用しているが、本発明の開示から反
応装置内部の流路を変更し、二次改質触媒ゾーンから出
た気体状生成物が反応管内部を通り、装置に導入される
蒸気とフィードガスとの混合物が反応管外部の触媒床を
通るように構成し得ることも当業者に明らかであろう。
これらの変形具体例は、もちろん前述の本質的特徴と原
理とを有している限り、本発明の範囲に包含される。
更に指摘すべきは、反応装置１のケーシング即ち壁の内
面が、熱伝導を最も少なくする材料例えば強化セラミッ
ク８によって断熱されていることである。この結果、熱
保存が得られ反応装置の近傍の作業員の安全が確保され
、同時にケーシング材料として例えば炭素鋼を使用し得
るので資本コストを下げることができる。また、管板５
と６との間の反応管４は番号２５で示す如く反応装置の
壁から反応装置内に懸吊又は懸垂されている。このため
、厚肉管よシも廉価で伝熱特性の良い薄肉管の使用が可
能である。何故なら薄肉管は圧縮強１９− 懸吊される取付は方法では変形又はへこみを生じない。
それ以外の取付方法の場合、管の変形又はへこみが生じ
るであろう。
【図面の簡単な説明】 図は、本発明の自熱反応装置の好ましい具体例の断面図
である。 １・・・反応装置、２・・・熱交換室、４・・・反応管
、５．６・・・管板、７・・・−次触媒床、１０・・・
コレクタ、　１１・・・鉛直管、１２・・・燃焼反応室
、　１４・・・隔壁、１６・・・ｇ２触ｍゾーン、２０
・・・バフル、２２・・・通路。 出願人　フルオー・っ−水９レイ′）３７代′りＪｙ　
ｋＦＩ！Ｉ：　Ｊｌｌ　口　義　）Ｊｆｉ２０−

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）炭化水素原料流から合成ガスを製造する方法であ
    って、蒸気と炭化水素フイードガスとの混合物を反応さ
    せるために使用する工程の燃焼反応生成物を冷却し且つ
    前記蒸気とフィードガスとの混合物の反応に必要な熱を
    供給するために前記混合物を前記燃焼反応生成物と向流
    する方向で触媒に通すこと、及び前記燃焼反応生成物を
    生成するために酸素又は酸素濃厚空気を導入することを
    特徴とする合成ガスの自熱製造方法。
  2. （２）合成ガスがメタノール、アンモニア、水素。 オキソ−アルコール又はフィッシャートロプシュ合成に
    よる炭化水素の製造に使用されることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項に記載の方法。
  3. （３）前記混合物が、触媒収容管を通過した後に酸素又
    は酸素濃厚空気と接触して燃焼を生じること、及び、前
    記燃焼反応生成物が第２触媒ゾーンを通過して付加的反
    応を生じること、及び、前記気体状反応生成物が管の外
    周を循環し、燃焼により発生した熱が管内で生じる吸熱
    反応の熱として供給されることを特徴とする特許請求の
    範囲第１項に記載の方法。
  4. （４）合成ガスがアンモニア製造用ガスであり、蒸気と
    フィードガスとの混合物は前記管と通過する間に改質処
    理され、更に前記燃焼反応生成物が前記第２触媒ゾーン
    を通過する間に更に改質処理されることを特徴とする特
    許請求の範囲第３項に記載の方法。
  5. （５）アンモニア、メタノール、水素もしくはオキソア
    ルコールの合成又は炭化水素のフィッシャートロプシュ
    合成に使用される合成ガスの自熱製造方法に於いて、蒸
    気と炭化水素フイードガ方向と向流的に触媒に通して前
    記混合物を一次改質処理し、次に前記部分改質ガスを酸
    素又は酸素濃厚空気と接触させて燃焼し、燃焼反応生成
    物を第２触媒ゾーンに通して付加的改質反応を生起せし
    めて合成ガスを生成し、次に、前記蒸気と炭化水素フィ
    ードガスとの混合物に対する　−熱交換が生じるように
    前記合成ガスを流動せしめ　−、前記燃焼反応によ り発生した熱が前記蒸気とフィードガスとの混合物の吸
    熱反応に要する熱を供給し且つ前記合成ガスが前記混合
    物との熱交換によって冷却されることを特徴とする合成
    ガスの白熱製造方法。
  6. （６）アンモニア、メタノール、水素もしくはオキソア
    ルコールの合成又は炭化水素のフィッシャートロプシュ
    合成に使用される合成ガスの白熱方向と向流的に触媒固
    定床双＃反応管に通して前記混合物を一次改質処理し、
    次に前記部分改質ガスを酸素又は酸素濃厚空気と接触さ
    せて燃焼し、燃焼反応生成物を第２触媒ゾーンに通して
    付加的改質反応を生起せしめて合成ガスを生成し、次に
    、前記反応管の外周で前記合成ガスを流動せしめ　−６
    だしおり、前記燃 焼反応により発生した熱が前記蒸気とフィードガスとの
    混合物の吸熱反応に要する熱を供給し且つ前記合成ガス
    が前記混合物との熱交換によって冷却されることを特徴
    とする合成ガスの白熱製造方法。
  7. （７）熱交換室と、前記熱交換室に蒸気とフィードガス
    とを導入する第１導入口と、前記熱交換室に内蔵されて
    おり一次改質反応を生起する触媒を収容し得る反応管と
    、−次改質反応後の気体状生成物を前記反応管から燃焼
    反応室に移送すべく前記反応管と連通する手段と、前記
    燃焼反応室に酸素又は酸素濃厚空気を導入する第２導入
    口と、前記熱交換室と前記燃焼室とを隔離する隔壁とを
    備えており、前記隔壁が燃焼反応生成物を通過せしめて
    第２触媒ゾーンに移行せしめる手段を備えており、該手
    段を介して前記燃焼反応生成物は付加的改質反応を生じ
    て合成ガスを生成すべく隔壁を通過し第２触媒ゾーンに
    到達し得ること、及び、前記合成ガスの摺ト出口が前記
    第１導入口のほぼ近傍で前記反応装置に設けられており
    、前記合成ガスが前記導出口から出る前に反応管の周囲
    を通過して前記反応管内の一次改質反応に必要な熱を供
    給し同時に冷却されるように構成されていることを特徴
    とする合成ガスの自熱製造用反応装置。
  8. （８）前記反応管の周囲で燃焼反応生成物の流れを誘導
    するために熱交換室内にフローパ・ｐルが配置されてい
    ることを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載の反応
    装置。
  9. （９）前記反応管と連通する手段が前記反応管の下端近
    傍に配置されたコレクタであり、前記コレクタが、前記
    コレクタから垂直に下方に伸びて前記燃焼室に接続する
    。Ｑイゾを備えることを特徴とする特許請求の範囲第７
    項に記載の反応装置。 ００）最高の熱利用を達成するために前記反応装置の内
    壁が断熱されていることを特徴とする特許請求の範囲第
    １７（１項に記載の反応装置。 ０１）前記反応管が前記反応装置の壁から懸吊されるこ
    とによって前記反応装置内に装着されることを特徴とす
    る特許請求の範囲第７項に記載の反応装置。
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