JP2000336381A - 都市ガスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
あり、メタノールを原料とする場合に比べて輸送効率が
高く、また、蒸発に際して余分な熱エネルギーを必要と
せず、中小規模の事業化にも適した都市ガスの製造方法
を提供すること。 【解決手段】 ジメチルエーテル(DME)を蒸発させ
スチームの存在下に加熱炉33で加熱し、多管式の改質
反応器35へ導いて改質用触媒に接触させることによ
り、メタンを主体として、CO2 、CO、H2 を含むガ
スに改質させる。続いて、圧力スイング吸着装置37に
導いてCO2 を吸着除去した後、メタン化反応器38に
導いてH2 、CO、CO2 をメタン化させることによ
り、メタンを主成分とする都市ガス用原料ガスが製造さ
れる。最終的に原料のDMEを増熱剤として添加し発熱
量を調整し都市ガスとする。
Description
に関するものであり、更に詳しくは、原料としてジメチ
ルエーテルを使用し、メタンを主成分として含む都市ガ
スを製造する方法に関するものである。
天然ガス(LNG)を気化して製造されている。しか
し、LNGを原料とする場合には、受入れたLNGを−
162℃以下の極低温に保つ貯蔵設備、および都市ガス
等にするための気化設備を必要とするので、LNGを原
料とする燃料ガスの製造は中小の規模の事業には適して
いないこと、またLNGは、近い将来、資源的な逼迫が
予想されていることから、LNG以外の原料を使用する
都市ガスないしは代替天然ガス(SNG)が望まれてお
り種々の製造方法が提案されている。
水素を原料とする方法であり、特公昭62−51134
号公報にはニッケル、セリウム、およびアルミナを含む
触媒によって炭素数2〜14の炭化水素のスチーム改質
を行い、メタン(CH4 )を主成分として水素(H2 )
、二酸化炭素(CO2 )、一酸化炭素(CO)を含む
ガスを製造する方法が開示されている。そのほか、特開
昭55−144089号公報にはルテニウムを含む触媒
によって重質炭化水素のスチーム改質を行いメタンを主
成分とするガスを製造する方法、特開昭62−1700
3号公報にはルテニウムを含む触媒に脱硫された炭化水
素を接触させてスチーム改質を行いメタンを主成分とす
るガスを製造する方法が開示されている。
(H2 O) との混合物を原料とする方法であり、特公昭
57−24835号公報にはルテニウムを含む触媒にメ
タノールまたはメタノールと水との混合物を接触させて
メタン、水素、二酸化炭素、一酸化炭素を含むガスを生
成させ、次いで水素および一酸化炭素をメタン化させて
高発熱量ガスを製造する方法が開示されている。また、
特開昭62−156196号公報には、ルテニウムおよ
びランタンを必須成分として含む触媒にメタノールまた
はメタノールと水との混合物を接触させて一段でメタン
を製造する方法が開示されている。
は、反応器出口ガスを一部循環し、反応器出口ガスから
熱回収された液相のメタノ−ルおよび水を循環ガスと直
接接触させて、効率よく蒸発させる方法が開示され、特
開平1−304184号公報には、アルコ−ルと水蒸気
を反応させて、反応生成ガス中の炭酸ガスを液相アルコ
−ルを用いて分離する方法が開示されており、特開平3
−123737号公報には、内部で反応熱を回収して原
料の蒸発、予熱を行わせる反応器形式が開示されてい
る。なお、本願のジメチルエーテルを原料とする都市ガ
スの製造方法についての先行技術は見出せない。
原料とする方法は、ナフサをはじめとする炭化水素に、
硫黄が含まれているので脱硫設備および水添脱硫用水素
の供給とリサイクル設備を必要とする。更には、脱硫工
程で生成する硫化水素中の硫黄は一般的には硫化亜鉛と
して固定されているが、硫化亜鉛は分解、再利用が困難
なために産業廃棄物とせざるを得ず、将来的に問題を残
している。
の場合に原料としてメタノールが使用されるが、メタノ
ール製造用の触媒が硫黄に弱くメタノールは製造の時点
で既に脱硫されているので、メタノールから都市ガスを
製造するに際しては新たに脱硫設備を必要とせず、その
点ではの炭化水素を原料とする方法よりは優れてい
る。しかし、メタノールからの都市ガスの製造は理論的
には次式に示すような反応によって行われる。 CH3 OH → 0.75CH4 +0.25CO2 +
0.5H2 O すなわち、1モルのCH3 OHに含まれる炭素原子
(C)のうちの75モル%がCH4 に転化され25モル
%がCO2 に転化される。この時、同時に0.5モルの
H2 O(メタノールの重量の28%に相当する水)を発
生するが、原料の輸送という観点からは燃料にならない
水を運んでいることになるので効率的でなく、また、都
市ガスの製造に際してメタノールを蒸発させる時にその
水に対応する分も蒸発させることになるので、熱エネル
ギーを不必要に消費することになる。また、都市ガスと
する場合には増熱剤として液化石油ガスが別途に必要と
なる。
に硫黄成分が含まれず、従って脱硫設備等の設置を必要
とせず、極低温の貯蔵設備も不要であり、また原料の輸
送効率がよく、原料を蒸発させるに際しても余分なエネ
ルギーを必要とせず、更には増熱剤として別途に液化石
油ガスを必要としない、中小規模の事業化にも適した都
市ガスの製造方法を提供することを課題とする。
構成によって解決されるが、その解決手段を説明すれ
ば、請求項1の都市ガスの製造方法は、ジメチルエーテ
ル(CH3 OCH3 、別な表示としてC2 H6 O)を原
料とし、これを蒸発させ、スチームの存在下に触媒に接
触させて改質し、主としてメタンを含むガスを生成させ
る製造方法である。原料のジメチルエーテルは、メタノ
ールを主成分とするアルコール類および/または水を含
む粗ジメチルエーテルであってもよい。このような都市
ガスの製造方法は、理論的には次式に示す反応によって
行われる。 C2 H6 O → 1.5CH4 + 0.5CO2 なお、共存させるスチームは反応系の温度上昇を抑制す
るためのものである。上記の反応式から明らかなよう
に、1モルのC2 H6 Oに含まれるCのうちの75モル
%がCH4 に転化され、25モル%がCO2 に転化され
ることは上述のメタノールを原料とする場合と同様であ
るが、H2 Oを生成しないので原料輸送の点で効率がよ
く有利であるほか、製造に際しての蒸発時に熱エネルギ
ーを不必要に消費させない。
製造方法は、改質時に存在させるスチームの量を(スチ
ーム/ジメチルエーテル)のモル比で示して、10/1
から0.5/1までの範囲内とする製造方法である。必
要な量のスチームは通常的には外部から反応系へ導入す
ることによって確保されるが、原料のジメチルエーテル
に水が含まれている場合には、その量によっては外部か
ら導入するスチームは不要になる。このような都市ガス
の製造方法は反応系の温度上昇の抑制に共存させるスチ
ーム量を制限し熱エネルギーの消費を抑制する。請求項
1に従属する請求項3の都市ガスの製造方法は、ジメチ
ルエーテルの改質時における温度を200℃から600
℃、好ましくは250℃から550℃までの範囲内とす
る製造方法である。このような都市ガスの製造方法は反
応系の過度な温度上昇による触媒の劣化を防ぎ、改質を
円滑に進行させる。
製造方法は、ジメチルエーテルの改質を、多段に設置し
た断熱型固定床式反応器に対し、スチームの存在下に ジメチルエーテルを直列的に供給し、かつ各段の間
で冷却手段を通過させる直列的な供給 ジメチルエーテルを分割してその一部を直列的に供
給すると共に、残部を後段側へ並列的に供給する複合的
な供給 の何れかによってジメチルエーテルを供給して行う製造
方法である。このような都市ガスの製造方法は、断熱型
固定床式反応器を使用する場合の改質反応の発熱による
反応系の過度な温度上昇を抑制し、改質を円滑に進行さ
せる。請求項1に従属する請求項5の都市ガスの製造方
法は、ジメチルエーテルの改質を単段または多段に設置
した流動層反応器または多管式反応器によって行う製造
方法である。このような都市ガスの製造方法は簡素な装
置構成によって反応系の過度な温度上昇を防ぎ得る。
製造方法は、改質を施した後に、副生している二酸化炭
素を除去する製造方法である。このような都市ガスの製
造方法は不燃性ガスを含まない高発熱量のガスを与え
る。請求項6に従属する請求項7の都市ガスの製造方法
は、二酸化炭素の除去を、 アルカノールアミン水溶液または熱炭酸カリウム水
溶液による吸収 圧力スイング法による吸着 分離膜による選択的な分離 のうちの何れかの方法によって行う製造方法である。こ
のような都市ガスの製造方法は改質されたガスから二酸
化炭素を確実に除去する。
製造方法は、二酸化炭素を除去する前または除去した後
に、副生している水素、一酸化炭素、および二酸化炭素
をメタン化させる製造方法である。このような都市ガス
の製造方法は生成される改質ガスの発熱量を更に増大さ
せる。請求項1に従属する請求項9の都市ガスの製造方
法は、生成されるガスに原料として用いているジメチル
エーテルを増熱剤として添加する製造方法である。この
ような都市ガスの製造方法は、液化石油ガスなど他の増
熱剤と比べて特別な貯蔵供給設備を必要とせず燃料ガス
の発熱量を規格に整合するように調整することを可能な
らしめる。
上述したように、ジメチルエーテルを原料として蒸発さ
せ、スチームの存在下に触媒に接触させて改質し、主と
してメタンを含むガスを生成させる製造方法である。
を製造し、そのメタノールを脱水して製造されてきた
が、近年では、次式で示すように、水素と一酸化炭素と
から直接に製造されるようになっている。 4H2 + 2CO → CH3 OCH3 + H2 O そして、この反応では、H2 O(水)以外にCH3 OH
(メタノール)が副生されることもある。本発明におい
ては原料として純ジメチルエーテルのほか、メタノール
を主成分とするアルコール類および/または水を含む粗
ジメチルエーテルも使用される。メタノールと同様、ジ
メチルエーテルには硫黄成分が含まれないので、都市ガ
ス化に際して脱硫設備は必要でない。また、ジメチルエ
ーテルの沸点は−25.1℃でありLPGと同程度であ
るので、LNGに要したような極低温の貯蔵設備は必要
でない。
媒に接触させ改質するに際しては如何なる方法を採用し
てもよいが、従来、炭化水素の改質用として知られてい
る触媒、例えば前述の特開昭62−17003号公報に
記載のルテニウム(Ru)を含む触媒や、特公昭62−
51134号公報に記載のニッケル(Ni)、セリウム
(Ce)、アルミナ(Al2 O3 )を含む触媒を使用
し、200℃〜600℃、好ましくは250〜550℃
の温度でジメチルエーテルを接触させることにより、前
述したように次式(1)で示す反応によって、主として
メタンを含むガスを生成させることができる。 C2 H6 O → 1.5CH4 + 0.5CO2 (1) しかし、実際には式(1)で生成するCH4 、CO2 の
ほかにH2 、COも生じて、次式(2)、(3)、
(4)に示すような反応も同時に進行する。 CO + 3H2 → CH4 + H2 O (2) CO + H2 O → CO2 + H2 (3) CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2 O (4) 従って、ジメチルエーテルを触媒に接触させ改質して得
られるガスには、CH4を主体とし、それ以外に、H
2 、CO、CO2 およびH2 Oが含まれる。そして、改
質ガスの組成は反応温度、使用する触媒の種類等によっ
て異なるが、H2 Oを除く組成は凡そCH4 が50〜7
0%、CO2 が20〜25%、H2 が10〜30%、C
Oが0〜3%の範囲にある。
反応においてニッケルを含む触媒を使用する場合には一
般的には事前に水素による還元処理を必要とするのでL
PGから都市ガスを製造する場合と同様に水素の供給設
備を必要とするが、LPGの場合におけるような脱硫用
ではないので簡易なもので充分であり、また水素のリサ
イクル設備も必要としない。また近年では部分還元安定
化されて事前の水素還元を必要としない触媒も市販され
ており、水素供給源は必ずしも必要でない。
り、それによって反応系の温度が過度に上昇すると、式
(1)の改質反応は化学平衡的に右辺へ進行しなくな
る。そのほか、次式で示すようにエチレン(C2 H4 )
を生成する副反応が生起する怖れもあり、エチレンは触
媒上に樹脂状物を析出させて改質反応を阻害する。 C2 H6 O → C2 H4 + H2 O 従って、反応系を適切に冷却して反応温度を上記の温度
範囲内に制御することが望ましい。なお、本発明ではジ
メチルエーテルの改質にスチームを共存させるが、スチ
ーム共存の主たる目的は反応系の温度上昇の抑制であ
る。しかし、スチームの共存は、都市ガス製造のプロセ
スをトータル的に見た場合、スチームの加熱、冷却に余
分な熱エネルギーを要し、その点では負の効果を与え
る。従って、共存させる場合のスチーム量は、(スチー
ム/ジメチルエーテル)のモル比で示して、10/1を
越える量のスチームは経済的でなく、10/1以下の比
にすることが好ましい。更には5/1以下とすることが
一層好ましいが、0.5/1よりも小さい値にすると反
応系の温度上昇の抑制が困難になる。スチームの使用量
と反応系の温度制御の容易さとを勘案して、上記のモル
比は1/1〜2/1の範囲程度とするのが最も好まし
い。
する反応に使用する反応器としては、内部冷却手段を持
たない断熱型固定床式反応器を使用することが可能であ
る。その場合、反応温度を所定の範囲に維持するための
特別の配慮が必要となる。例えば触媒を充填した断熱型
固定床式反応器を多段に配置して、スチームの存在下
に、ジメチルエーテルを直列的に供給すると共に各段
の間において冷却手段を通過させる直列的な供給、また
はジメチルエーテルを分割してその一部を直列的に供
給すると共に、残部を後段側へ並列的に供給する複合的
な供給を行なうなどである。そのほか、多孔性の分散板
の上部に配される流動床上の粉体状の触媒に下方から原
料ガスを導入して触媒の流動層を形成させ、かつ内部冷
却手段によって触媒を冷却し得るようにした流動層反応
器、ないしは多数本の反応管内に触媒を充填し、反応管
の外側となるジャケットには冷却用媒体を流すようにし
た多管式反応器を使用すれば、反応器を単段に設置して
も十分な冷却が可能である。これら流動層反応器や多管
式反応器を使用する場合においても、反応系にスチーム
を共存させることにより反応温度の制御が容易化される
ことは勿論である。
ガスに含まれている不燃性の二酸化炭素の除去が行われ
る。二酸化炭素の除去は如何なる方法で行ってもよい
が、実績のある次に示す方法の何れかが好適に採用され
る。 アルカノールアミン(HORNH2 )水溶液または
熱炭酸カリウム(K2 CO3 )水溶液による吸収 HORNH2 + H2 O + CO2 → HORNH3 HCO3 (5) K2 CO3 + H2 O + CO2 → 2KHCO3 (6) 何れの反応も可逆であり、吸収液の再生が可能である。 圧力スイング法による吸着 シリカゲル、モレキュラーシーブ、活性炭などに高圧下
にCO2 を吸着させ常圧下または減圧下にCO2 を脱着
させる。 分離膜による選択的な分離 CO2 の透過係数が大きい膜、例えばポリイミド膜、セ
ルロースエステル膜、ポリスルフォン膜等によって、C
H4 とCO2 との混合ガスからCO2 のみを選択的に分
離し得る。
生し含まれている一酸化炭素、水素および二酸化炭素に
対して前述の式(2)、(4)によるメタン化を施し発
熱量の増大化が行われる。このCO、CO2 、H2 のメ
タン化には前述の特公昭57−24835号公報に記載
されているニッケルやコバルト(Co)を含む触媒やル
テニウム(Ru)を含む触媒のほか、特公昭63ー88
10号に開示されているアルミナとニッケルと酸化バリ
ウム(BaO)を含む触媒が好適に使用される。なお、
メタン化は二酸化炭素の除去前または除去後の何れに行
ってもよく、その順序は問わない。
チルエーテルを増熱剤として添加してもよく、都市ガス
に規格として発熱量の数値が設定されている場合には、
その値に応じ得るように増熱剤の量を設定して添加し、
発熱量を調整することができる。ジメチルエーテルは気
体状態または液体状態の何れであってもよく、液体状態
の場合には気化装置を通して添加する。
製造する場合の諸特性をメタノールを原料とする場合と
比較して表1に示した。
べてジメチルエーテルの蒸発潜熱は小さく、気化させる
に要する熱エネルギーは小さくて済む。また、輸送する
液体原料の単位体積当りのメタンの理論生成量はジメチ
ルエーテルの方が大であり、その点で優れていることが
分かる。更には、改質時の発熱量もジメチルエーテルの
方が大であり、その熱を回収して原料ジメチルエーテル
の蒸発や加熱に有効に使用することができる。このよう
に都市ガス製造の原料としてジメチルエーテルを使用す
ることのメリットは大きい。
の製造方法を図面を参照して説明する。なお、以降、ジ
メチルエーテルはDMEと略記する。
の第1の製造フロー例を示す図であり、改質反応には断
熱型固定床式反応器が二段に設置されている。図1にお
いて、DME貯槽11からポンプ11Pによって配管1
aへ抜き出されるDMEは熱交換器12aにおいて気化
され、配管1bを経て加熱炉13の底部へ導入される。
一方、水貯槽14からポンプ14Pによって抜き出され
る水は配管1cを経て加熱炉13へ送られるが、配管1
cが加熱炉13内を通過する部分1dにおいてスチーム
化され、DMEの配管1bの途中へ導かれて合流され
る。すなわち、DMEは外部スチームと共に加熱炉13
の底部へ導入されて加熱された後、配管1eを経て、内
部冷却手段を備えていない断熱型固定床式反応器である
第1改質反応器15Aへ導かれ、内部に充填されている
触媒と接触して、前述の式(1)、(2)、(3)、
(4)に示す反応を生じ改質される。
導出されるガスは途中の冷却器15ARにおいて中間的
に冷却され、次いで配管1gを経由して、同じく断熱型
固定床式反応器である第2改質反応器15Bへ導入さ
れ、第1改質反応器15Aと同様な改質反応が追加的に
行われる。そして第2改質反応器15Bから配管1kへ
導出される改質ガスは途中に設けられた冷却器15BR
によって冷却されてメタン化反応器16へ導かれる。
1改質反応器15Aと第2改質反応器15Bとへ直列的
に供給して2段に反応させているのは、前述したよう
に、改質反応が発熱反応であり、その発熱によって反応
系の温度が過度に上昇すると式(1)に示すDMEの改
質反応が化学平衡的に右辺へ進行しなくなるほか、温度
上昇によって触媒表面への樹脂状物の付着や、触媒の種
類によってはシンタリングを生じて触媒の活性が低下す
るので、これらを防ぐためである。勿論、改質反応器を
三段以上に配置してもよい。なお、図1においては、改
質反応時に外部スチームを共存させた例を示している
が、原料のDMEに十分な量の水が含まれる場合は図1
から水貯槽14、水ポンプ14P、配管1c、1dを取
り外して、外部からスチームを導入しない製造フローと
することも可能である。
か、DMEを分割してその一部を第1改質反応器15A
と第2改質反応器15Bとへ直列的に供給すると共に、
残部を第2改質反応器15Bへ並列的に供給するように
してもよい。すなわち、熱交換器12aの下流側でDM
Eを分割して、その一部を分岐配管1hへ導き、加熱炉
13の頂部を貫通させて加熱した後、第1改質反応器1
5Aからの配管1fのガスと合流させて配管1gから第
2改質反応器15Bへ供給するようにしてもよい。この
ような複合的な供給とすることにより、第1改質反応器
15Aと第2改質反応器15Bとにおける負荷を一層均
等化させることが可能で、反応温度の均等化が容易にな
る。このような複合的な供給においても、原料のDME
に十分な量の水が含まれている場合には、外部からスチ
ームを導入しない製造フローとすることができる。
は、同反応器16内に充填されている触媒と接触され、
改質ガスに含まれている水素、一酸化炭素および二酸化
炭素が前述の式(2)、(4)に示される反応によって
メタンに転化され、改質ガスの発熱量の増大が行われ
る。このメタン化反応(メタネーション)は、従来から
メタン化反応の触媒として知られている触媒、例えば特
公昭63−8810号公報に開示されているアルミナと
ニッケルと酸化バリウムとを含む触媒を使用して、25
0〜400℃の温度、5〜80kg/cm2 の圧力の条
件下に行われる。なお、図1においては、メタン化反応
器16は断熱型固定床式反応器として示したが、後述す
るような流動層反応器または多管式反応器としてもよ
い。
スは配管1mを経由し熱交換器12aへ導かれて原料D
MEと熱交換され、更に配管1nを経て熱交換器12b
へ導かれ冷却されて、配管1jから凝縮タンク17Aへ
導かれ、凝縮水が分離されて凝縮タンク17Aの底部か
ら排除される。更に、改質ガスは凝縮タンク17Aと凝
縮タンク17Bを連結する配管1pの途中の冷却器17
BRによって冷却され、凝縮タンク17Bにおいて凝縮
水が更に分離され底部から排除される。
7Bから配管1qを経て二酸化炭素吸収塔18の底部へ
導入される。二酸化炭素吸収塔18では配管1yから頂
部へ導入される灌液のアルカノールアミン水溶液と向流
気液接触されて二酸化炭素が前述の式(5)に示すよう
に吸収される。従って、二酸化炭素の除去された改質ガ
スが都市ガス用原料ガスとして二酸化炭素吸収塔18の
塔頂の配管1rから取り出される。そして、その途中で
DMEが増熱剤として添加され都市ガスとして発熱量の
調整が行われる。すなわち、DMEはその配管1aから
分岐された配管1zを経由して気化器10へ送られて気
化され、バルブ10Vを介して改質ガスの配管1rの途
中に添加される。なお、原料としてメタノールその他の
アルコール類や水を含む粗DMEを使用する場合には、
これを増熱剤として使用することは出来ないので、その
場合には、別途、純度の高いDME、その他の増熱剤を
添加することが必要となる。
き出される高濃度に二酸化炭素を吸収したアルカノール
アミン水溶液は配管1sから熱交換器12cを経由して
配管1tからアルカノールアミン再生塔19の頂部へ導
入される。アルカノールアミン再生塔19の底部の液は
配管1uによって熱交換器12bへ送られて加熱され、
配管1vを経て戻されており、加熱されたアルカノール
アミン水溶液は吸収している二酸化炭素を放出するの
で、放出された二酸化炭素はアルカノールアミン再生塔
19の塔頂から配管1wを経て排出され、塔底からは二
酸化炭素を放出して再生されたアルカノールアミン水溶
液が抜き出され、ポンプ19Pによって配管1xから熱
交換器12cを経由し、途中の冷却器19Rで冷却され
て、配管1yから二酸化炭素吸収塔18の頂部へ灌液と
して戻される。なお、図1においては二酸化炭素の除去
にアルカノールアミン水溶液による吸収を例示したが、
これ以外の方法を採用してもよいことは勿論である。
の第2の製造フロー例を示す図であり、原料に水を含む
粗DMEが使用され、改質反応器には流動層反応器が採
用されている。図2を参照して、粗DME貯槽21から
ポンプ21Pによって配管2aへ抜き出される粗DME
は熱交換器22aにおいて気化され、配管2bを経て加
熱炉23へ導入され加熱される。加熱された粗DMEは
配管2cを経由して内部冷却手段25Cを備えた流動層
反応器25の底部へ導入され、粉体状の触媒Cを下方か
ら吹き上げて流動化させつつ接触し、DMEは前述の式
(1)、(2)、(3)、(4)に示す反応を生じて改
質される。使用される触媒の構成成分、改質反応の温
度、圧力は第1の製造フロー例の場合と同様である。流
動層反応器25の頂部から取り出される改質ガスは配管
2dを経て熱交換器22bを通過し、配管2eから熱交
換器22aを通過して冷却される。改質ガスは更に、配
管2fの途中に設けられている冷却器26Rで冷却さ
れ、凝縮タンク26に至って凝縮水が分離され底部から
排出される。
から選択的膜分離装置27へ導かれ、内部にセットされ
たポリイミドの選択的分離膜に接して二酸化炭素のみが
選択的に透過することにより分離される。すなわち、選
択的膜分離装置27内には外径1mm程度のポリイミド
の中空糸を多数本束ねた中空糸膜モジュールがセットさ
れており、配管2gからの改質ガスは中空糸の外側へ供
給されることにより、改質ガス中の二酸化炭素のみが中
空糸の壁を透過し、中空糸内へ分離される。そして、分
離された二酸化炭素は配管2hから排除され、二酸化炭
素が除去された改質ガスは配管2j、熱交換器22bを
経由して配管2kを送られ、その途中の冷却器28Rで
冷却されて、凝縮タンク28で凝縮水が分離されて底部
から排出される。凝縮水の分離された改質ガスは都市ガ
ス用原料ガスとして配管2nから送られるが、その途中
で純DMEが増熱剤として添加され発熱量の調整が行わ
れる。すなわち、原料の粗DMEは水を含んでおり、増
熱剤としては使用できないので、別に設けた増熱剤貯槽
24からポンプ24Pによって増熱剤としてのDMEが
抜き出されて配管2pを送られ、途中の気化器20にお
いて気化され、バルブ20Vを介して改質ガスの配管2
nの途中に添加される。なお、増熱剤としてLPGを用
いることも可能である。
の反応熱が比較的除去され易いので、図2は水を含む粗
DMEを原料とし、外部からはスチームを導入しない製
造フローとして示したが、反応系の冷却に外部からスチ
ームを導入するようにしてもよいことは勿論である。ま
た、二酸化炭素の除去に選択的膜分離装置27を採用し
て組み合わせたが、これ以外の除去方法を採用してもよ
い。更には、図2においては、改質ガスに含まれている
水素、一酸化炭素、および二酸化炭素のメタン化を行わ
ない都市ガスの製造フローを示したが、メタン化を組み
合わせてもよいことは言うまでもない。
の第3の製造フロー例を示す図であり、改質反応器には
多管式反応器が使用されている。図3において、DME
貯槽31からポンプ31Pによって配管3aへ抜き出さ
れるDMEは熱交換器32aにおいて気化され、配管3
bを経て加熱炉33の底部へ導入されて加熱された後、
配管3eを経て多管式反応器35に設けられた多数本の
反応管35T内へ導かれる。一方、水貯槽34からポン
プ34Pによって抜き出される水は配管3cによって加
熱炉33へ送られるが、配管3cが加熱炉33内を通過
する部分3dにおいてスチーム化され、配管3fを経て
多管式反応器35のジャケット35Jへ導かれる。すな
わち、多管式反応器35は触媒が充填された多数本の反
応管35Tとそれらの反応管35Tの外側のジャケット
35Jとからなっており、ジャケット35J内の熱水あ
るいはスチームは反応管35Tを冷却して配管3gから
取り出された後、DMEの配管3bの途中へ導かれて合
流される。
と共に加熱炉33の底部へ導入されて加熱された後、配
管3eを経て多管式反応器35へ導かれ、多数本の反応
管35T内の触媒に接触し、前述の式(1)、(2)、
(3)、(4)に示す反応を生じ改質される。各反応管
35T内に充填される触媒の種類、改質反応の温度、お
よび圧力は第1の例の場合と同様である。配管3hから
取り出される改質ガスは熱交換器32bを経由して配管
3jへ送られる。そして更に熱交換器32aを経由して
配管3kへ送られ、その途中の冷却器36Rで冷却され
て凝縮タンク36に至り、凝縮水が分離されて底部から
排出される。凝縮水の分離された改質ガスは配管3nを
経て圧力スイング吸着装置37へ導かれて二酸化炭素が
吸着除去される。すなわち、圧力スイング吸着装置37
においては吸着剤としてモレキュラーシーブが充填さ
れ、5〜80kg/cm2 の圧力下で二酸化炭素を吸着
し、常圧ないし減圧下で二酸化炭素を脱着させる吸着塔
が複数本内蔵されており、切り替えて使用される。そし
て脱着された二酸化炭素は配管3pから排出され、二酸
化炭素の除去された改質ガスは配管3qから取り出され
る。
qから熱交換器32bに至って予熱され、配管3rを経
て多管式反応器であるメタン化反応器38へ導かれる。
メタン化反応器38の多数本の反応管38T内にはメタ
ン化反応の触媒が充填されており、そのジャケット38
Jには内部冷却手段38Cによって熱水あるいはスチー
ムが冷却用に流されている。すなわち、二酸化炭素が除
去された改質ガスは多数本の反応管38T内の触媒に接
触することにより、含まれている水素、一酸化炭素およ
び二酸化炭素が前述の式(2)、(4)に示した反応に
よってメタンに転化され、改質ガスの発熱量の増大が行
われる。このメタン化反応に使用される触媒の種類、メ
タン化反応の温度、圧力は第1の例の場合と全く同様で
ある。
二酸化炭素を除去した後に、水素と一酸化炭素とのメタ
ン化を施しており、前述の第1の製造フロー例における
メタン化後の二酸化炭素の除去とは順序を逆にしてい
る。基本的にはそれらの順序は問わないが、含まれてい
る水素と一酸化炭素との濃度に比較して二酸化炭素の濃
度が大である場合には、二酸化炭素の除去を先に行うこ
とによって、水素と一酸化炭素とのメタン化の反応率を
向上させることができる。また逆に、水素と一酸化炭素
との濃度が二酸化炭素の濃度より大である場合には、水
素と一酸化炭素とのメタン化を先に行なうことにより、
二酸化炭素の除去工程における水素と一酸化炭素とのロ
スを防ぎ得るほか、二酸化炭素のメタン化も併行して行
うことができる。
3sから、その途中の冷却器39Rで冷却され、凝縮タ
ンク39に至って凝縮水が分離されて底部から排除され
る。凝縮水の分離された改質ガスは都市ガス用原料ガス
として配管3uから取り出されるが、配管3uの途中に
おいてDMEが増熱剤として添加されて都市ガスとして
発熱量の調整が行なわれる。すなわち、DMEの配管3
aから分岐された配管3zを経由してDMEが気化器3
0へ送られて気化され、バルブ30Vを介して改質ガス
の配管3uの途中へ添加される。
例に基づいて実施したプロセスシミュレーションおよび
反応実験の結果を説明する。
とに、DMEを400kg・mol/h(毎時18.4
トン)供給して都市ガスを製造する実施例を説明する。
この例では外部よりスチームを1000kg・mol/
h(毎時18トン)を導入し、DMEは第1改質反応器
および第2改質反応器へ各々200kg・mol/hず
つ分割供給するものとする。
kg/cm2 G、入口温度を300℃とし、表2の[1
e]の組成を持つ原料ガスを用いて以下の様な条件で反
応を行なった。 触媒………NiOとして60重量%のニッケル、CeO
2 として25重量%のセリウム、ならびに15重量%の
アルミナを粉末状態から径3mm、長さ3mmのペレッ
トに打錠成型した触媒(以下、触媒Aと呼ぶ)を200
cc充填した。 W/F……0.5kg触媒・h/kgDMEとした。こ
こで、W/FはDMEまたは粗DMEの単位重量供給速
度(kg/h)当たりの触媒重量(kg)であり、以後
の例でも同様の定義を用いる。 反応器……外部との熱の授受を実質的に排除した断熱構
造をもつ内径21.4mm、長さ1.5mのステンレス
製反応器を用いた。熱電対によって触媒層の温度分布を
測定するために、反応器の中心に外径3mm、内径2m
mのステンレス製のチューブを挿入した(以下、実験用
反応器Aと呼ぶ)。
スを流通させて8時間、触媒の前処理を行なった。そし
て入口温度300℃で反応を行なった結果、触媒層出口
での温度は545℃まで上昇した。反応器出口ガス組成
の分析を行なった結果、DMEは全て反応しており、表
2の[1f]のような流量と組成を持つ出口ガスを得ら
れることが分かった。
8.5kg/cm2 Gとし、表2の[1f]の組成と流
量を持つガスに、更にDMEを200kg・mol/h
を添加した表2の[1g]の組成を持つ原料ガスを用い
て反応実験を行なった。実験用反応器Aに触媒Aを20
0cc充填し、W/Fは0.5kg触媒・h/kgDM
Eとした。反応に先立ち、常圧下、350℃で水素ガス
を流通させて8時間、触媒の前処理を行なった。そして
入口温度を285℃として反応を行なった結果、触媒層
出口での温度は第1改質反応器での実験と同じ545℃
まで上昇した。反応器出口ガス組成の分析を行なった結
果、DMEは全て反応して表2の[1k]のような流量
と組成を持つ出口ガスを得られることが分かった。
型反応器であるメタン化反応器の入口圧力が17kg/
cm2 Gとして、表2の[1k]の組成を持つ原料ガス
を用いて反応実験を行なった。実験用反応器Aに、Ni
Oとして35重量%のニッケル、MgOとして12重量
%のマグネシウム、ならび53重量%のアルミナを粉末
状態から径3mm、長さ3mmのペレットに打錠成型し
た触媒を50cc充填した。なお、ガス空塔速度、すな
わち単位触媒層容積(m3 )あたりの原料ガス供給速度
(Nm3 /h)は15000h-1とした。反応に先立
ち、常圧下、280℃で水素ガスを流通させて8時間、
触媒の前処理を行なった。そして入口温度はそのまま2
80℃として反応を行なった結果、触媒層出口での温度
は400℃まで上昇した。反応器出口ガス組成の分析を
行なった結果、表2の[1m]のような流量と組成を持
つ出口ガスを得られることが分かった。
塔で二酸化炭素を除去するプロセスシュミレーションを
行なった。吸収液としてモノエタノールアミン溶液を吸
収液として用い、塔頂の温度40℃、圧力14kg/c
m2 Gの条件下でガス中の二酸化炭素は91.2%除去
され、表2の[1r]に示すような流量と組成を持つ都
市ガス用原料ガスが得られることが分かった。一日あた
りに得られる都市ガス用原料ガスの流量は36万Nm3
である。
とに、DMEを65重量%、メタノールを9重量%、水
を26重量%含む粗DMEを毎時28.2トン供給して
都市ガスを製造する実施例を説明する。供給原料中に含
まれるDMEは毎時400kg・mol(毎時18.4
トン)である。この例では外部からスチームを導入しな
いものとする。
るとして、入口圧力が30kg/cm2 G、入口温度を
300℃とし、表3の[2c]の組成を持つ原料ガスを
用いて以下の様な条件で反応を行なった。 触媒………2重量%のルテニウムを平均径が80μmの
アルミナ粉末に担持させた触媒を1500cc充填し
た。 反応器……反応器本体は内径53.1mm、高さ1.5
mのステンレス製で、反応器下部には原料ガスを触媒層
へ均一に分散するための焼結金属フィルターが溶接され
ている。反応器上部には触媒粉末の飛散を防止するため
に内径102.3mm、高さ70cmの拡大部が設置さ
れている。反応器内部には除熱のために全長7mで外径
3mm、内径2mmのステンレス製チューブをコイル状
に巻いた内部冷却器を設置し、その中を140℃に加熱
した熱水を流通させながら反応熱の除去を行なった。触
媒層の温度分布を測定するために、反応器の中心に外径
3mm、内径2mmのステンレス製のチューブを挿入し
た。 W/F……2.0kg触媒・h/kg粗DMEとした。
った結果、触媒層全体の温度は330℃で均一であっ
た。反応器出口ガス組成の分析を行なった結果、DME
とメタノールは全て反応しており、表3の[2d]のよ
うな流量と組成を持つ出口ガスを得られることが分かっ
た。
/cm2 Gの条件下でポリイミド中空糸膜によって二酸
化炭素を除去するプロセスシミュレーションを行なっ
た。その結果、表3の[2n]に示すような流量と組成
を持つ都市ガス用原料ガスが得られることが分かった。
1日あたりに得られる都市ガス用原料ガスの流量は35
万Nm3 である。
とに、DMEを400kg・mol/h(毎時18.4
トン)供給して都市ガスを製造する実施例を説明する。
この例では外部よりスチームを600kg・mol/h
(毎時10.8トン)導入する。
/cm2 G、入口温度を300℃とし、表4の[3e]
の組成を持つ原料ガスを用いて以下の様な条件で反応を
行なった。 触媒………2wt%のルテニウムを径3mm、長さ8m
mの押出成形品のアルミナ担体に担持した触媒を200
cc充填した。 W/F……1.5kg触媒・h/kgDMEとした。 反応器……内径21.4mm、長さ1.5mのステンレ
ス製反応器の外側に内径81.1mmのステンレス製の
ジャケットを設置し、その中を140℃の熱水を流通さ
せることによって反応熱の除去を行なうことができる実
質的に等温型の反応器を用いた。熱電対によって触媒層
の温度分布を測定するために、反応器の中心に外径3m
m、内径2mmのステンレス製のチューブを挿入した
(以下、実験用反応器Cと呼ぶ)。
った結果、触媒層出口では350℃まで温度が上昇し
た。反応器出口ガス組成の分析を行なった結果、DME
は全て反応しており、表4の[3h]のような流量と組
成を持つ出口ガスを得られることが分かった。
グ吸着(PSA)法によって二酸化炭素を除去するプロ
セスシュミレーションを行なった。圧力スイング吸着装
置の圧力を13kg/cm2 Gとする条件下で表4の
[3q]に示すような流量と組成を持つ都市ガス用原料
ガスが得られることが分かった。
0℃まで加熱し、多管式反応器であるメタン化反応器の
入口圧力が10kg/cm2 Gとして、表4の[3q]
の組成を持つ原料ガスを用いて反応実験を行なった。実
験用反応器Cに、NiOとして10wt%のニッケル、
BaOとして3wt%のバリウムを径3mm、高さ8m
mのアルミナの押出成型品に担持させた触媒を150c
c充填した。なお、ガス空塔速度は5000h-1とし
た。反応に先立ち、常圧下、300℃で水素ガスを流通
させて8時間、触媒の前処理を行なった。そして入口温
度はそのまま300℃として反応を行なった結果、触媒
層出口では温度上昇は観測されず300℃であった。反
応器出口ガス組成の分析を行なった結果、表4の[3
s]のような流量と組成を持つ出口ガスを得られること
が分かった。なお、メタン化反応器の出口ガスを40℃
まで冷却することで、表4の[3u]に示すような組成
の都市ガス原料ガスが一日あたりに32万Nm3 得られ
る。
施され、次に記載するような効果を奏する。
原料のジメチルエーテルは改質反応で水を生じないので
原料輸送の点で効率がよく、原料を蒸発させる場合にも
水に対応する余分な熱エネルギーを必要としない。更に
は、ジメチルエーテルは硫黄成分を含まないので脱硫設
備および水添脱硫用の水素の供給とリサイクルのための
設備を必要とせず、またLNGのように極低温の貯蔵設
備を必要しないので、都市ガスないしはLNGに替わる
代替天然ガス等の製造、供給を中小規模で事業化するこ
とを可能とする。
共存させるスチーム量を適切な範囲に設定することによ
って、ジメチルエーテルの改質反応の発熱による反応系
の過度な温度上昇を抑制するとともに、改質反応器に供
給される原料の加熱や、改質されたガスの冷却に要する
熱エネルギーの過大な消費を抑制する。スチーム量を大
とした場合の加熱、冷却に要する熱エネルギーの過大な
消費を抑制する。また、請求項3の都市ガスの製造方法
によれば、反応系の温度を所定の範囲内に制御すること
によって、ジメチルエーテルの改質反応の進行を円滑な
らしめ、かつ触媒の劣化を防ぐ。
発熱反応であるジメチルエーテルの改質反応に対し、中
間に冷却手段を配して断熱型固定床式反応器を多段に設
置すると共に、発熱を抑えるようにジメチルエーテルを
供給するので、簡易な構造の反応器による都市ガスの製
造を可能とする。また請求項5の都市ガスの製造方法に
よれば、発熱反応であるジメチルエーテルの改質反応に
対し、反応熱を効果的に除去し得る流動層反応器または
多管式反応器を使用するので、単段の反応器による製造
を可能とする。
ジメチルエーテルを原料とする改質ガスから含有されて
いる不燃性の二酸化炭素を除去することにより、改質ガ
スの単位容積当りの発熱量を増大させる。また。請求項
7の都市ガスの製造方法によれば、二酸化炭素の除去に
実績のある方法によって二酸化炭素を除去するので製造
プロセスの操業を安定化させる。また、請求項8の都市
ガスの製造方法によれば、改質ガスから二酸化炭素を除
去するほかに、含まれている水素、一酸化炭素および二
酸化炭素をメタン化させるので、改質ガスの発熱量を更
に増大させる。また、請求項9の都市ガスの製造方法に
よれば、添加する増熱剤の量を選定して、最終的に製造
される都市ガスの発熱量を所定の値に整合させることが
できる。
る。
Claims (9)
- 【請求項1】 ジメチルエーテルを原料とし、これを蒸
発させ、スチームの存在下に触媒に接触させて改質し、
主としてメタンを含むガスを生成させることを特徴とす
る都市ガスの製造方法。 - 【請求項2】 前記改質時に存在させるスチームの量を
(スチーム/ジメチルエーテル)のモル比で示して、1
0/1から0.5/1までの範囲内とする請求項1に記
載の都市ガスの製造方法。 - 【請求項3】 前記改質時における温度を200℃から
600℃、好ましくは250℃から550℃までの範囲
内とする請求項1または請求項2に記載の都市ガスの製
造方法。 - 【請求項4】 前記改質を、多段に設置した断熱型固定
床式反応器に対し、スチームの存在下に ジメチルエーテルを直列的に供給し、かつ各段の間
で冷却手段を通過させる直列的な供給 ジメチルエーテルを分割してその一部を直列的に供
給すると共に、残部を後段側へ並列的に供給する複合的
な供給 の何れかによってジメチルエーテルを供給して行う請求
項1から請求項3までの何れかに記載の都市ガスの製造
方法。 - 【請求項5】 前記改質を、流動層反応器または多管式
反応器によって行う請求項1から請求項3までの何れか
に記載の都市ガスの製造方法。 - 【請求項6】 前記改質を施した後に、副生している二
酸化炭素を除去する請求項1から請求項5までの何れか
に記載の都市ガスの製造方法。 - 【請求項7】 前記二酸化炭素の除去を、 アルカノールアミン水溶液または熱炭酸カリウム水
溶液による吸収 圧力スイング法による吸着 分離膜による選択的な分離 の内の何れかの方法によって行う請求項6に記載の都市
ガスの製造方法。 - 【請求項8】 前記二酸化炭素の除去前または除去後
に、副生している水素、一酸化炭素および二酸化炭素を
メタン化させる請求項1から請求項7までの何れかに記
載の都市ガスの製造方法。 - 【請求項9】 生成する前記ガスに原料のジメチルエー
テルの一部を増熱剤として添加する請求項1から請求項
8までの何れかに記載の都市ガスの製造方法。
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