JP2001509771A - 反応剤の一つとして豊化された酸素を使用する触媒的または非触媒的プロセスを実施する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、酸素が反応剤の一つであり、酸素含有ガス混合物から供給され、酸素は酸素イオンおよび電子の混合伝導膜から高温で掃引ガスにより透過側から取り上げられ、このように形成された酸素含有掃引ガスを触媒的または非触媒的プロセスの反応剤とする、触媒的または非触媒的プロセスを実施する方法に関するものである。掃引ガスは燃料を燃焼することによる掃引ガス予備加熱器として設計された触媒的または非触媒的反応器の中で予備加熱される。膜装置から取り出される酸素含有掃引ガスは、触媒的反応器内で炭化水素燃料と反応することによるアンモニア生成の合成ガスの製造に使用される。掃引ガスとして使用される工程ガスは、硝酸プロセスのアンモニアバーナーから出るＮＯ含有ガスであり、かつそれから形成される酸素含有ガスは硝酸製造に使用されることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 反応剤の一つとして豊化された酸素を使用する触媒的または 非触媒的プロセスを実施する方法 技術分野 本発明は、酸素を含有するガス混合物から酸素を供給することを含む、反応剤 の一つとして酸素を使用する触媒的または非触媒的プロセスを実施する方法に関 するものである。 背景技術 従来の、酸素が反応剤の一つである触媒的または非触媒的プロセスにおいては 、酸素の供給は通常空気を圧縮して行われ、これはそれから液化または極低温ゆ ユニットで処理される。回収された酸素は通常圧縮され、ある程度まで再加熱さ れる。このようなプロセスにおいては、酸素供給に関して必要なエネルギーはプ ロセス全体の総エネルギー消費の大部分を占める。それで、酸素気流の空気液化 および圧縮および再加熱には大量のエネルギーを必要とする。さらにこれらのプ ロセスの装置は高価である。 ガス分離の分野にはいくつかの方法が知られている。比較的新しい技術は、イ オン的および電子的に伝導性の材料からなる膜を使用する。そのような膜は酸素 イオンおよび電子の混合伝導性の膜であり、たとえば酸素含有ガス混合物から４ ００−１３００℃で酸素を分離できるようなものである。酸素分圧の差異は、高 酸素分圧側（供給側）における酸素の還元と低酸素分圧側（透過側）における酸 素イオンの酸化により、膜を通しての酸素の移動をもたらす。膜の本体の中では 、酸素イオンは拡散により移動する。同時に電子は膜の透過側から供給側へ流れ る。 ガス混合物の分離において混合伝導膜を使用することは特許出願ＥＰ０６５８ ３６７Ａ２により知られている。この応用は、混合伝導膜による空気からの酸素 の分離を示し、ガスタービンシステムに組み入れられている。純粋な酸素が膜装 置の透過側で大気圧またはそれ以下の圧力で回収される。この酸素は約５０℃以 下に冷却され、酸化反応装置に供給される前に所定の圧力に再び圧縮される。 本発明の主たる目的は、反応剤の一つとして酸素を使用する触媒的または非触 媒的プロセスを実施する改良された方法を提供することにある。 他の目的は、意図された低エネルギー消費と低投資コストで当該プロセスに酸 素を供給することにある。 さらにまた本発明の目的は、既存のプ工程気流を利用して安価な酸素を当該プ ロセスに供給することにある。 またこの基本概念を硝酸の製造に適用することにある。 安価な酸素を供給するのに直面する一つの問題は、基本工程は実質的に変更し ないことである。さらに現存する高温工程気流を利用することができるのが有利 である。そこで、本発明者等はこれらの両方の要求を満たす解決方法を探すこと から出発した。 反応剤の一つとして酸素を使用する触媒的または非触媒的プロセスは、通常少 なくとも一つの高温の工程気流を含み、混合伝導膜を利用する要件の一つを満た す。しかし、高度な分離効率を達成し、冷却や再圧縮を不要とするには、膜の透 過側における適用可能な掃引ガス（sweep gas）が必要である。一つの要件は、 工程における掃引ガスの適用はなんらの追加の反応剤またはガスを必要とせず、 高価な新規プロセス装置の設置も必要としないで掃引ガスを作ることが可能なこ とである。 触媒的または非触媒的プロセスに酸素を供給する種々の方法を評価した後、本 発明者等は上記ＥＰ出願における教示にも係わらず混合伝導膜を使用することの 可能性をさらに調べることにした。それにより、問題のプロセスでは種々の高温 ガス流が掃引ガスを作るのに利用できることが判った。このような掃引ガスは、 スチーム、触媒的または非触媒的化学反応の生成物、または再循環不活性ガスで もあり得る。高温圧縮空気が混合伝導膜に供給され、これは透過側では上述のタ イプの掃引ガスに曝され、そして膜装置から酸素を取り上げる。このようにして 酸素で富化された掃引ガスは、最終所望製品を作るための反応器に送られる。 酸素の分圧を低下させ酸素の除去率または酸素回収率を向上させるために掃引 ガスを固体電解膜と組み合わせることは、米国特許５，０３５，７２６により知 られている。この特許において、膜を通しての酸素の選択的透過により粗アルゴ ンを精製することが記述されている。粗アルゴンは圧縮され加熱されて膜に供給 され、酸素を含まないアルゴン流として得られる。膜によるガス分離の効率を改 良するために、膜の透過側は極低温装置から得られる窒素により掃引される。 当該アルゴン精製プロセスにおいては、膜を冷却せずそして膜を通しての酸素 の透過率を減少しないために、少なくとも５００℃、好ましくは６００−７００ ℃以上の温度の掃引ガスを得るために高温熱交換器が必要とされる。むしろ小さ いプロセスプラントあるいは低い酸素流量においては、高温熱交換器における掃 引ガスの予備加熱が経済的に可能である、しかし、数トン／日の酸素を回収する 場合には、掃引ガスの予備加熱のための高温熱交換器は非常に高価であり、経済 的ではない。掃引ガスとして高温工程ガスを適用することにより、上記米国特許 の掃引ガス加熱の問題は回避される。 アンモニア酸化工程における純水酸素の使用は、一般に米国特許３，９２７， １８２により知られている。この特許によれば、酸素は酸素プラント、たとえば 極低温プラントから供給され、この酸素は再循環テールガスと混合され、この酸 素含有テールガスは循環圧縮機で圧縮され、それから気化アンモニアと混合され この混合ガスはアンモニアバーナーに供給される。このプロセスの主たる不利益 は、エネルギー消費が大きく酸素のコストが高いことである。 発明の開示 したがって本発明はその最も広い範囲で、酸素が反応剤の一つであり、酸素含 有ガス混合物から供給され、酸素は酸素イオンおよび電子の混合伝導膜から高温 で掃引ガスにより透過側から取り上げられ、このように形成された掃引ガスは、 膜装置の下流の以下に主反応として定義される触媒的または非触媒的酸化プロセ スの反応剤とする、触媒的または非触媒的プロセスを実施する方法を包含する。 当該方法において掃引ガスは、膜装置の上流にある掃引ガス予備加熱器として 定義される触媒的または非触媒的反応器において、燃料を燃焼することにより予 備加熱される。 本発明のさらなる態様では、掃引ガスとして使用される工程ガスは主反応器か らの気相生成物または気相生成物の一部である。 本発明の他の態様では、主反応器で利用されなかった酸素含有ガスが掃引ガス 予備加熱器に使用される。 掃引ガスとして使用される工程ガスが、スチームを化学量論的な量の燃料およ び空気と混合しこのように形成されたガス混合物を含有するスチームである。こ のように形成された混合物を掃引ガス予備加熱器に供給し、スチームを含有する 掃引ガスの温度を４００℃および１３００℃の間に上昇させる。 膜装置を出る掃引ガスの組成および酸素含有量は、掃引ガス予備加熱器への供 給流および膜装置の透過側への酸素移動の量を調整することにより、主反応器か ら出る生成物に所望の温度上昇およびガス組成を与えるように調整されることが できる。 掃引ガス予備加熱器内での温度は、スチーム、水、触媒的または非触媒的反応 器での反応に関与しない不活性ガスまたはガス混合物等の冷却媒体を添加するこ とにより調節することができる。 膜装置から酸素を取り出した含有掃引ガスは、炭化水素燃料と反応することに よるアンモニア生成の合成ガスの製造に使用されることができる。 掃引ガスとして使用される工程ガスは、硝酸プロセスのアンモニアバーナーか ら出るＮＯ含有ガスであり、かつそれから形成される酸素含有ガスは硝酸製造に 使用されることができる。 主製品は掃引ガス予備加熱器内で形成され、掃引ガス予備加熱器を出るガスは 膜装置の掃引ガスとして使用され、そして酸素を含有する掃引ガスは冷却されて 一つの製品流と一つの酸素含有流として分離され、そして該酸素含有流は掃引ガ ス予備加熱器に酸化剤として再循環される。 本発明を実施例および対応する図面によりさらに説明する。 図面の簡単な説明 図１は、従来の酸素供給装置の代わりに、混合伝導膜を使用した酸素の供給を 含むプロセスを示す。 図２は、本発明による酸素供給を含むプロセスを示す。発明を実施するための最良の形態 図１は、触媒的または非触媒的なまたはその組み合わせの化学プロセスを示し 、ここでは、酸素は空気流から混合伝導膜１６により４００−１３００℃で分離 され、ここでは酸素気流は上記したＥＰ０６５８３６７Ａ２に記述されている方 法で分離される。このようにして得られた酸素は通常の方法で化学プロセスに供 給される。 圧縮空気流１は混合伝導膜装置１６に供給される。混合伝導膜装置１６の透過 側からは純粋な酸素が回収される。酸素を失った空気は空気流２として装置１６ から出る。酸素流７は熱回収装置１７で最初にスチームを発生させ、さらに熱交 換器１８での冷却水により４０℃以下に冷却される。酸素流８はそれから中間冷 却を備えた１段または多段圧縮機１９で所定圧力まで圧縮され気流９となり、１ または１以上の反応剤を含有するガス混合物１０とともに装置２０に供給される 。可能ならばまた、反応剤１１も装置２０に供給される。装置２０での生成物は 気流１２であり、これは気流１３および１４として分離して取り出すこともでき る。ガス混合物１０は装置２１中で、反応剤３を天然ガス、ＣＯやＨ₂を含有す る合成ガス、アンモニア、メタノール等をたとえばスチーム（気流４）または不 活性ガス（気流５）および場合によりまた酸素含有ガス流６または再循環工程ガ ス流１５（これは生成物流１２の一部であり得る）と混合することにより得るこ とができる。装置２１は触媒的または非触媒的反応器あるいはスタティックガス ミキサーであってもよい。 図１に記述のプロセスは、しかしながら、酸素供給において望ましくないエネ ルギー消費を必要とする。 図２は本発明による触媒的または非触媒的な化学プロセスを示し、ここでは酸 素反応剤は混合伝導膜１４から供給され、ここでは膜の透過側に掃引ガスが供給 される。 圧縮空気流１は混合伝導膜１４に供給される。膜の１４透過側に掃引ガス７が 供給され、これは装置１４から酸素を取り上げ酸素含有ガス流８となり、これは 化学反応装置１５に供給される。この化学反応装置１５には反応剤流９も供給さ れ、生成物流１０となり、これは気流１１および１２として分離して取り出すこ ともできる。触媒的または非触媒的装置１６には、天然ガス、ＣＯやＨ₂を含有 するガス、アンモニア、メタノール等の反応剤３をたとえばスチーム（気流４） または不活性ガス（気流５）および場合によりまた酸素含有ガス流６または再循 環工程ガス流１３（これは生成物流１０の一部であり得る）等とともに供給する 。装置１６での生成物はそれから混合伝導膜１４の掃引ガスとして使用される。 上記したシステムを酸素供給のために適用することにより、図１の装置１７，１ ８および１９が必要でなくなり、設備投資が少なくなり、エネルギー消費も減少 する。 実施例 実施例 １ この実施例は図２に記述される装置のシステムにより実施される化学プロセス を示す。高温圧縮空気１を１−３０バール（ｂａｒａ）および５００−１２００ ℃で膜装置に供給する。この膜装置の透過側には反応器１６で生成した掃引ガス 流７が１−３０バール（ｂａｒａ）および４００−１３００℃が供給され、酸素 をそこから回収する。反応器１６は触媒的または非触媒的反応器であってよい。 酸素を含有する掃引ガス（気流８）は触媒的または非触媒的反応器１５に供給さ れ、反応剤９と反応し、全プロセスの所望の製品を生成する。しかしながら、そ の製品の一部は掃引ガス製造反応器１６に循環させられてもよい。そしてこのガ スは、反応器１６に要求される条件にしたがって冷却、圧縮され、その酸素含有 量を調節される。 図２による化学プロセスの代わりの態様は、装置１６において所望の生成物が 生じ、該生成物流７（掃引ガス）は膜の透過側に供給される。酸素含有生成物流 ８は冷却され、これは一つの生成物流１１および他の一つの生成物流１２として 分離される。そこで装置１５は不要となる。気流１２はそれから圧縮機またはフ ァンにより循環され、得られた酸素含有気流１３は酸化剤として反応器１６に供 給される。 実施例 ２ この実施例は、本発明を合成ガス中にいくらかの窒素が受容可能である合成ガ スプロセスに、酸素の供給をすることに適用することを示す。この合成ガスはア ンモニア製造に使用され、または一度あるいは部分的に一度メタノールまたはフ ィッシャートロプシュプロセスを経て使用される。 スチームは高温燃焼燃料と混合することにより予備加熱される。主としてＨ₂ Ｏ、Ｎ₂、ＣＯ₂を含有する混合物が膜装置の掃引ガスとして使用される。代わり に、空気、燃料およびスチームが混合され、触媒上を通過させられ、燃料を年少 させる。製造された掃引ガスの組成は、下記の表に示されるとおりである。膜装 置を出る（膜出口）ガスの組成もまた示される。組成は容積％で示される。 この実施例は、膜を出るガスがこのガスと炭化水素との燃焼により合成ガスの 製造に十分の酸素（７．８７容積％）を取り上げたことを示す。たとえば、アン モニアの製造では掃引ガス中のＮ₂とＯ₂の比は、最終合成ガス製品の中のＨ₂と Ｎ₂との所望の比率を与えるように調節される。 実施例 ３ この実施例は、本発明を閉鎖ループ系硝酸プロセスに、酸素の供給をすること に適用することを示す。本発明の酸素の供給は、アンモニアバーナーを出る生成 物を掃引ガスとして適用し、混合伝導膜の透過側から酸素を取り上げることを包 含する。上記に引用した米国特許３，９２７，１８２におけるように、テールガ スの主たる部分は再循環される。しかしながら、本発明による再循環テールガス は少なくとも１５％の酸素を含み、そしてアンモニアバーナーの酸化剤として適 用される。従来の閉鎖ループ系硝酸プロセスに酸素を供給する方法に比較して、 本発明は酸素気流の再圧縮を必要としないので、エネルギー消費を軽減する。 本発明によれば、本発明者等は従来のプロセスに比較して低設備費でより良い エネルギー利用を約束するフレキシブルなプロセスに到達した。これは混合伝導 膜の透過側における掃引ガスの適用と、掃引ガスを入手可能な高温工程気流によ り補足することにより得られる。したがって、当該プロセスにおける掃引ガスの 適用には、追加のガスや追加の燃料やエネルギーの供給は必要としない。ここに 記述された混合伝導膜の適用は、原則としていくつかのタイプのプロセスと同じ 方法で使用することができる。酸素富化された掃引ガスは図１の混合伝導膜装置 １６を高圧、高温で出るので、これは、直ちに冷却したり、再圧縮したり、再加 熱したりすることなく、所望製品の最終生成物のための反応器に直接移動させる ことができるので、図１の装置１９のような大きな圧縮機、装置１７、１８のよ うな熱交換器を節約することができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年５月３１日（１９９９．５．３１） 【補正内容】 請求の範囲 １．酸素が反応剤の一つであり反応器中で触媒的または非触媒的プロセスを実施 する方法において、該酸素が酸素含有ガス混合物から酸素イオンおよび電子の混 合伝導膜内で分離され、ここで酸素は膜の透過側から掃引ガスにより取り上げら れ、このように形成された酸素含有掃引ガスを該プロセスの反応剤として使用す ることを特徴とする、触媒的または非触媒的プロセスを実施する方法 ２．掃引ガスが反応器からの再循環ガスであることを特徴とする、請求項１の方 法。 ３．膜装置の上流に位置し、燃料を燃焼することによる掃引ガス予備加熱器とし て設計された触媒的または非触媒的反応器の中で掃引ガスが予備加熱されること を特徴とする、請求項１の方法。 ４．掃引ガスとして使用される工程ガスが、膜装置の下流の反応器からの気相生 成物または気相生成物の一部であることを特徴とする、請求項１の方法。 ５．膜装置の下流の反応器からの気相生成物または気相生成物の一部が主反応で 利用されない酸素を含有し、該工程ガスが掃引ガス予備加熱器の酸化剤として適 用されることを特徴とする、請求項１の方法。 ６．掃引ガスとして使用される工程ガスがスチーム含有ガスであり、スチームを 化学量論的な量の燃料および空気と混合しこのように形成された混合物を掃引ガ ス予備加熱器に供給し、スチームを含有する掃引ガスの温度を４００℃および１ ３００℃の間に上昇させることにより加熱されることを特徴とする、請求項１の 方法。 ７．膜装置を出る掃引ガスの組成および酸素含有量が、掃引ガス予備加熱器への 供給流および膜装置の透過側への酸素移動の量を調整することにより、触媒的ま たは非触媒的プロセスからの生成物流に所望の温度上昇およびガス組成を与える ように調整されることを特徴とする、請求項１の方法。 ８．スチーム、水、触媒的または非触媒的反応器での反応に関与しない不活性ガ スまたはガス混合物等の冷却媒体を添加することにより掃引ガス予備加熱器内で の温度上昇が調節されることを特徴とする、請求項１の方法。 ９．．膜装置から取り出される酸素含有掃引ガスは、触媒的反応器内で炭化水素 燃料と反応することによるアンモニア生成の合成ガスの製造に使用されることを 特徴とする、請求項１の方法。 １０．掃引ガスとして使用される工程ガスは、硝酸プロセスのアンモニアバーナ ーから出るＮＯ含有ガスであり、かつそれから形成される酸素含有ガスは硝酸製 造に使用されることを特徴とする、請求項１の方法。 １１．主製品は掃引ガス予備加熱器内で形成され、掃引ガス予備加熱器を出るガ スは膜装置の掃引ガスとして使用され、そして酸素を含有する掃引ガスは冷却さ れて一つの製品流と一つの酸素含有流として分離され、そして該酸素含有流は掃 引ガス予備加熱器に酸化剤として再循環されることを特徴とする、請求項１の方 法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．酸素が反応剤の一つであり、酸素含有ガス混合物から供給され、酸素は酸素 イオンおよび電子の混合伝導膜から高温で掃引ガスにより透過側から取り上げら れ、このように形成された酸素含有掃引ガスを触媒的または非触媒的プロセスの 反応剤とする、触媒的または非触媒的プロセスを実施する方法 ２．燃料を燃焼することによる掃引ガス予備加熱器として設計された触媒的また は非触媒的反応器の中で掃引ガスが予備加熱されることを特徴とする、請求項１ の方法。 ３．掃引ガスとして使用される工程ガスが、膜装置の下流の反応器からの気相生 成物または気相生成物の一部であることを特徴とする、請求項１の方法。 ４．膜装置の下流の反応器からの気相生成物または気相生成物の一部が主反応で 利用されない酸素を含有し、該工程ガスが掃引ガス予備加熱器の酸化剤として適 用されることを特徴とする、請求項１の方法。 ５．掃引ガスとして使用される工程ガスがスチーム含有ガスであり、スチームを 化学量論的な量の燃料および空気と混合しこのように形成された混合物を掃引ガ ス予備加熱器に供給し、スチームを含有する掃引ガスの温度を４００℃および１ ３００℃の間に上昇させることにより加熱されることを特徴とする、請求項１の 方法。 ６．膜装置を出る掃引ガスの組成および酸素含有量が、掃引ガス予備加熱器への 供給流および膜装置の透過側への酸素移動の量を調整することにより、触媒的ま たは非触媒的プロセスからの生成物流に所望の温度上昇およびガス組成を与える ように調整されることを特徴とする、請求項１の方法。 ７．スチーム、水、触媒的または非触媒的反応器での反応に関与しない不活性ガ スまたはガス混合物等の冷却媒体を添加することにより掃引ガス予備加熱器内で の温度上昇が調節されることを特徴とする、請求項１の方法。 ８．膜装置から取り出される酸素含有掃引ガスは、触媒的反応器内で炭化水素燃 料と反応することによるアンモニア生成の合成ガスの製造に使用されることを特 徴とする、請求項１の方法。 ９．掃引ガスとして使用される工程ガスは、硝酸プロセスのアンモニアバーナー から出るＮＯ含有ガスであり、かつそれから形成される酸素含有ガスは硝酸製造 に使用されることを特徴とする、請求項１の方法。 １０．主製品は掃引ガス予備加熱器内で形成され、掃引ガス予備加熱器を出るガ スは膜装置の掃引ガスとして使用され、そして酸素を含有する掃引ガスは冷却さ れて一つの製品流と一つの酸素含有流として分離され、そして該酸素含有流は掃 引ガス予備加熱器に酸化剤として再循環されることを特徴とする、請求項１の方 法。