JP2003521576A - シフト反応器と水素化処理装置の統合 - Google Patents

シフト反応器と水素化処理装置の統合

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ジョンソン、カイ、エイ
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テキサコ ディベラップメント コーポレイション
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Abstract

(57)【要約】 本発明においては、水素化処理装置からの水素再循環流れが、その水素化処理装置に戻る前に、第一シフト反応からのエネルギーを利用して加熱され、それによってその水素再循環流れを加熱するのに直火式加熱炉の必要がなくなる。この熱統合は総合的な資本および運転のコストを有意に低減させ、さらには精油所の場合に放出物を減少させる。これは、水素化処理装置に直火式加熱炉が必要とされず、また第一シフト段階からの流出物を冷却するのにボイラーが必要とされないからである。

Description

【発明の詳細な説明】
（発明の背景）
【０００１】 水素化処理は、石油の接触水素化を利用して硫黄リッチの炭化水素から低硫黄
液体およびH2Sを、また窒素含有炭化水素からアンモニアを放出させて、硫黄が
減少したおよび窒素が減少した石油を製造する、精油所に不可欠なプロセスであ
る。水素化処理装置は、典型的には６００〜７８０℃で作動し、そして供給原料
流れを反応温度まで加熱するために直火式加熱炉（fired heater）を使用する。
油は水素化処理装置に過剰の水素と共に供給される。水素化処理装置の反応器が
、油から硫黄、窒素、金属およびコークス前駆体を除去する。直火式加熱炉中で
のコークス化は、油が加熱されると、それにつれて局在コークス化が起こるので
、水素化処理装置の場合に停止時間の重大な原因となる。コークス化は、直火式
加熱炉の壁面上におけるコークスの堆積が熱移動を阻害するので、このヒーター
の効率を低下させる。このヒーターへの流動が損なわれていき過ぎると、このプ
ロセスをラインから切り離し、そしてコークスを除去した後にそのプロセスを続
けなければならない。
【０００２】 石炭、石油コークス、残油、その他の材料のような炭化水素の流れから水素ガ
スおよび燃料ガス（合成ガスまたは「シンガス（syn-gas）」としても知られる
）を生成させるために、ガス化が何年にもわたって利用されてきた。炭化水素は
酸素の存在下でガス化される。その酸素は、通常、空気から窒素を除去して、精
製された酸素を形成する空気分離プラントによって製造される。水素の利用可能
性が、水素化処理装置のような精油所プロセスのための装入原料製造装置として
ガス化の利用に導いた。ガス化からの合成ガスも、電力発生用の燃焼タービンへ
の燃料として使用された。
【０００３】 固体および液体の炭素質燃料、特に石炭、コークスおよび液体炭化水素供給原
料からの合成ガスの製造はかなりの期間にわたって利用されてきたが、エネルギ
ー需要の増大、そして、さもなければ価値の低い炭素質材料のクリーンな利用の
必要に起因して、最近顕著な改良が行われた。合成ガスは、合成ガスを得るため
の、その合成ガスが抜き出されるガス化反応器中で、しばしばスチームまたは水
の存在下において、炭素質燃料を空気または酸素のような反応性ガスと共に加熱
することによって製造することができる。
【０００４】 この合成ガスは、次に、しばしば分離によりさらに処理されて、精製された水
素ガスの流れを形成することができる。この合成ガスの流れは、９９．９モルパ
ーセント超の純度を有する水素ガスの流れが得られるように加工処理することが
できる。この水素ガスは多くの異なる精油所プロセスの装入原料源となる。例え
ば、その精製H2生成物は、これを予熱し、水素化処理装置に送って価値が一層高
い石油製品をより低いコストで製造することができる。
【０００５】 これらのおよび他の発展にもかかわらず、この工業にはガス化法で生成せしめ
られた合成ガスを利用する効果的な方法の必要が引き続き存在する。
【０００６】 （発明の概要） この発明においては、水素化処理装置からの水素再循環流れが、その水素化処
理装置に戻る前に、第一シフト反応からのエネルギーを利用して加熱され、従っ
てその水素再循環流れを加熱するのに直火式加熱炉の必要がない。主としてH2お
よびCOを含んでいるガス化反応器から生成したシンガスは、そのガス中のH2の量
を増加させるために第一シフト反応器中でシフトされる。第一シフト反応器の出
口は熱を水素再循環流れに与え、そして、さらに処理された後、通常は水素化処
理装置にも供給される。この熱統合は総合的な資本および運転のコストを有意に
低減させ、さらには精油所の場合に放出物を減少させる。これは、水素化処理装
置に直火式加熱炉が必要とされず、また第一シフト段階からの流出物を冷却する
のにボイラーが必要とされないからである。
【０００７】 シフト反応の最終段階からの流出物は、下流でCO2を除去可能とするために冷
却されなければならない。水素化処理装置中で使用される水素のために、CO2も
除去されなければならない。周囲温度または冷却温度で作用するセレキソール（
Selexol）およびレクチソール（Rectisol）のような物理的溶媒が、CO2のような
酸性ガスの除去に用いられる最も一般的な方法である。最終段階のシフト反応器
からの熱は、CO2除去後の水素およびその水素から除去されたCO2の流れを再加熱
するために利用することができる。このようにすることによって、水素の流れと
CO2の流れが共に再加熱されるので熱効率のバランスが取れる。
【０００８】 上記溶媒が水素からCO2を除去する。その溶媒は、それを酸性ガス除去プロセ
ス中で再循環させることができるように窒素と共にストリッピングされてCO2を
除去する。このストリッピングは、主にCO2と窒素である流れを放出する。この
流れは、典型的には、燃料希釈剤として使用されるようにするために、燃焼ター
ビンに送られる。
【０００９】 水素化処理装置中で上記水素を使用するためには、残留COおよびCO2をメタン
に転化しなければならない。メタン化工程は、通常、反応を起こすためのH2リッ
チ流れをスチーム予熱することを必要とするが、この交換器の配置によればメタ
ン化装置用のH2流れを製造するのに外部加熱は必要とされない。
【００１０】 本発明は、水素化処理装置用の加熱された水素を製造するために熱交換器を使
用するものである。発熱を伴うシフト反応器およびメタン化反応器からのエネル
ギーが、供給原料ガスを飽和させ、かつ生成物の水素の流れおよびCO2希釈剤の
流れを加熱するために利用される。これら熱交換器の配置の結果は、始動および
運転中に熱バランスを制御するのに直火式加熱炉またはボイラーが必要とされな
いので、総合的な資本および運転のコストが低減されることである。
【００１１】 本発明は、リファイニングプロセス用の水素および燃焼タービン用の燃料を製
造するのにガス化が利用されるいかなる場所においても用いることができる。
【００１２】 この技術分野の当業者には明白であるだろう本発明の利点の一部として、次の
点が上げられる：
【００１３】 ・第一段階シフト反応器の流出物の流れからのエネルギーは、水素化処理装置
のためのスイートH2再循環物を加熱するように交換される。
【００１４】 ・水素化処理装置からの再循環H2を加熱するのに直火式加熱炉は必要とされず
、このことが運転および資本コストを下げ、安全性を高め、そして放出物を減少
させる。ある水素化処理装置においては、反応を開始させるのに必要なエネルギ
ーは、通常、装置に供給される水素化処理されるべき油に加えられる。これは、
油は、通常、直火式加熱炉中でH2よりも加熱するのが容易かつ安全であるからで
ある。本発明はH2を加熱するのにプロセスの熱を利用するから、H2を加熱するの
がより安全であり、しかもさもなければ使用されないだろう廃熱が交換器に使用
されるから、交換器の効率は問題でない。
【００１５】 ・燃料の消費がないので、水素化処理装置はより効率的である。
【００１６】 ・直火式加熱炉中でのコークス化がないので運転時間が延び、そのため水素化
処理装置からより良好な収率を達成することができる。
【００１７】 ・供給原料／流出物交換器が上流のCO2除去装置回りで使用されるので、メタ
ン化装置に始動用予熱装置は必要とされない。
【００１８】 ・ほとんどがH2およびCO2であるシンガスがH2リッチの流れを直接加熱してい
るので、溶媒装置から出てくるH2流れの汚染の危険が最小限に抑えられる。何ら
かのCO2がH2リッチ流れに入れば、それはメタン化装置中で反応してCH4を形成す
る。
【００１９】 ・希釈剤CO2は燃焼タービンに入る前に予熱され、このことがその効率を高め
る。
【００２０】 本発明のこれらおよび他の特長は、本発明の開示を考慮すれば、この技術分野
の当業者には明らかであろう。
【００２１】 添付図面を参照して次の説明が与えられる。
【００２２】 （具体的態様の説明） ガス化 炭化水素質材料は、これをガス化して、合成ガスとしても知られる、水素、一
酸化炭素および二酸化炭素の混合物を生成させることができる。ある種特定の炭
化水素質材料のガス化とそれに続く燃焼は、これらのどちらかといえば環境に優
しくない材料から動力および望ましい化学的装入材料を生成させる、環境に優し
い方法を提供する。各種の適切な装入材料を記述すべく本発明で用いられている
用語「炭化水素質」は、ガス状、液状および固体の炭化水素、炭素質材料および
それらの混合物を包含することが意図される。つまり、実質的にいかなる可燃性
炭素含有有機材料またはそのスラリーが、この用語「炭化水素質」の定義に包含
されるのである。固体、ガス状および液状の供給材料が同時に混合、使用するこ
とができ、従ってこれら供給材料はパラフィン系、オレフィン系、アセチレン系
、ナフテン系および芳香族系の化合物をいかなる割合ででも含んでいることがで
きる。また、用語「炭化水素質」の定義には、炭水化物、セルロース材料、アル
デヒド類、有機酸類、アルコール類、ケトン類、酸素化燃料油、廃液、および化
学プロセスからの酸素化炭化水素質有機材料を含んでいる副生成物を含めて酸素
化炭化水素質有機材料およびそれらの混合物も包含される。石炭、石油コークス
および他の炭素質材料を含めて石油系装入材料、廃炭化水素、残油、および重質
原油からの副生成物が一般にガス化反応に用いられる。
【００２３】 上記炭化水素質燃料は、空気のような反応性酸素含有ガス、もしくは約９０モ
ルパーセント超の酸素を有する実質的に純粋な酸素、または約２１モルパーセン
ト超の酸素を有する酸素富化空気と反応せしめられる。実質的に純粋な酸素が好
ましい。実質的に純粋な酸素を得るために、酸素プラントにおいて空気が圧縮さ
れ、次いで実質的に純粋な酸素と実質的に純粋な窒素とに分離される。このよう
な酸素プラントはこの工業で公知である。
【００２４】 合成ガスはいかなる部分酸化法によっても製造することができる。このガス化
法は、約９５モルパーセント超の酸素を有する実質的に純粋な酸素を用いるのが
好ましい。このガス化法はこの技術分野の当業者には知られている。例えば、こ
こで参照することによって開示が本明細書に含まれる米国特許第４，０９９，３
８２号および同第４，１７８，７５８号明細書を参照されたい。
【００２５】 ガス化反応器において、炭化水素質燃料は、場合によってはスチームのような
温度調節剤の存在下で、遊離酸素含有ガスと反応せしめられて合成ガスを生成さ
せる。その反応ゾーンでは、その内容物は、一般に、約９００〜１７００℃の範
囲、さらに典型的には約１１００〜約１５００℃の範囲の温度に達する。圧力は
、典型的には約１気圧（１０１kPa）〜約２５０気圧（２５，２５０kPa）の範囲
内、さらに典型的には約１５気圧（１，５１５kPa）〜約１５０気圧（１５，１
５０kPa）の範囲内、それよりさらに典型的には約８００psi（５，５１５kPa）
〜約２０００psi（１３，７８８kPa）の範囲内である（ただし、１気圧＝１０１
．３２５kPaおよび１psi＝６．８９４kPa）。
【００２６】 合成ガスは主に一酸化炭素ガスおよび水素ガスを含んでいる。合成ガス中に見
いだされることが多い他の物質に、硫化水素、二酸化炭素、アンモニア、炭化水
素、シアン化物、並びに炭素および痕跡金属の形をした微粒子がある。合成ガス
中の汚染物の程度は、供給原料のタイプ、利用される特定のガス化法および運転
条件によって決まる。
【００２７】 合成ガスがガス化装置から排出されると、それは、通常、スクラビング技術を
含む冷却、洗浄操作に付される。このスクラビング技術において、合成ガスはス
クラバーに導入され、そしてそのガスを冷却し、かつ微粒子およびイオン性構成
成分をその合成ガスから除去する水スプレーと接触せしめられる。上記冷却は、
高圧および低圧のスチーム生成の形での熱回収を伴うことができるが、低レベル
の熱を用いて反応体を予熱するか、または酸素プラントから窒素を気化させる熱
交換器を使用する熱抽出を伴うのも有利である。
【００２８】 脱硫およびガス分離 初めに冷却された合成ガスは、その合成ガスを使用に先立って処理して脱硫す
ることができる。硫黄化合物および酸性ガス類は、慣用の酸性ガス除去技術を使
用することによって容易に除去することができる。MDEAのようなアミン類を含ん
でいる溶媒としての流体が、最も一般的な酸性ガスである硫化水素を除去するた
めに使用できるが、他の酸性ガス類の除去にも使用することができる。これらの
流体は、メタノールのような低級一価アルコール、またはエチレングリコールの
ような多価アルコール等であることができる。この流体は、また、ジエタノール
アミンのようなアミン、メタノール、Ｎ−メチルピロリドン、またはポリエチレ
ングリコールのジメチルエーテルを含んでいてもよい。セレキソール（SELEXOL
）およびレクチソール（RECTISOL）のような物理的溶媒も使用できる。物理的溶
媒は高圧でより良好に作用するので、典型的にはこの物理的溶媒が用いられる。
合成ガスは酸性ガス除去接触装置中で物理的溶媒と接触せしめられる。酸性ガス
除去接触装置は、トレー類または充填カラムを含めて、この技術分野の当業者に
知られているどのようなタイプのものであってもよい。このような酸性ガス除去
接触装置の運転法は、この技術分野の当業者には知られているだろう。
【００２９】 合成ガスは、水素分を増加させるために、スチーム（即ち、シフトされたスチ
ーム）の存在下で水性ガスシフト反応（water-gas shift reaction）に付される
のが有利である。１つの態様では、合成ガスは分離前に水素分を増加させるため
にスチームシフトされ、次いで合成ガスの水素リッチ部分がシフトされた合成ガ
スから分離される。もう１つの態様においては、合成ガスが硫黄および酸性ガス
から分離された後に、その合成ガスの水素リッチ部分がスチームシフトされる。
さらにもう１つの態様では、合成ガスが分離前に水素分を増加させるようにスチ
ームシフトされ、次いで合成ガスの水素リッチ部分が分離され、次にその分離さ
れた水素リッチ部分が回収水素分を増加させるためにさらに何回かスチームシフ
トされる。
【００３０】 合成ガスは、ガス分離膜により水素リッチガスと水素減損ガスとに分離させる
ことができる。ガス分離膜系は、その膜を水素のような小さい分子を選択的に通
過させるが（透過物）、一方それより大きい分子（CO2、CO）はその膜を通過し
ない（非透過物）。ガス分離膜は、圧力スイング吸収装置（pressure swing abs
orption unit）のコスト効果のある代替手段である。ガス分離膜は生成物として
の水素の圧力を低下させ、そのため水素リッチ部分はこれを使用前に圧縮しなけ
ればならない。
【００３１】 ガス分離膜は、水素ガスの透過が二酸化炭素および一酸化炭素より優先するい
かなるタイプのものであってもよい。窒素、一酸化炭素および二酸化炭素に比較
して水素の拡散が著しく優先する多くのタイプの膜材料が、この技術分野で知ら
れている。このような膜材料に次のものがある：シリコンゴム、ブチルゴム、ポ
リカーボネート、ポリ（フェニレンオキシド）、ナイロン６，６、ポリスチレン
類、ポリスルホン類、ポリアミド類、ポリイミド類、ポリエーテル類、ポリアリ
ーレンオキシド類、ポリウレタン類、ポリエステル類等。ガス分離膜装置は任意
の慣用構造のものであり、そして中空繊維タイプの構造が好ましい。
【００３２】 ガス分離膜は水素富化流れの圧力低下を引き起こし、そのためその流れは使用
前に圧縮されなければならない。合成ガスまたは混合ガスの流れは、高圧、典型
的には約８００psi（５，５１５kPa）〜約１６００psi（１１，０３０kPa）、さ
らに典型的には約８００psi（５，５１５kPa）〜約１２００psi（８，２７３kPa
）において膜に入る。ガス温度は、典型的には約１０〜約１００℃、さらに典型
的には約２０〜約５０℃である。ガス分離膜は水素のような小さい分子は通過さ
せるが（透過物）、一方それより大きい分子（CO2、CO）は通過しない（非透過
物）。この透過物は、それが膜を通過するとき約５００psi（３，４４７kPa）〜
約７００psi（４，８２６kPa）という実質的な圧力降下を経験する。水素リッチ
透過物は、従って、典型的には約１００psi（６８９kPa）〜約７００psi（４，
８２６kPa）、さらに典型的には約３００psi（２，０６８kPa）〜約６００psi（
４，１３６kPa）の圧力にある。
【００３３】 水素リッチ透過物は、約５０〜約９８モルパーセントの水素ガスを含んでいる
ことができる。合成ガスが膜分離前にスチームシフトされたならば、そのとき水
素リッチ合成ガスとも称されるこの透過物の水素含有量は、この範囲の上端にあ
るであろう。合成ガスが分離前にシフトされなかったならば、そのときは水素リ
ッチ透過物の水素含有量はこの範囲の下端にあるであろう。典型的な水素リッチ
透過物の組成は、水素６０モルパーセント、一酸化炭素２０モルパーセントおよ
び二酸化炭素２０モルパーセントであり、この場合各成分についてプラス、マイ
ナス約１０モルパーセントである。
【００３４】 非透過物の膜装置中における圧力降下は無視できる。膜からの非透過物ガスの
流れは、ほとんどが二酸化炭素、一酸化炭素および若干の水素を含んでいる。他
の化合物、特に揮発性炭化水素および不活性化合物も存在していることがある。
この非透過物は燃料タービンの良好な燃料となることが見いだされた。この非透
過物の圧力は、有利なことに、ターボ−エキスパンダー中で低下させて電気を発
生させるか、または燃焼タービン中で燃焼させる前にコンプレッサーにエネルギ
ーを提供することができる。
【００３５】 水素化処理装置に用いられる水素の流れは、例えば高圧水素化処理装置中で使
用するためには圧縮することが必要なことがある。このような圧縮はいかなる時
点においても行うことができる。好ましくは、エキスパンダー／コンプレッサー
の組み合わせ装置が、水素圧力の増加と、燃焼タービンに出ていくガスの圧力の
減少を同時に行うために使用することができる。
【００３６】 水性ガスシフト反応器 膜からの水素リッチガスまたはガス化装置からの合成ガスが、水性ガスシフト
反応経由で合成ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素および水素に転化するために、
スチームにより有利にシフトさせることができる。水性ガスシフト反応を行うこ
との１つの利点は、ほとんどのH2消費プロセスの毒である一酸化炭素が除去され
ることである。ガス化装置からの合成ガスまたはガス分離器からのH2リッチガス
は、スチームおよび適切な触媒を用いてシフトされて、次に示されるように水素
を形成する： H2O＋CO→H2＋CO2
【００３７】 水性ガスシフト法またはスチームリホーミングとも呼ばれるこのシフト法は、
水と一酸化炭素を水素と二酸化炭素に転化させる。このシフト法は、例えば、こ
こで参照することによって開示が本明細書に含まれる米国特許第５，４７２，９
８６号明細書に記載されている。スチームリホーミングは水を加えるか、または
ガス中に含まれている水を利用し、そして得られたガス混合物をスチームリホー
ミング触媒上で断熱的に反応させる方法である。スチームリホーミングの利点は
、水素の量が増加すると共に、同時にガス混合物中の一酸化炭素が減少すること
である。
【００３８】 スチームリホーミング触媒は、耐熱性担体上の１種または２種以上の第ＶＩＩ
Ｉ族金属であることができる。例えば二次リホーマー中で使用される常用のラン
ダム充填セラミック担持触媒ピースが使用できるが、これらはガスに有意の圧力
降下を加えるから、反応体の流動方向にほぼ平行な貫通路を有するモノリシック
触媒を使用するのが有利なことが多い。
【００３９】 シフト反応は可逆的であって、水素および二酸化炭素の形成には低温の方が有
利である。しかし、低温では反応速度が遅い。従って、高温シフト反応と低温シ
フト反応とを順々に連ねて有することが有利であることが多い。高温シフト反応
におけるガス温度は、典型的には３５０〜１０５０℃の範囲内にある。高温反応
触媒は酸化鉄とそれより少量の酸化クロムとが組み合わされたものであることが
多い。好ましいシフト反応はサワーシフト反応であって、この場合メタンはほと
んど存在せず、そのシフト反応は発熱を伴う。低温シフト反応器は約１５０〜３
００℃、さらに典型的には約２００〜２５０℃の範囲内のガス温度を有する。低
温シフト反応触媒は、典型的には銅酸化物であり、それは酸化亜鉛およびアルミ
ナ上に担持されていてもよい。スチームシフト化は、しばしば、例えば生成物／
反応体熱交換器またはスチーム発生器を用いる効率的な熱利用を伴う。このよう
なシフト反応器はこの技術分野の当業者には知られている。
【００４０】 シフト反応器の設計および運転は、最小限の圧力降下をもたらすものであるの
が好ましい。かくして、合成ガスの圧力は保存される。一般的に言えば、一連の
シフト反応器が所要水素転化率に達するように実行される。本発明は一連の１〜
４個のシフト反応器に適用することができるが、２〜３個のシフト反応器に適用
されることがさらに多い。
【００４１】 酸性ガスのスクラビング シフト反応器または複数の同反応器からの流出物は、４〜５０モルパーセント
の二酸化炭素を含んでいることができ、従って二酸化炭素含有量を減少させるこ
とが必要である。二酸化炭素は、合成ガスを酸性ガス除去接触装置中で適切な溶
媒と接触させることによってその合成ガスから除去することができる。このよう
な接触装置は、トレー類または充填カラムを含めて、この技術分野の当業者に知
られているいかなるタイプのものであってもよい。このような酸除去接触装置の
運転法はこの技術分野で公知である。
【００４２】 酸性ガスと反応する流体のタイプは重要ではない。かくして、二酸化炭素除去
工程では、エタノールアミン類または炭酸カリウムのような所謂「化学的」溶媒
が、特に「アミンガード法（Amine Guard）」、「ベンフィールド法（Benfield
）」、「ベンフィールド−DEA法（Benfield-DEA）」、「ベトロコーク法（Vetro
coke）」および「カタカーブ法（Catacarb）」のような確立された方法において
、本発明の方法のプロセスに企図される圧力のいずれにおいても使用することが
できる。合成ガスの含有酸性ガスを除去するのに物理的溶媒も用いることができ
る。物理的溶媒の例として、テトラメチレンスルホン（「スルフィナー［Sulfin
or］」）；プロピレンカーボネート（フルアー［Fluor］）；Ｎ−メチル−２−
ピロリドン（「プリソール［Purisol］」）；ポリエチレングリコールジメチル
エーテル（「セレキソール」）；およびメタノール（「レクチソール」）を挙げ
ることができる。特に水のｐＨ調節剤が存在する場合、水も用いることが可能で
ある。１つのこのような方法は、水中の炭酸カルシウムのような炭酸塩が水のｐ
Ｈを下げる炭酸塩に基づく水系である。この低ｐＨ水は二酸化炭素を吸収して重
炭酸塩を形成する。後に、この水を加熱すると、二酸化炭素が単離されて炭酸カ
リウムを再生させる。
【００４３】 上記の物理的溶媒は、それらは高圧でより良好に作用するので一般的に使用さ
れる。物理的溶媒の効果的な使用には、プロセス圧力は少なくとも２０バール（
２，０００kPa）（１バール＝１００kPa）であるのが好ましい。
【００４４】 合成ガスは酸性ガス除去接触装置中で上記溶媒と接触せしめられる。この接触
装置は、トレー類または充填カラムを含めて、この技術分野の当業者に知られて
いるどのようなタイプのものであってもよい。このような酸除去接触装置の運転
法は、この技術分野の当業者には知られているだろう。
【００４５】 メタン化反応器 メタン化反応は水素を残留炭素酸化物と化合させてメタンと水を形成させる。
これらの反応は発熱を強く伴うが、このような反応から発生した熱は、所望とさ
れるならば、これを捕捉し、スチームの生成に利用することができる。メタン化
の触媒は、典型的には、アルミナのような耐火性基材上に担持されたニッケルで
あるが、他の適切な触媒も使用できる。メタン化工程は炭素酸化物を約２０ppm
未満、好ましくは約５ppm未満まで減少させる。このようなメタン化反応および
メタン化反応器の運転は、この技術分野の当業者によって知られており、例えば
、ここで参照することによって内容が本明細書に含まれる米国特許第３，７３０
，６９４号；同第４，１５１，１９１号；同第４，１７７，２０２号；同第４，
２６０，５５３号明細書またはこれら米国特許明細書中で引用されている文献を
参照されたい。
【００４６】 上記のプロセスに由来する水素は、９０〜約９９．９９％、さらに典型的には
約９５〜９９．９％の純度を有する。
【００４７】 燃焼タービン 燃焼タービンで利用される燃料ガスの量はパージガスの添加によって悪影響を
受けず、従って燃焼タービン中でこのパージガスの燃焼により価値のある動力の
発生を達成することができる。燃焼タービンは、空気を加え、そしてその混合物
を燃焼させ、次いでその排気ガスがタービンにより膨張せしめられる。このよう
な燃焼タービンはこの技術分野の当業者には知られている。
【００４８】 ほとんどのガス燃焼タービンに、燃料ガス１立方フィート当たりの発熱量に下
限がある。一般的使用の場合、最高発熱量を有する燃料はメタンであり、それは
おおよそ９００〜１０００BTU／scfの燃料値を有する。他のガス状燃料の発熱量
はそれより小さく、３００〜５００BTU／scfまで下がり、そしてこれら燃料はこ
れを天然ガスと幾分似た方法で処理することができる。しかし、発熱量が約３０
０BTU／scfのレベルより低い値に下がると、ガスタービン条件の厳しい点検が求
められるが、これはエキスパンダー側にあまりにも多量の不活性材料を送ること
を避けるためである。
【００４９】 燃料ガスが約１００BTU／scfより低い発熱量を有する場合は、火炎安定性のよ
うな他の問題が起こる―ガスタービン中の炎が消えることになる。この低い値に
おいては、燃料ガスがエキスパンダーそのものに入る前に、その燃料ガスがガス
タービンのバーナーまたは複数のバーナー中における滞留時間内で完全に燃焼で
きるかどうかを確認することが必要になる。不完全な燃焼はエキスパンダーのブ
レードに炭素質材料を沈着させる可能性があり、これは関係するガスタービンの
早期終了をもたらすことになろう。かくして、テールガス燃料（tail gas fuel
）の発熱量は低すぎないことが不可欠であって、それは、好ましくは少なくとも
約１００BTU／scfであるべきである。また、このような低BTU／scf燃料ガスは速
い燃焼特性を有するのがよい。このことは、ガスタービンの利用可能バーナー空
間が限られている―相対的に大多数の市販ガスタービンが実際にそのケースであ
る―ときに特に当てはまる。
【００５０】 最高燃焼速度の物質は水素である。発熱量が非常に低いこのような燃料ガスの
発熱量のかなりの部分が、水素によって提供されなければならない。BTUとして
の燃焼含有熱はその最小限が水素によって供給されるので、妥当な部分は約３０
〜４０％である。燃焼速度の速い水素は比較的小さい空間で火炎の温度を相当に
高めて火炎安定性を与え、その結果低発熱量燃料の他の可燃物が適正に燃焼せし
められるより大きなチャンスを有することになる。これは、特に水素が既に燃焼
しているときの場合であり、そのガス温度は従って上げられており、従って熱い
スチームが利用可能となっており、そのときテールガス燃料中に存在するCOは全
て大きな速度で燃焼するだろう。
【００５１】 一般的に言えば、燃料ガス中に存在するメタンは燃焼が遅い。それ故、温度は
この遅い燃焼性の種が完全に燃焼され得るように高められることが重要である。
従って、テールガス燃料中のメタンとして利用できる総燃焼熱含量の例えば３０
％より多く有することは、魅力的なことではない。
【００５２】 具体的態様 図面を参照して説明すると、次の表は図に示される参照番号および文字の凡例
を与えるものである。
【００５３】
【００５４】 今度は図１に向かうと、スイート水性ガスシフトのレイアウトのための模式的
な流れ図が図解されている。このようなレイアウトの主たる特長は、シンガスの
サワーガス成分が水素および一酸化炭素含有ガス混合物を水性ガスシフト反応器
に送る前に除去されることである。第一投入ガスはガス化装置からのサワー合成
ガス「Ｄ」である。シンガスからの水素は、シフトおよび精製された後、水素化
処理装置からの再循環水素と合わされて、水素化処理装置への高圧の、予熱され
た定常的な水素ガス源となる。これは、水素化処理装置への導入前に加熱、圧縮
されなければならない「フェンス越え（over the fence）」水素を使用すること
のためになる。水素源としてガス化反応器を利用することによってこの水素のた
めの直火式加熱炉が省かれ、従って資本および運転コストが低減され、かつ放出
物が減少される。
【００５５】 図１に示されるとおり、H2Sガススクラバーおよび分離器系２はスイートンズ
（sweetens）をサワー合成ガス「Ｄ」の流れに与え、次にこの合成ガス「Ｄ」が
スチームヒーター４および酸化亜鉛ガードカラム６を通過し、その後水サチュレ
ーターカラム８に導かれる。その飽和ガス混合物は、次に、第一水性ガスシフト
反応器１２に行く途中に高圧スチームヒーター１０を通過する。第一水性ガスシ
フト反応器１２によって発生せしめられた熱は、水素化処理装置からの再循環水
素ガス「Ａ」を熱交換器１４中で加熱し、またサチュレーターカラム８に送られ
る水を熱交換器１６中で予熱するのに利用される。この幾分冷却されたガスは、
次に、その水素含有量をさらに増加させるために第二水性ガスシフト反応器１８
を通過せしめられる。この第二シフト反応器からの熱いガスは、熱が回収できる
ように一連の３つの交換ループを通過せしめられる。この熱は、メタン化反応器
（交換器２１および２５）への供給原料を予熱し、かつ動力生成用燃焼タービン
に送られている酸性ガススクラバー２６からのCO2／N2希釈剤「Ｍ」を加熱する
のに使用される。空冷熱交換器２２が上記の熱いガスをさらに冷却し、そのガス
は、次に、そのガス成分から水成分を分離するためのノックダウンドラム２４に
入る。水素と二酸化炭素との混合物であるこのガス成分は、次いで、CO2、窒素
および他の酸性ガスを除去し、そして水素リッチの流れを生成させるように酸性
ガススクラバー２６／分離器ユニット２６に送られる。酸性ガススクラバーの窒
素成分および二酸化炭素成分は回収され、そして希釈剤「Ｍ」として燃焼タービ
ンに送られる。
【００５６】 上記の水素リッチ流れは、次に、第二水性ガスシフト反応器１８からの熱を利
用して熱交換器２５および２１中で予熱され、そしてメタン化反応器２８に送ら
れる。メタン化反応器２８の後で、水素とメタンガスを含んでいるその熱い生成
物ガスは、熱を取り除き、そしてそのガス中に存在する全ての水を凝縮させるた
めに熱交換器３０を通過せしめられる。この流れは、次に、さらに冷却するため
の水冷熱交換器３２を通過せしめられる。このガス混合物は、次に、ノックダウ
ンドラム３４に送られてそのガスから凝縮した水を除去する。主に水素であるが
、少量のメタンガスおよび不活性ガス類も含んでいることができるそのオーバー
ヘッド流出物３５は、水素コンプレッサー３６を用いて再加圧され、そしてメタ
ン化反応器２８の出口流れからの熱を用いて熱交換器３０中で再加熱される。こ
の水素の流れは、次いで、H2S分離器中で回収された水素再循環流れと合わされ
、そして第一水性ガスシフト反応器１２によって加熱され、この組み合わせが次
に熱い水素ガス「Ｎ」として前記水素化処理装置に送られる。前記H2Sスクラバ
ーによって回収された水素の第二部分は、第一水性ガスシフト反応器１２の出口
流れによって再加熱されず、その代わり水素化処理反応を止めるのに用いられる
冷たい水素ガス「Ｐ」として前記水素化処理装置に送られる。
【００５７】 図２は、今ちょうど説明され、そして図１に示された水素生成機構と統合され
る水素化処理ユニット区域の１例を図解するものである。表１を参照して用いる
と、この技術分野の当業者は、全ての面においてそれは設計が普通のものである
ことが分かるだろう。
【００５８】 図３は、本発明のサワーシフト反応器態様の基本構成要素および基本概念を図
解して説明するものである。図面の容易さと理解のために、図１からの一致して
いる装置番号が用いられている。図３において、
【００５９】 図１に示されるとおり、サワー合成ガス「Ｄ」の流れは第一水性ガスシフト反
応器１２に送られる。第一水性ガスシフト反応器１２によって発生せしめられた
熱は、水素化処理装置からの再循環水素ガス「Ａ」を熱交換器中で加熱するのに
利用される。この幾分冷却されたガスは、次に、その水素含有量をさらに増加さ
せるために第二水性ガスシフト反応器１８を通過せしめられる。この第二シフト
反応器からの熱いガスは、次に、水素リッチの流れを生成させるように、H2Sガ
ススクラバーおよび分離器系２を、さらには酸性ガススクラバー２６を通過せし
められる。この水素リッチ流れは次にメタン化反応器２８に送られ、主として水
素の熱い流れを生成させる。この水素の流れは少量のメタンガスおよび不活性ガ
ス類も含んでいることができる。この水素の流れは、次いで、H2S分離器中で回
収された水素再循環流れと合わされ、そして第一水性ガスシフト反応器１２の出
口流れによって加熱され、この組み合わせが次に熱い水素ガス「Ｎ」として前記
水素化処理装置に送られる。前記H2Sスクラバーによって回収された水素の第二
部分は第一水性ガスシフト反応器１２の出口流れによって再加熱されず、その代
わり水素化処理反応を止めるのに用いられる冷たい水素ガス「Ｐ」として前記水
素化処理装置に送られる。水素化処理ユニット区域の例を図解している図２も、
今ちょうど説明され、そして図３に示されるサワー水素生成プロセスと統合する
ことができる。
【００６０】 図４は、本発明の２つの具体的態様の総合的概念、関係および設計の選択肢を
図解するものである。ガス化ユニット２００は、酸素供給原料２０６の存在下に
おける炭化水素供給原料２０４の制御された酸化によって合成ガス２０２を生成
させる。この合成ガスは、図１および２に図解されているスイートシフト反応器
のレイアウトにおいて、または図３および２に図解されているサワーシフト反応
器のレイアウトにおいて用いることができる。
【００６１】 一般的には、スイートシフト反応器のレイアウトは、１つまたは２つ以上の水
性ガスシフト反応器より成ることができるスイート水素・水性ガスシフト反応器
ユニット２１０の前にH2Sガス除去ユニット２０８を有する。生成物の水素ガス
は、水素化処理ユニット２１２中で利用されて水素化処理石油２１４を与える。
その水素化処理プロセスで消費されない水素ガスのための再循環ループ２１６が
与えられており、水性ガスシフト反応器ユニットの出口と熱を交換する。
【００６２】 対照的に、サワーシフト反応器のレイアウトは、H2Sガス除去ユニット２２０
の前にサワー水素ガス・水性ガスシフト反応器ユニット２１８を有する。生成物
の水素ガスは、水素化処理ユニット２２２中で利用されて水素化処理石油２２４
を与える。その水素化処理プロセスで消費されない水素ガスのための再循環ルー
プ２２６が与えられており、水性ガスシフト反応器ユニットの出口と熱を交換す
る。
【００６３】 スイートシフト反応器のレイアウトか、またはサワーシフト反応器のレイアウ
トのいずれを選択するかは、ガス化装置への炭素質供給原料、合成ガスのH2Sガ
ス含有量、存在している設備の利用可能性と能力、およびこの技術分野の当業者
には明らかであろう他の諸因子を含めて多数の因子に依存する。本発明の具体的
態様に関する他の細部はこの技術分野の当業者には明らかなものであって、それ
ら自体本発明の範囲内であると考えられる。
【００６４】 上記の具体的態様は、本発明の可能性のある諸態様の単純化さえれた模式線図
として役立てようとされるものである。化学工学の技術分野における当業者であ
れば、全ての個々の態様についてその特定の細部は異なることがあり、それらは
考えられているシステムの場所や必要に依存することが理解され、また認められ
るであろう。本発明を達成することができるこのようなレイアウト、模式的代替
案および態様は、全て、この技術分野の当業者の能力内であり、従って本発明の
範囲内であると考えられる。
【００６５】 以上、この発明の装置、化合物および方法を好ましい態様の点から説明したが
、本明細書で説明された方法には、本発明の着想および範囲から逸脱しない限り
色々な変更を適用し得ることはこの技術分野の当業者には明らかであろう。この
技術分野の当業者に明白なこのような類似の置換や修正は、本発明の範囲および
着想内であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 スイート水素供給原料がシフト反応器に流入される本発明の１つの具体的態様
の模式図である。
【図２】 図１に示される、また図３に示される態様と共に使用される態様の水素化処理
装置部分の模式図を示す。
【図３】 サワー水素供給原料がシフト反応器に流入される本発明の１つの具体的態様の
概略図を与える。
【図４】 本発明の２つの異なる態様の一般的設計流れと一般化構成要素を具体的に説明
する流れ図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ１０Ｋ 3/00 Ｃ１０Ｋ 3/00 3/04 3/04 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 カプト、サインシア アメリカ合衆国 テキサス、ヒュースト ン、ナンバー 101、 ウェストクリーク レーン 2041 Ｆターム(参考） 4G140 EA01 EA02 EA03 EA04 EA06 EA07 EB33 EB35 EB37 EB39 EB44 4H060 AA01 BB02 BB12 BB23 BB32 CC03 DD01 DD12 EE03 GG08

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 水素化処理反応器からの水素の再循環流れの少なくとも一部
    分とシンガスシフト反応器の出口流れとの間で熱を交換することを含む、水素化
    処理反応器とシンガスシフト反応器とを統合する方法。
  2. 【請求項２】 水素の再循環流れを、水素化処理反応器中で加工するための
    反応開始エネルギーを与えるべく十分な温度に加熱する、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 水素の再循環流れが硫黄化合物を含んでおり、そしてシフト
    反応器の出口流れと熱を交換する前に上記硫黄を上記水素再循環流れから除去す
    る、請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 水素化処理反応器およびシフト反応器と統合されたガス化反
    応器をさらに含み、ここで上記ガス化反応器は水素化処理装置への水素供給原料
    流れを生成させる、請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 ガス化反応器からの合成ガス生成物を、その合成ガス中のい
    かなる硫黄化合物も除去するように処理し、その合成ガスをシフト反応器中で加
    工し、その合成ガスを精製して水素の流れを生成させ、そしてその水素流れを水
    素化処理装置に供給することをさらに含む、請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】 合成ガス精製工程の副生成物を、燃焼タービン中で、動力を
    生むように加工する、請求項５記載の方法。
  7. 【請求項７】 水素の流れが少なくとも９０％純粋な水素である、請求項５
    記載の方法。
  8. 【請求項８】 水素の流れが少なくとも９５％純粋な水素である、請求項７
    記載の方法。
  9. 【請求項９】 ガス化反応器からの合成ガス生成物をシフト反応器中で加工
    し、その合成ガスをその中のいかなる硫黄化合物も除去するように処理し、その
    合成ガスを精製して少なくとも水素の流れを生成させ、そしてその水素の流れを
    水素化処理装置に供給することをさらに含む、請求項４記載の方法。
  10. 【請求項１０】 合成ガス精製工程の副生成物を、燃焼タービン中で、動力
    を生むように加工する、請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 水素の流れが少なくとも９０％純粋な水素である、請求項
    ９記載の方法。
  12. 【請求項１２】 水素の流れが少なくとも９５％純粋な水素である、請求項
    １１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 水素化処理法であって、 炭化水素質材料をガス化反応器中でガス化して合成ガスを生成させ； 上記合成ガスを第一シフト反応器中で加工し； 上記合成ガスを酸性ガス除去接触装置中で溶媒と接触させて、水素の流れと酸
    性ガスの流れを生成させ； 上記の水素の流れをメタン化反応器中で反応させて、実質的に純粋な水素の流
    れを生成させ； 上記の実質的に純粋な水素の流れを水素化処理反応器に供給して、サワー水素
    再循環流れを形成し； 上記サワー水素再循環流れを精製して、スイート水素再循環流れを形成し； 上記スイート水素再循環流れの少なくとも一部分と上記第一シフト反応器の出
    口流れとの間で熱を交換し； 上記スイート水素再循環流れを上記水素化処理装置に戻す 工程を含む上記の方法。
  14. 【請求項１４】 合成ガスを第一シフト反応器中で加工する前にその合成ガ
    スを脱硫する工程をさらに含む、請求項１３記載の方法。
  15. 【請求項１５】 合成ガスを複数のシフト反応器中で加工する、請求項１３
    記載の方法。
  16. 【請求項１６】 複数のシフト反応器の最後からの出口が、水素の流れ、お
    よび酸性ガス除去接触装置の酸性ガス流れ生成物と熱を交換する、請求項１５記
    載の方法。
  17. 【請求項１７】 合成ガスを第一シフト反応器中で加工した後にその合成ガ
    スを脱硫する工程をさらに含む、請求項１３記載の方法。
  18. 【請求項１８】 酸性ガス除去接触装置の酸性ガス流れ生成物を燃焼タービ
    ン中で燃焼させて動力を生み出す、請求項１３記載の方法。
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