JP2006182792A - 液化石油ガスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】天然ガス等の含炭素原料もしくは合成ガスから、プロパン及びブタン濃度が高く、特にはプロパン濃度の高いLPGを製造する。
【解決手段】触媒の存在下に、水素および一酸化炭素を含む合成ガスからメタノールおよび/またはジメチルエーテルを製造するメタノール/ジメチルエーテル製造工程と、触媒の存在下に、メタノール/ジメチルエーテル製造工程で製造されたメタノールおよび/またはジメチルエーテルから炭素数2、3および4のオレフィンを含む混合ガスである低級オレフィン含有ガスを製造する低級オレフィン製造工程と、触媒の存在下に、低級オレフィン含有ガスからプロパンを主成分とする液化石油ガスを製造する液化石油ガス製造工程とを有する液化石油ガスの製造方法。さらに、含炭素原料から水素および一酸化炭素を含む合成ガスを製造する合成ガス製造工程を有する上記方法。
【選択図】 図1
【解決手段】触媒の存在下に、水素および一酸化炭素を含む合成ガスからメタノールおよび/またはジメチルエーテルを製造するメタノール/ジメチルエーテル製造工程と、触媒の存在下に、メタノール/ジメチルエーテル製造工程で製造されたメタノールおよび/またはジメチルエーテルから炭素数2、3および4のオレフィンを含む混合ガスである低級オレフィン含有ガスを製造する低級オレフィン製造工程と、触媒の存在下に、低級オレフィン含有ガスからプロパンを主成分とする液化石油ガスを製造する液化石油ガス製造工程とを有する液化石油ガスの製造方法。さらに、含炭素原料から水素および一酸化炭素を含む合成ガスを製造する合成ガス製造工程を有する上記方法。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は合成ガスから液化石油ガスを製造する方法に関し、また天然ガス等の含炭素原料から液化石油ガスを製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
液化石油ガス(LPG)は、常温常圧下ではガス状を呈する石油系もしくは天然ガス系炭化水素を圧縮し、あるいは同時に冷却して液状にしたものをいい、その主成分はプロパンまたはブタンである。液化石油ガスは家庭用や移動体用の燃料として有用である。
【0003】
メタン等の炭化水素を改質して得られる合成ガスから、LPGを製造する方法は、非特許文献1に開示されている。この文献では、メタノール合成用触媒である4wt%Pd/SiO2、Cu−Zn−Al混合酸化物[Cu:Zn:Al=40:23:37(原子比)]またはCu系低圧メタノール合成用触媒(商品名:BASF S3−85)と、SiO2/Al2O3=7.6の高シリカY型ゼオライトとから成るハイブリッド触媒を用い、合成ガスからメタノール、ジメチルエーテルを経由してC2〜C4のパラフィンを選択率69〜85%で製造する方法が開示されている。しかしながら、この方法では、プロパン(C3)およびブタン(C4)の選択率は63〜74%程度であり、生成物中の炭素数2以下の成分の含有量が低いとは言えず、生成物の組成がLPG製品に適しているとは言えない。
【0004】
また、非特許文献2には、合成ガスからメタノールおよびジメチルエーテルを製造し、メタノールおよびジメチルエーテルから炭化水素を製造することが記載されているが、ここに示されるのはガソリンを製造する方法であって、生成物中に炭素数6以上の炭化水素(芳香族を含む)が多く、LPG製品に適したものは得られていない。
【0005】
【非特許文献1】
”Selective Synthesis of LPG from Systhesis Gas”、Kaoru Fujimoto et.al.、Bull.Chem.Soc.Jpn,58,3059−3060(1985)
【非特許文献2】
”Two−Stage Reaction System for Synthesis Gas Conversion to Gasoline”、Kaoru Fujimoto et.al.、Ind. Eng. Chem. Prod. Res.Dev. 1986、25、262−267
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、合成ガスからプロパンおよびブタン、特にはプロパンを選択性良く製造し、炭素数2以下の成分および炭素数5以上の成分の濃度が低く、プロパンおよびブタン濃度が高く、特にはプロパン濃度の高いLPGを製造することができる方法を提供することである。
【0007】
本発明の他の目的は、天然ガスなどの含炭素原料から、上記のようなLPGを製造することができる方法を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明により、触媒の存在下に、水素および一酸化炭素を含む合成ガスからメタノールおよび/またはジメチルエーテルを製造するメタノール/ジメチルエーテル製造工程と、
触媒の存在下に、該メタノール/ジメチルエーテル製造工程で製造されたメタノールおよび/またはジメチルエーテルから炭素数2、3および4のオレフィンを含む混合ガスである低級オレフィン含有ガスを製造する低級オレフィン製造工程と、
触媒の存在下に、該低級オレフィン含有ガスからプロパンを主成分とする液化石油ガスを製造する液化石油ガス製造工程と
を有することを特徴とする液化石油ガスの製造方法が提供される。
【0009】
また本発明により、含炭素原料から水素および一酸化炭素を含む合成ガスを製造する合成ガス製造工程と、
触媒の存在下に、合成ガスからメタノールおよび/またはジメチルエーテルを製造するメタノール/ジメチルエーテル製造工程と、
触媒の存在下に、該メタノール/ジメチルエーテル製造工程で製造されたメタノールおよび/またはジメチルエーテルから炭素数2、3および4のオレフィンを含む混合ガスである低級オレフィン含有ガスを製造する低級オレフィン製造工程と、
触媒の存在下に、該低級オレフィン含有ガスからプロパンを主成分とする液化石油ガスを製造する液化石油ガス製造工程と
を有することを特徴とする液化石油ガスの製造方法が提供される。
【0010】
直上の方法において、前記低級オレフィン製造工程の反応物から、プロピレンより沸点の低い成分を分離して、前記合成ガス製造工程に供給することが好ましい。
【0011】
上記方法において、前記メタノール/ジメチルエーテル製造工程の反応物から水素を分離し、該水素を前記低級オレフィン製造工程に供給することなく、前記液化石油ガス製造工程に供給することが好ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】
〔合成ガス製造工程〕
含炭素原料としては、炭素を含む物質であって、H2O、O2およびCO2から選ばれる少なくとも一種と反応してH2およびCOを生成するものを用いることができ、合成ガスの原料として公知のものを用いることができる。例えば、メタンやエタン等の低級炭化水素を用いることができる。また、天然ガス、ナフサ、石炭などを用いることも可能である。
【0013】
本発明では触媒を用いるため、含炭素原料としては、硫黄等の触媒被毒物質の含有量が少ないものが好ましい。また、含炭素原料に触媒被毒物質が含まれる場合には、必要に応じて脱硫等、触媒被毒物質を除去する工程を採用することができる。
【0014】
合成ガスは水素と一酸化炭素とを含む混合ガスであり、水素および一酸化炭素からなる混合ガスであってもよく、また天然ガスを改質して得られる改質ガスのように水素と一酸化炭素に加えて二酸化炭素や水蒸気を含む混合ガスであってもよい。あるいは石炭ガス化により得られる石炭ガスであってもよい。
【0015】
合成ガス製造工程は、含炭素原料から上記合成ガスを製造する工程であり、公知の方法によって行うことができる。例えば、天然ガスを原料とした場合には、水蒸気改質法や自己熱改質法など、公知の改質方法によって行うことができる。水蒸気改質に必要な水蒸気や自己熱改質に必要な酸素などは必要に応じて供給することができる。また石炭を原料とする場合には、空気吹きガス化炉などを用いて合成ガスを製造することができる。
【0016】
さらに、改質器等の下流にシフト反応器を設け、シフト反応によって合成ガスの組成を調整することができる。
【0017】
本発明にとって合成ガス製造工程から製造される好ましい合成ガスの組成は、メタノール合成反応の化学量論から言えば水素/COのモル比は2.0であるが、合成ガス中の水素濃度は、メタノール/ジエチルエーテル製造工程において一酸化炭素を好適に反応させるためには、一酸化炭素1モルに対して0.7モル以上が好ましく、0.9モル以上がより好ましく、一酸化炭素が好適に反応しメタノールおよびないしジメチルエーテルを得ることのできる量があればよく、余剰の水素は原料ガスの全圧を不必要に上げることになり技術の経済性を低下させるため、水素濃度は一酸化炭素1モルに対して3.0モル以下が好ましく、2.3モル以下がより好ましい。
【0018】
上記好ましい組成の合成ガスを製造するには、含炭素原料とスチーム、酸素、二酸化炭素の供給量比や、合成ガス製造触媒の種類、反応の操作条件を適宜選択すればよい。たとえば、天然ガスの改質器の原料ガスとして、スチーム/メタンモル比が1.0、二酸化炭素/メタンモル比が0.4となるような組成のガスを用いて、RuないしRh/焼結低表面積化マグネシア触媒が充填された外熱式多管反応管型の装置にて、反応温度(触媒層出口温度)800〜900℃、圧力1〜4MPa、ガス空間速度(GHSV)2000hr-1等の操作条件にて行うことができる。
【0019】
合成ガス製造においてスチームを用いて改質する場合、エネルギー効率の観点からスチーム原料カーボン比(S/C)は1.5以下とすることが好ましく、0.1〜1.2とすることがより好ましいが、このような低い値にすると、炭素析出発生の可能性が無視できなくなる。一方、オレフィン製造工程の反応物からプロピレンより沸点の低い成分(以下、低沸点成分という。)を分離する工程(以下、低沸点成分分離工程という。)で得られる低沸点成分を合成ガス製造工程にリサイクルした場合、この成分中に含まれるメタンはもちろんのことエタンないしエチレンも含炭素原料となり、また反応によって生成した二酸化炭素ガスもCO2リフォーミング反応によって合成ガスに戻すことができるので原料原単位を低減させることかでき、かつS/Cを上記のような低い値にしてもCO2リフォーミング反応によって炭素析出発生の可能性を低下させることができる。上記リサイクルを行い、かつ低S/Cで合成ガス製造を行う場合には、例えばWO98/46524号公報、特開2000−288394号公報あるいは特開2000−469号公報に記載されるような、良好な合成ガス化反応の活性を有しつつも炭素析出活性が抑えられた触媒を用いることが好ましい。以下、これら触媒について述べる。
【0020】
WO98/46524号公報に記載されている触媒は、金属酸化物からなる担体にロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム及び白金の中から選ばれる少なくとも1種の触媒金属を担持させた触媒であって、該触媒の比表面積が25m2/g以下で、かつ該担体金属酸化物中の金属イオンの電気陰性度が13.0以下であり、該触媒金属の担持量が金属換算量で担体金属酸化物に対して0.0005〜0.1モル%である触媒である。さらに、炭素析出防止の観点から、上記電気陰性度は4〜12が好ましく、上記触媒の比表面積は0.01〜10m2/gが好ましい。
【0021】
なお、前記金属酸化物中の金属イオンの電気陰性度は、次式により定義される。
Xi=(1+2i)Xo
ここでXi:金属イオンの電気陰性度 Xo:金属の電気陰性度 i:金属イオンの荷電子数である。金属酸化物が複合金属酸化物の場合は、平均の金属イオン電気陰性度を用い、その値は、その複合金属酸化物中に含まれる各金属イオンの電気陰性度に複合酸化物中の各酸化物のモル分率を掛けた値の合計値とする。金属の電気陰性度(Xo)はPaulingの電気陰性度を用いる。Paulingの電気陰性度は、「藤代亮一訳、ムーア物理化学(下)(第4版)、東京化学同人,P707(1974)」の表15.4記載の値を用いる。なお、金属酸化物中の金属イオンの電気陰性度については、例えば、「触媒学会編、触媒講座、第2巻、P145(1985)」に詳述されている。
【0022】
この触媒において、前記金属酸化物には、Mg、Ca、Ba、Zn、Al、Zr、La等の金属を1種又は2種以上含む金属酸化物が包含される。このような金属酸化物としては、例えばマグネシア(MgO)が挙げられる。
【0023】
メタンとスチームとを反応させる方法(スチームリフォーミング)の場合、その反応は次式で示される。
【0024】
【化1】
メタンと二酸化炭素(CO2)とを反応させる方法(CO2リフォーミング)の場合、その反応は次式で示される。
【0025】
【化2】
メタンとスチームと二酸化炭素(CO2)とを反応させる方法(スチーム/CO2混合リフォーミング)の場合、その反応は次式で示される。
【0026】
【化3】
上記触媒を用いてスチームリフォーミングを行う場合、その反応温度は好ましくは600〜1200℃、より好ましくは600〜1000℃であり、その反応圧力は、好ましくは0.098MPaG〜3.9MPaG、より好ましくは0.49MPaG〜2.9MPaG(Gはゲージ圧であることを示す)である。また、この反応を固定床方式で行う場合、そのガス空間速度(GHSV)は好ましくは1,000〜10,000hr-1、より好ましくは2,000〜8,000hr-1である。含炭素原料に対するスチーム使用割合を示すと、含炭素原料(リサイクル原料を含めCO2を除く)の炭素1モル当り、好ましくはスチーム(H2O)0.5〜2モル、より好ましくは0.5〜1.5モル、さらに好ましくは0.8〜1.2モルの割合である。
【0027】
上記触媒を用いてCO2リフォーミングを行う場合、その反応温度は好ましくは500〜1200℃、より好ましくは600〜1000℃であり、その反応圧力は、好ましくは0.49MPaG〜3.9MPaG、より好ましくは0.49MPaG〜2.9MPaGである。また、上記触媒を用いてCO2リフォーミングを固定床方式で行う場合、そのガス空間速度(GHSV)は1,000〜10,000hr-1、好ましくは2,000〜8,000hr-1である。含炭素原料に対するCO2の使用割合を示すと、含炭素原料(リサイクル原料を含めCO2を除く)中の炭素1モル当り、好ましくはCO220〜0.5モル、好ましくは10〜1モルの割合である。
【0028】
上記触媒を用いて、含炭素原料にスチームとCO2の混合物を反応させて合成ガスを製造する(スチーム/CO2混合リフォーミングを行う)場合、スチームとCO2との混合割合は特に制約されないが、一般的には、H2O/CO2モル比で、0.1〜10で、その反応温度は好ましくは550〜1200℃、より好ましくは600〜1000℃であり、その反応圧力は、好ましくは0.29MPaG〜3.9MPaG、より好ましくは0.49MPaG〜2.9MPaGである。また、この反応を固定床方式で行う場合、そのガス空間速度(GHSV)は好ましくは1,000〜10,000hr-1、より好ましくは2,000〜8,000hr-1である。含炭素原料(リサイクル原料を含めCO2を除く)に対するスチーム使用割合を示すと、含炭素原料(リサイクル原料を含めCO2を除く)の炭素1モル当り、好ましくはスチーム(H2O)0.5〜2モル、より好ましくは0.5〜1.5モル、さらに好ましくは0.5〜1.2モルの割合である。
【0029】
特開2000−288394号公報に記載される触媒は、下記式で表される組成を有する複合酸化物からなり、MおよびCoが該複合酸化物中で高分散化されていることを特徴とするリホーミング用触媒である。
aM・bCo・cMg・dCa・eO
(この式中、a,b,c,d,eはモル分率であり、a+b+c+d=1、0.0001≦a≦0.10、0.0001≦b≦0.20、0.70≦(c+d)≦0.9998、0<c≦0.9998、0≦d<0.9998、e=元素が酸素と電荷均衡を保つのに必要な数である。また、Mは周期律表第6A族元素、第7A族元素、Coを除く第8族遷移元素、第1B族元素、第2B族元素、第4B族元素およびランタノイド元素の少なくとも1種類の元素である。)
特開2000−469号公報に記載される触媒は、下記式で表わされる組成を有する複合酸化物からなり、MおよびNiが該複合酸化物中で高分散化されていることを特徴とするリホーミング用ニッケル系触媒である。
aM・bNi・cMg・dCa・eO
(この式中、a、b、c、d、eはモル分率であり、a+b+c+d=1、0.0001≦a≦0.10、0.0001≦b≦0.10、0.80≦(c+d)≦0.9998、0<c≦0.9998、0≦d<0.9998、e=元素が酸素と電荷均衡を保つのに必要な数であり、Mは周期律表第3B族元素、第4A族元素、第6B族元素、第7B族元素、第1A族元素およびランタノイド元素の少なくとも1種類の元素である。)
これらの触媒も、WO98/46524号公報に記載の触媒と同様にして用いることができる。
【0030】
〔メタノール/ジメチルエーテル製造工程〕
メタノール/ジメチルエーテル製造工程では合成ガスからメタノールおよび/またはジメチルエーテル(DME)を製造する。この工程は、例えば「天然ガスの高度利用技術―開発研究の最前線―」監修市川勝、エヌ・ティー・エス、2001、p439−451、「天然ガスからのメタノール、MTBEの製造」、触媒、Vol.33、No.9、1991、p495−499、に記載の方法など、公知の方法によって行うことができる。
【0031】
メタノール合成工程では、触媒の存在下に次の反応によってメタノール、DMEを得ることができる。
【0032】
【化4】
メタノール合成工程で用いることのできる触媒としては、例えば、ICI社のCu/Zn/Cr系(原子比90〜25/8〜60/2〜30)、LURGI社のCu/Zn/Mn/V系(原子比80〜30/10〜50/1〜25/10〜50)など、Cu/Zn系に第3成分、さらに他の成分が入ったものが挙げられる。
【0033】
供給ガスの組成は、上記合成ガスそのままで良いし、シフト反応によって組成を調節しても良い。また二酸化炭素含量は反応中にシフト反応が起きる場合には予め相当量含ませておくこともできる。得られるガスの組成としては、反応に平衡規制が存在するため、未反応の合成ガスおよびメタノール合成時に不純物としてジメチルエーテルないし、および水分が混在する。
【0034】
メタノール/ジメチルエーテルを得るために好ましい触媒と操作条件としては、たとえばCuO−ZnO−Cr2O3触媒を用いたとき、230〜260℃、10〜15MPaである。
【0035】
〔低級オレフィン製造工程〕
低級オレフィン製造工程では、メタノールおよび/またはDMEからエチレン、プロピレンおよびブチレンを含む混合ガス(本明細書において、低級オレフィン含有ガスという)を製造する。
【0036】
低級オレフィン製造工程では次式のように、メタノール及びジメチルエーテルの少なくとも1つを原料に、メタノールの脱水によってカルベン(H2C:)が生成する。そして、このカルベンの重合によって、2量体としてエチレンが、3量体として、あるいは、エチレンとの反応によってプロピレンが、4量体として、あるいは、プロピレンとの反応によって、あるいは、エチレンの2量化によってブテンが生成すると考えられる。また、エチレンなどの分解によってカルベンが生成すると考えられる。
【0037】
【化5】
このオレフィンの生成過程においては、メタノールの脱水2量化によるジメチルエーテルの生成、ジメチルエーテルの水和によるメタノールの生成、低級オレフィンの重合による高級オレフィンの生成、高級オレフィンの分解、オレフィンの環化、異性化による芳香族炭化水素、共役炭化水素化合物および飽和炭化水素の生成、シクロペンタジエニル構造などを有する共役炭化水素化合物のタールまたはコークス化などの反応が起こると考えられる。
【0038】
本発明においては、上記反応のうち、目的とするLPGに相当する炭素数のオレフィンまたはその前駆体の生成反応(カルベンの生成反応、カルベンの重合によるエチレン、プロピレン、ブテンなど低級オレフィンの生成反応、カルベンとエチレンまたはプロピレンの反応およびエチレンの2量化反応)以外の反応を極力抑制することが好ましい。さらには、生成するオレフィン類の主成分がプロピレンになるように反応を制御することが好ましい。
【0039】
そのためには、低級オレフィン製造のために用いるオレフィン合成用触媒として、適当な酸強度、酸量(酸濃度)および細孔径を有するゼオライトを用いることが好ましい。
【0040】
オレフィン合成用触媒としては、例えば、ZSM−34、ZSM−5、好ましくはSi/Al比(原子比)が50以下である高アルミZSM−5、SAPO−34等のシリコアルミノフォスフェート(SAPO)、ECR−1、マズモライト、ECR−18等の合成ポーリンジャイト型ゼオライトなどが挙げられる。また、Ni、Co、Fe、Pt、Pd、Cu、Ag等の金属、または、Mg、P、ランタニド等の元素を含有する、あるいは、これらの金属、元素またはTi、Nb等でイオン交換した上記のゼオライトも挙げられる。金属や化合物を含有させる、あるいは、金属や化合物でイオン交換することによって、また、コークを堆積させることによって、ゼオライトの酸強度や酸量を調整することが可能である。しかも、ゼオライトの酸強度や酸量を平均的にだけではなく、例えば、ゼオライト細孔外、細孔入口付近、細孔内部に分けて調整することが可能である。さらに、酸強度や酸量の調整と共に、同時にあるいは別途、細孔径を微妙に調節することも可能である。なお、金属や化合物を含有させる、あるいは、金属や化合物でイオン交換すると共に、コークを堆積させることもできる。オレフィン合成用触媒としては、中でも、高アルミZSM−5、SAPO−34が好ましく、Si/Al比(原子比)が8以上50以下、より好ましくは8以上40以下であるZSM−5がより好ましい。
【0041】
生成するオレフィン類の主成分がプロピレンになるようにするためには、反応条件、特に原料ガスとオレフィン合成用触媒との接触時間を制御することも重要である。カルベンの重合、オレフィンの重合など、オレフィンの生成反応は逐次反応であり、低級オレフィン製造用原料ガスとオレフィン合成用触媒との接触時間が長くなるほど、炭素数の多いオレフィンが得られる傾向がある。
【0042】
プロピレンを主成分とするオレフィン類が得られる低級オレフィン製造用原料ガスとオレフィン合成用触媒との接触時間は、用いる触媒の種類や、その他の反応条件などに応じて調節すると良い。予めオレフィンの合成反応を行い、原料ガスとオレフィン合成用触媒との接触時間を決定することもできる。
【0043】
低級オレフィン製造工程に供給するガスは、上記メタノール/ジメチルエーテル製造工程で得られるガスそのままでもよいし、必要に応じて水を加えることもできる。なぜならジメチルエーテルは加水してメタノールに戻ってからカルベンを生成するので、この加水のための水を補給することが有効な場合もあるからである。
【0044】
低級オレフィン製造工程において、反応は、固定床でも流動床でも移動床でも行うことができる。触媒層を2層以上設けるときには、固定床で行うことが好ましい。原料ガス組成、反応温度、反応圧力、触媒との接触時間などの反応条件は、用いる触媒の種類、性能、形状等に応じて適宜決めることができる。
【0045】
〔液化石油ガス製造工程〕
液化石油ガス製造工程では、前記式(A)にも示されるように、オレフィン(OLEFIN)の水素化反応によってパラフィン(LPG)を得ることができる。このために使用する水素は、別途供給することも可能であるが、合成ガスに含まれる水素を利用することができる。メタノール/ジメチルエーテル製造工程において得られる反応ガス中に水素が残るような組成の合成ガスを使用し、この残った水素でオレフィンの水素化を行うことができる。
【0046】
液化石油ガスを得るために、必要に応じて加圧および/または冷却を行っても良い。また、気液分離により残留する水素などを除去するなど、公知の精製工程を伴っても良い。
【0047】
液化石油ガス製造工程で得られる液化石油ガスは、プロパンを主成分とする。ここでプロパンを主成分とするためには、低級オレフィン製造工程において、生成するオレフィン中の主成分がプロピレンである低級オレフィン含有ガスを製造しておくことが好ましい。このようにすれば低級オレフィンを水素化することにより容易にプロパンを主成分とする液化石油ガスを得ることができる。
【0048】
液化石油ガス製造工程で用いることのできるオレフィン水素化用触媒としては、公知の水素化触媒、具体的には、Fe,Co,Ni,Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Pt,Cu,Re等の金属または合金、Cu,Co,Ni,Cr,Zn,Re,Mo,W等の金属の酸化物、Co,Re,Mo,W等の金属の硫化物などが挙げられる。また、これらの触媒をカーボン、シリカ、アルミナ、シリカ・アルミナ、ゼオライト等の担体に担持して、あるいは、これらと混合して用いることもできる。中でも、ニッケル触媒、パラジウム触媒、白金触媒などが好ましい。
【0049】
液化石油ガス製造工程において、反応は、固定床でも流動床でも移動床でも行うことができる。触媒層を2層以上設けるときには、固定床で行うことが好ましい。原料ガス組成、反応温度、反応圧力、触媒との接触時間などの反応条件は、用いる触媒の種類、性能、形状等に応じて適宜決めることができる。
【0050】
なお、上記低級オレフィン製造工程においては、一種類のオレフィン合成用触媒のみを用いることも、2種以上のオレフィン合成用触媒を用いることもできる。また、低級オレフィン製造工程において、オレフィン合成用触媒に加えて1種以上のオレフィン水素化用触媒を用いることもできる。さらに、オレフィン合成用触媒は、オレフィン水素化用触媒機能が付与された触媒であってもよく、このようなものとしては、具体的には、オレフィン合成用触媒であるゼオライトに、オレフィン水素化用触媒であるNi,Pd,Pt等の金属などを担持した触媒が挙げられる。
【0051】
また、液化石油ガス製造工程において、一種類のオレフィン水素化用触媒のみを用いることも、2種以上のオレフィン水素化用触媒を用いることもできる。また、液化石油ガス製造工程において、オレフィン水素化用触媒に加えて1種以上のオレフィン合成用触媒を用いることができる。さらに、オレフィン水素化用触媒は、オレフィン合成用触媒機能が付与された触媒であってもよく、このような触媒としては、オレフィン水素化用触媒機能が付与されたオレフィン合成用触媒と同様のものが使用できる。
【0052】
〔エチレン等分離・リサイクル〕
低級オレフィン製造工程の後、液化石油ガス製造工程の前に、低級オレフィン含有ガスから、エチレンなどのプロピレンより沸点の低い成分(低沸点成分)を分離し、これを製造工程の原料としてリサイクルすることができる。これにより、液化石油ガス中の炭素数2以下の成分の含有量をさらに低下させることができ、またエチレンなどを合成ガスの原料として有効利用することができる。
【0053】
この分離は、例えば気液分離、吸収分離、蒸留など公知の方法によって行うことができる。より具体的には、加圧常温での気液分離や吸収分離、冷却しての気液分離や吸収分離あるいはその組み合わせによることができる。あるいは膜分離や吸着分離によることも、これらと気液分離、吸収分離、蒸留との組み合わせによることもできる。低沸点成分を分離するには、製油所で通常用いられるガス回収プロセス(「石油精製プロセス」石油学会/編、講談社サイエンティフィク、1998年、p28〜p32記載)を適用することができる。上記低沸点成分の分離方法としては、高沸点パラフィンガス(ブタンより沸点の高い成分)あるいはガソリンなどを吸収液として用い、プロピレンまたはブテンなど低級オレフィン主成分とするガスを吸収させる吸収プロセスが好ましい。
【0054】
民生用としては、使用時の安全性の観点から、例えば、上記低沸点成分の分離によって液化石油ガス中の炭素数2以下の成分の含有量を5モル%以下とすることができる。
【0055】
リサイクルするためには、適宜リサイクルラインに昇圧手段を設けるなど、リサイクルに係る公知の技術を採用することができる。
【0056】
〔水素分離・水素化に利用〕
メタノール/ジメチルエーテル製造工程の反応物から、水素を分離し、低級オレフィン製造工程を経ずに液化石油ガス製造工程に供給することができる。低級オレフィン製造工程に供給される水素を低減することにより、低級オレフィン製造工程でオレフィンが水素化されてメタンおよびエタンになることを抑制でき、液化石油ガス製造工程に水素を供給することにより、液化石油ガス製造工程でオレフィンがメタンおよびエタンになる水素化反応を促進することができ、好ましい。
【0057】
水素の分離は、加圧ないし、あるいは冷却気液分離等、公知の分離技術を採用することができる。反応の観点から言えば、メタノール/ジメチルエーテル製造工程の反応物から、できるだけ多くの水素を分離することが好ましいが、実際には水素分離にかかるコスト等を勘案して、水素分離の度合いを適宜決めることができる。
【0058】
また、メタノール/ジメチルエーテル製造工程の反応物から、水素と共にCOも分離し、シフト反応によってこのCOを水素に転換し、得られたガスを低級オレフィン製造工程をバイパスして液化石油ガス製造工程に供給することもできる。
【0059】
本発明では、合成ガス製造工程、メタノール/ジメチルエーテル製造工程、低級オレフィン製造工程、液化石油ガス製造工程をそれぞれ独立した反応器において行うことができる。これにより、前述のように、ある工程の反応物から特定の成分を抜き出し、引き続く工程を経由せずに他の工程にその成分を供給したり、上流側の工程にその成分を供給したりすることを容易に行うことが可能となる。また、それぞれの工程は発熱または吸熱を伴うが、熱交換を適宜行うことにより、発熱反応の反応熱を吸熱反応に利用したりすることを容易に行うことが可能となる。また、それぞれの反応器における反応の制御を容易に行うことも可能となる。
【0060】
【実施例】
図1に本発明の方法を実施するに好適なLPG製造装置の一例を示す。
【0061】
含炭素原料としてメタンがライン11および12を経て改質器1に供給される。ここでは水蒸気改質を行うため、図示しないが水蒸気が改質器に供給される。また、改質器は改質のために必要な熱を供給するための加熱手段(不図示)も備える。
【0062】
改質器内に備えられた改質触媒1aの存在下にメタンが改質され、水素、一酸化炭素、二酸化炭素および水蒸気を含む合成ガスが得られる。
【0063】
この合成ガスは水分が除去されたのちライン13からメタノール製造装置3に供給され、メタノール化触媒3aの存在下に、メタノールおよびDMEが製造される。
【0064】
メタノール製造装置の出口ガスは、メタノールおよびDMEを含み、さらに水素を含む。このガスはライン14から未反応ガス分離器4に供給されその上部ライン32からシフト反応器2に供給され、反応器内に備えられた触媒2aの存在下に、シフト反応により水素に富むガスとされる。
【0065】
未反応ガス分離は冷却分離によって行われ、オレフィン製造装置をバイパスするバイパスライン32から水素が抜き出され、残りの成分がライン15を経てオレフィン製造装置5に供給される。
【0066】
オレフィン製造装置では、オレフィン化触媒5aの存在下、メタノールおよびDMEから炭素数2、3および4のオレフィンが製造される。
【0067】
オレフィン製造装置から得られる生成物は、気液分離などによって予め水分あるいは、および高沸点パラフィンガス(ブタンより沸点の高い成分)が除かれたのちライン16からエチレン等分離器6に供給され、プロピレンの沸点より低い沸点を持つ成分がリサイクルライン31およびライン12を経て改質器にリサイクルされ、プロピレンの沸点以上の沸点を持つ成分がライン17を経由し、ライン33からの水素に富むガスと混合され、ライン18を経てLPG製造装置7に供給される。
【0068】
LPG製造装置では、触媒7aの存在下に、オレフィンが水素化され、プロパン、ブタンに加え、若干の水素などが含まれる流体がライン19から気液分離器8へと供給される。
【0069】
気液分離器では、プロパンが液化する条件において気液分離が行われ、水素などが除去されてライン21からオフガスとして排出され、プロパンを主成分とする液化石油ガスがライン20から得られる。
【0070】
オフガスは、その組成などによって適宜利用もしくは処理される。オフガスは、例えば、燃料として利用できる場合もあり、フレアスタック等で焼却処理することもできる。
【0071】
上記構成の装置を用い、LPGを製造した。条件および結果を以下に記す。
【0072】
(LPGの製造方法)
図1に示すLPG製造装置を用いてLPGを製造した。オレフィン合成用触媒としてはSi/Al比(原子比)が25.0であるH−ZSM−5を乾燥基準で73.5質量%とアルミナバインダー(触媒化成工業株式会社製カタロイドAP)を乾燥基準で26.5質量%を混合、湿式成型、乾燥、焼成して得た触媒を用いて、オレフィン水素化用触媒としては2.0質量%Pt/カーボン触媒(エヌイー・ケム・キャット社製)を、いずれも同一形状の1/32インチ(0.8mm)円柱形状押し出し成型品を用いた。
【0073】
組成としてメタノール100モル%の原料をライン15から、オレフィン合成用触媒だけから成る触媒層を有するオレフィン製造装置に流通させた。反応条件は、反応温度として反応器制御温度330℃、触媒層最高温度365℃、反応圧力140kPa、メタノール液空間速度40hr-1とした。
【0074】
次いで、得られた反応ガスを0℃付近にて気液分離ののち、モレキュラーシーブにて乾燥後、0℃付近に保持されたオクタン溶液にバブルさせる方法でメタン、エタンおよびエチレン混合ガスを低沸点分として分離して、オクタン溶液を80℃まで上げ脱離したガス(ライン17)と水素(ライン33)とを、オレフィン水素化用触媒から成る触媒層を有する液化石油ガス製造装置に流通させた。水素の供給量は、オレフィン製造装置に流通させた原料メタノールガスと同じモルとした。反応条件は、反応温度330℃、反応圧力120kPa、オレフィン水素化用触媒との原料メタノール基準の液空間速度40hr-1とした。生成物をガスクロマトグラフィーにより分析したところ、未反応のメタノールは検出されずメタノールの転換反応はほぼ100%進行していた。また、メタノールからLPGへの、すなわちプロパンおよびブタンへの転化率は炭素量基準で69%、そのLPG中のプロパン含有量は炭素量基準65%であった。また、低沸点成分として分離したメタン、エタンおよびエチレン混合ガスは、原料メタノールに対する炭素量基準15%であった。
【0075】
(合成ガスの製造方法)
上記低沸点成分として分離したメタン、エタンおよびエチレン混合ガスを改質器にリサイクルして含炭素原料として炭素基準2モル%とし、メタン39モル%、スチーム41モル%、二酸化炭素18モル%の組成の原料ガスを、WO98/46524号公報触媒調製例9に従って調製したRu/焼結低表面積化マグネシア触媒が充填された外熱式反応管型の装置にて、触媒を予め水素気流中900℃で1hr還元処理を行ったのち、反応温度870℃、圧力2.1MPa、GHSV2000hr-1の操作条件にて改質して水素58モル%、一酸化炭素29モル%、二酸化炭素6モル%、メタン7モル%の組成(ドライベース)の合成ガスを得た。この組成からこの合成ガスはメタノールの製造で原料として使うことができる。
【0076】
(メタノールおよび水素リッチガスの製造方法)
また、メタノール製造において、上で得られた合成ガスを原料として、CuO−ZnO−Cr2O3触媒を用いて、250℃、10MPaにて反応率を70%が容易に達成できる。このとき未反応合成ガスは、未反応ガス分離器4にて気液分離でガス分として分離でき、シフト反応によって原料メタノール(ライン15)とほぼ近いモルの水素を含む水素リッチガスとなる。
【0077】
図示しないが、昇圧機、熱交換器、バルブ、計装制御装置などは、必要に応じて設けられる。
【0078】
【発明の効果】
本発明により、天然ガスなどの含炭素原料あるいは合成ガスからメタノールおよび/またはDMEを経由して、プロパンおよびブタン、特にはプロパンを選択性良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施するに好適なLPG製造装置の一例について、主要な構成を示すプロセスフロー図である。
【符号の説明】
1 改質器
1a 改質触媒
2 シフト反応器
2a シフト触媒
3 メタノール製造装置
3a メタノール製造触媒
4 未反応ガス分離器
5 オレフィン製造装置
5a オレフィン化触媒
6 エチレン等分離器
7 液化石油ガス製造装置
7 液化石油ガス製造触媒
8 気液分離器
11〜21 ライン
31 リサイクルライン
32、33 バイパスライン
【発明の属する技術分野】
本発明は合成ガスから液化石油ガスを製造する方法に関し、また天然ガス等の含炭素原料から液化石油ガスを製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
液化石油ガス(LPG)は、常温常圧下ではガス状を呈する石油系もしくは天然ガス系炭化水素を圧縮し、あるいは同時に冷却して液状にしたものをいい、その主成分はプロパンまたはブタンである。液化石油ガスは家庭用や移動体用の燃料として有用である。
【0003】
メタン等の炭化水素を改質して得られる合成ガスから、LPGを製造する方法は、非特許文献1に開示されている。この文献では、メタノール合成用触媒である4wt%Pd/SiO2、Cu−Zn−Al混合酸化物[Cu:Zn:Al=40:23:37(原子比)]またはCu系低圧メタノール合成用触媒(商品名:BASF S3−85)と、SiO2/Al2O3=7.6の高シリカY型ゼオライトとから成るハイブリッド触媒を用い、合成ガスからメタノール、ジメチルエーテルを経由してC2〜C4のパラフィンを選択率69〜85%で製造する方法が開示されている。しかしながら、この方法では、プロパン(C3)およびブタン(C4)の選択率は63〜74%程度であり、生成物中の炭素数2以下の成分の含有量が低いとは言えず、生成物の組成がLPG製品に適しているとは言えない。
【0004】
また、非特許文献2には、合成ガスからメタノールおよびジメチルエーテルを製造し、メタノールおよびジメチルエーテルから炭化水素を製造することが記載されているが、ここに示されるのはガソリンを製造する方法であって、生成物中に炭素数6以上の炭化水素(芳香族を含む)が多く、LPG製品に適したものは得られていない。
【0005】
【非特許文献1】
”Selective Synthesis of LPG from Systhesis Gas”、Kaoru Fujimoto et.al.、Bull.Chem.Soc.Jpn,58,3059−3060(1985)
【非特許文献2】
”Two−Stage Reaction System for Synthesis Gas Conversion to Gasoline”、Kaoru Fujimoto et.al.、Ind. Eng. Chem. Prod. Res.Dev. 1986、25、262−267
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、合成ガスからプロパンおよびブタン、特にはプロパンを選択性良く製造し、炭素数2以下の成分および炭素数5以上の成分の濃度が低く、プロパンおよびブタン濃度が高く、特にはプロパン濃度の高いLPGを製造することができる方法を提供することである。
【0007】
本発明の他の目的は、天然ガスなどの含炭素原料から、上記のようなLPGを製造することができる方法を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明により、触媒の存在下に、水素および一酸化炭素を含む合成ガスからメタノールおよび/またはジメチルエーテルを製造するメタノール/ジメチルエーテル製造工程と、
触媒の存在下に、該メタノール/ジメチルエーテル製造工程で製造されたメタノールおよび/またはジメチルエーテルから炭素数2、3および4のオレフィンを含む混合ガスである低級オレフィン含有ガスを製造する低級オレフィン製造工程と、
触媒の存在下に、該低級オレフィン含有ガスからプロパンを主成分とする液化石油ガスを製造する液化石油ガス製造工程と
を有することを特徴とする液化石油ガスの製造方法が提供される。
【0009】
また本発明により、含炭素原料から水素および一酸化炭素を含む合成ガスを製造する合成ガス製造工程と、
触媒の存在下に、合成ガスからメタノールおよび/またはジメチルエーテルを製造するメタノール/ジメチルエーテル製造工程と、
触媒の存在下に、該メタノール/ジメチルエーテル製造工程で製造されたメタノールおよび/またはジメチルエーテルから炭素数2、3および4のオレフィンを含む混合ガスである低級オレフィン含有ガスを製造する低級オレフィン製造工程と、
触媒の存在下に、該低級オレフィン含有ガスからプロパンを主成分とする液化石油ガスを製造する液化石油ガス製造工程と
を有することを特徴とする液化石油ガスの製造方法が提供される。
【0010】
直上の方法において、前記低級オレフィン製造工程の反応物から、プロピレンより沸点の低い成分を分離して、前記合成ガス製造工程に供給することが好ましい。
【0011】
上記方法において、前記メタノール/ジメチルエーテル製造工程の反応物から水素を分離し、該水素を前記低級オレフィン製造工程に供給することなく、前記液化石油ガス製造工程に供給することが好ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】
〔合成ガス製造工程〕
含炭素原料としては、炭素を含む物質であって、H2O、O2およびCO2から選ばれる少なくとも一種と反応してH2およびCOを生成するものを用いることができ、合成ガスの原料として公知のものを用いることができる。例えば、メタンやエタン等の低級炭化水素を用いることができる。また、天然ガス、ナフサ、石炭などを用いることも可能である。
【0013】
本発明では触媒を用いるため、含炭素原料としては、硫黄等の触媒被毒物質の含有量が少ないものが好ましい。また、含炭素原料に触媒被毒物質が含まれる場合には、必要に応じて脱硫等、触媒被毒物質を除去する工程を採用することができる。
【0014】
合成ガスは水素と一酸化炭素とを含む混合ガスであり、水素および一酸化炭素からなる混合ガスであってもよく、また天然ガスを改質して得られる改質ガスのように水素と一酸化炭素に加えて二酸化炭素や水蒸気を含む混合ガスであってもよい。あるいは石炭ガス化により得られる石炭ガスであってもよい。
【0015】
合成ガス製造工程は、含炭素原料から上記合成ガスを製造する工程であり、公知の方法によって行うことができる。例えば、天然ガスを原料とした場合には、水蒸気改質法や自己熱改質法など、公知の改質方法によって行うことができる。水蒸気改質に必要な水蒸気や自己熱改質に必要な酸素などは必要に応じて供給することができる。また石炭を原料とする場合には、空気吹きガス化炉などを用いて合成ガスを製造することができる。
【0016】
さらに、改質器等の下流にシフト反応器を設け、シフト反応によって合成ガスの組成を調整することができる。
【0017】
本発明にとって合成ガス製造工程から製造される好ましい合成ガスの組成は、メタノール合成反応の化学量論から言えば水素/COのモル比は2.0であるが、合成ガス中の水素濃度は、メタノール/ジエチルエーテル製造工程において一酸化炭素を好適に反応させるためには、一酸化炭素1モルに対して0.7モル以上が好ましく、0.9モル以上がより好ましく、一酸化炭素が好適に反応しメタノールおよびないしジメチルエーテルを得ることのできる量があればよく、余剰の水素は原料ガスの全圧を不必要に上げることになり技術の経済性を低下させるため、水素濃度は一酸化炭素1モルに対して3.0モル以下が好ましく、2.3モル以下がより好ましい。
【0018】
上記好ましい組成の合成ガスを製造するには、含炭素原料とスチーム、酸素、二酸化炭素の供給量比や、合成ガス製造触媒の種類、反応の操作条件を適宜選択すればよい。たとえば、天然ガスの改質器の原料ガスとして、スチーム/メタンモル比が1.0、二酸化炭素/メタンモル比が0.4となるような組成のガスを用いて、RuないしRh/焼結低表面積化マグネシア触媒が充填された外熱式多管反応管型の装置にて、反応温度(触媒層出口温度)800〜900℃、圧力1〜4MPa、ガス空間速度(GHSV)2000hr-1等の操作条件にて行うことができる。
【0019】
合成ガス製造においてスチームを用いて改質する場合、エネルギー効率の観点からスチーム原料カーボン比(S/C)は1.5以下とすることが好ましく、0.1〜1.2とすることがより好ましいが、このような低い値にすると、炭素析出発生の可能性が無視できなくなる。一方、オレフィン製造工程の反応物からプロピレンより沸点の低い成分(以下、低沸点成分という。)を分離する工程(以下、低沸点成分分離工程という。)で得られる低沸点成分を合成ガス製造工程にリサイクルした場合、この成分中に含まれるメタンはもちろんのことエタンないしエチレンも含炭素原料となり、また反応によって生成した二酸化炭素ガスもCO2リフォーミング反応によって合成ガスに戻すことができるので原料原単位を低減させることかでき、かつS/Cを上記のような低い値にしてもCO2リフォーミング反応によって炭素析出発生の可能性を低下させることができる。上記リサイクルを行い、かつ低S/Cで合成ガス製造を行う場合には、例えばWO98/46524号公報、特開2000−288394号公報あるいは特開2000−469号公報に記載されるような、良好な合成ガス化反応の活性を有しつつも炭素析出活性が抑えられた触媒を用いることが好ましい。以下、これら触媒について述べる。
【0020】
WO98/46524号公報に記載されている触媒は、金属酸化物からなる担体にロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム及び白金の中から選ばれる少なくとも1種の触媒金属を担持させた触媒であって、該触媒の比表面積が25m2/g以下で、かつ該担体金属酸化物中の金属イオンの電気陰性度が13.0以下であり、該触媒金属の担持量が金属換算量で担体金属酸化物に対して0.0005〜0.1モル%である触媒である。さらに、炭素析出防止の観点から、上記電気陰性度は4〜12が好ましく、上記触媒の比表面積は0.01〜10m2/gが好ましい。
【0021】
なお、前記金属酸化物中の金属イオンの電気陰性度は、次式により定義される。
Xi=(1+2i)Xo
ここでXi:金属イオンの電気陰性度 Xo:金属の電気陰性度 i:金属イオンの荷電子数である。金属酸化物が複合金属酸化物の場合は、平均の金属イオン電気陰性度を用い、その値は、その複合金属酸化物中に含まれる各金属イオンの電気陰性度に複合酸化物中の各酸化物のモル分率を掛けた値の合計値とする。金属の電気陰性度(Xo)はPaulingの電気陰性度を用いる。Paulingの電気陰性度は、「藤代亮一訳、ムーア物理化学(下)(第4版)、東京化学同人,P707(1974)」の表15.4記載の値を用いる。なお、金属酸化物中の金属イオンの電気陰性度については、例えば、「触媒学会編、触媒講座、第2巻、P145(1985)」に詳述されている。
【0022】
この触媒において、前記金属酸化物には、Mg、Ca、Ba、Zn、Al、Zr、La等の金属を1種又は2種以上含む金属酸化物が包含される。このような金属酸化物としては、例えばマグネシア(MgO)が挙げられる。
【0023】
メタンとスチームとを反応させる方法(スチームリフォーミング)の場合、その反応は次式で示される。
【0024】
【化1】
メタンと二酸化炭素(CO2)とを反応させる方法(CO2リフォーミング)の場合、その反応は次式で示される。
【0025】
【化2】
メタンとスチームと二酸化炭素(CO2)とを反応させる方法(スチーム/CO2混合リフォーミング)の場合、その反応は次式で示される。
【0026】
【化3】
上記触媒を用いてスチームリフォーミングを行う場合、その反応温度は好ましくは600〜1200℃、より好ましくは600〜1000℃であり、その反応圧力は、好ましくは0.098MPaG〜3.9MPaG、より好ましくは0.49MPaG〜2.9MPaG(Gはゲージ圧であることを示す)である。また、この反応を固定床方式で行う場合、そのガス空間速度(GHSV)は好ましくは1,000〜10,000hr-1、より好ましくは2,000〜8,000hr-1である。含炭素原料に対するスチーム使用割合を示すと、含炭素原料(リサイクル原料を含めCO2を除く)の炭素1モル当り、好ましくはスチーム(H2O)0.5〜2モル、より好ましくは0.5〜1.5モル、さらに好ましくは0.8〜1.2モルの割合である。
【0027】
上記触媒を用いてCO2リフォーミングを行う場合、その反応温度は好ましくは500〜1200℃、より好ましくは600〜1000℃であり、その反応圧力は、好ましくは0.49MPaG〜3.9MPaG、より好ましくは0.49MPaG〜2.9MPaGである。また、上記触媒を用いてCO2リフォーミングを固定床方式で行う場合、そのガス空間速度(GHSV)は1,000〜10,000hr-1、好ましくは2,000〜8,000hr-1である。含炭素原料に対するCO2の使用割合を示すと、含炭素原料(リサイクル原料を含めCO2を除く)中の炭素1モル当り、好ましくはCO220〜0.5モル、好ましくは10〜1モルの割合である。
【0028】
上記触媒を用いて、含炭素原料にスチームとCO2の混合物を反応させて合成ガスを製造する(スチーム/CO2混合リフォーミングを行う)場合、スチームとCO2との混合割合は特に制約されないが、一般的には、H2O/CO2モル比で、0.1〜10で、その反応温度は好ましくは550〜1200℃、より好ましくは600〜1000℃であり、その反応圧力は、好ましくは0.29MPaG〜3.9MPaG、より好ましくは0.49MPaG〜2.9MPaGである。また、この反応を固定床方式で行う場合、そのガス空間速度(GHSV)は好ましくは1,000〜10,000hr-1、より好ましくは2,000〜8,000hr-1である。含炭素原料(リサイクル原料を含めCO2を除く)に対するスチーム使用割合を示すと、含炭素原料(リサイクル原料を含めCO2を除く)の炭素1モル当り、好ましくはスチーム(H2O)0.5〜2モル、より好ましくは0.5〜1.5モル、さらに好ましくは0.5〜1.2モルの割合である。
【0029】
特開2000−288394号公報に記載される触媒は、下記式で表される組成を有する複合酸化物からなり、MおよびCoが該複合酸化物中で高分散化されていることを特徴とするリホーミング用触媒である。
aM・bCo・cMg・dCa・eO
(この式中、a,b,c,d,eはモル分率であり、a+b+c+d=1、0.0001≦a≦0.10、0.0001≦b≦0.20、0.70≦(c+d)≦0.9998、0<c≦0.9998、0≦d<0.9998、e=元素が酸素と電荷均衡を保つのに必要な数である。また、Mは周期律表第6A族元素、第7A族元素、Coを除く第8族遷移元素、第1B族元素、第2B族元素、第4B族元素およびランタノイド元素の少なくとも1種類の元素である。)
特開2000−469号公報に記載される触媒は、下記式で表わされる組成を有する複合酸化物からなり、MおよびNiが該複合酸化物中で高分散化されていることを特徴とするリホーミング用ニッケル系触媒である。
aM・bNi・cMg・dCa・eO
(この式中、a、b、c、d、eはモル分率であり、a+b+c+d=1、0.0001≦a≦0.10、0.0001≦b≦0.10、0.80≦(c+d)≦0.9998、0<c≦0.9998、0≦d<0.9998、e=元素が酸素と電荷均衡を保つのに必要な数であり、Mは周期律表第3B族元素、第4A族元素、第6B族元素、第7B族元素、第1A族元素およびランタノイド元素の少なくとも1種類の元素である。)
これらの触媒も、WO98/46524号公報に記載の触媒と同様にして用いることができる。
【0030】
〔メタノール/ジメチルエーテル製造工程〕
メタノール/ジメチルエーテル製造工程では合成ガスからメタノールおよび/またはジメチルエーテル(DME)を製造する。この工程は、例えば「天然ガスの高度利用技術―開発研究の最前線―」監修市川勝、エヌ・ティー・エス、2001、p439−451、「天然ガスからのメタノール、MTBEの製造」、触媒、Vol.33、No.9、1991、p495−499、に記載の方法など、公知の方法によって行うことができる。
【0031】
メタノール合成工程では、触媒の存在下に次の反応によってメタノール、DMEを得ることができる。
【0032】
【化4】
メタノール合成工程で用いることのできる触媒としては、例えば、ICI社のCu/Zn/Cr系(原子比90〜25/8〜60/2〜30)、LURGI社のCu/Zn/Mn/V系(原子比80〜30/10〜50/1〜25/10〜50)など、Cu/Zn系に第3成分、さらに他の成分が入ったものが挙げられる。
【0033】
供給ガスの組成は、上記合成ガスそのままで良いし、シフト反応によって組成を調節しても良い。また二酸化炭素含量は反応中にシフト反応が起きる場合には予め相当量含ませておくこともできる。得られるガスの組成としては、反応に平衡規制が存在するため、未反応の合成ガスおよびメタノール合成時に不純物としてジメチルエーテルないし、および水分が混在する。
【0034】
メタノール/ジメチルエーテルを得るために好ましい触媒と操作条件としては、たとえばCuO−ZnO−Cr2O3触媒を用いたとき、230〜260℃、10〜15MPaである。
【0035】
〔低級オレフィン製造工程〕
低級オレフィン製造工程では、メタノールおよび/またはDMEからエチレン、プロピレンおよびブチレンを含む混合ガス(本明細書において、低級オレフィン含有ガスという)を製造する。
【0036】
低級オレフィン製造工程では次式のように、メタノール及びジメチルエーテルの少なくとも1つを原料に、メタノールの脱水によってカルベン(H2C:)が生成する。そして、このカルベンの重合によって、2量体としてエチレンが、3量体として、あるいは、エチレンとの反応によってプロピレンが、4量体として、あるいは、プロピレンとの反応によって、あるいは、エチレンの2量化によってブテンが生成すると考えられる。また、エチレンなどの分解によってカルベンが生成すると考えられる。
【0037】
【化5】
このオレフィンの生成過程においては、メタノールの脱水2量化によるジメチルエーテルの生成、ジメチルエーテルの水和によるメタノールの生成、低級オレフィンの重合による高級オレフィンの生成、高級オレフィンの分解、オレフィンの環化、異性化による芳香族炭化水素、共役炭化水素化合物および飽和炭化水素の生成、シクロペンタジエニル構造などを有する共役炭化水素化合物のタールまたはコークス化などの反応が起こると考えられる。
【0038】
本発明においては、上記反応のうち、目的とするLPGに相当する炭素数のオレフィンまたはその前駆体の生成反応(カルベンの生成反応、カルベンの重合によるエチレン、プロピレン、ブテンなど低級オレフィンの生成反応、カルベンとエチレンまたはプロピレンの反応およびエチレンの2量化反応)以外の反応を極力抑制することが好ましい。さらには、生成するオレフィン類の主成分がプロピレンになるように反応を制御することが好ましい。
【0039】
そのためには、低級オレフィン製造のために用いるオレフィン合成用触媒として、適当な酸強度、酸量(酸濃度)および細孔径を有するゼオライトを用いることが好ましい。
【0040】
オレフィン合成用触媒としては、例えば、ZSM−34、ZSM−5、好ましくはSi/Al比(原子比)が50以下である高アルミZSM−5、SAPO−34等のシリコアルミノフォスフェート(SAPO)、ECR−1、マズモライト、ECR−18等の合成ポーリンジャイト型ゼオライトなどが挙げられる。また、Ni、Co、Fe、Pt、Pd、Cu、Ag等の金属、または、Mg、P、ランタニド等の元素を含有する、あるいは、これらの金属、元素またはTi、Nb等でイオン交換した上記のゼオライトも挙げられる。金属や化合物を含有させる、あるいは、金属や化合物でイオン交換することによって、また、コークを堆積させることによって、ゼオライトの酸強度や酸量を調整することが可能である。しかも、ゼオライトの酸強度や酸量を平均的にだけではなく、例えば、ゼオライト細孔外、細孔入口付近、細孔内部に分けて調整することが可能である。さらに、酸強度や酸量の調整と共に、同時にあるいは別途、細孔径を微妙に調節することも可能である。なお、金属や化合物を含有させる、あるいは、金属や化合物でイオン交換すると共に、コークを堆積させることもできる。オレフィン合成用触媒としては、中でも、高アルミZSM−5、SAPO−34が好ましく、Si/Al比(原子比)が8以上50以下、より好ましくは8以上40以下であるZSM−5がより好ましい。
【0041】
生成するオレフィン類の主成分がプロピレンになるようにするためには、反応条件、特に原料ガスとオレフィン合成用触媒との接触時間を制御することも重要である。カルベンの重合、オレフィンの重合など、オレフィンの生成反応は逐次反応であり、低級オレフィン製造用原料ガスとオレフィン合成用触媒との接触時間が長くなるほど、炭素数の多いオレフィンが得られる傾向がある。
【0042】
プロピレンを主成分とするオレフィン類が得られる低級オレフィン製造用原料ガスとオレフィン合成用触媒との接触時間は、用いる触媒の種類や、その他の反応条件などに応じて調節すると良い。予めオレフィンの合成反応を行い、原料ガスとオレフィン合成用触媒との接触時間を決定することもできる。
【0043】
低級オレフィン製造工程に供給するガスは、上記メタノール/ジメチルエーテル製造工程で得られるガスそのままでもよいし、必要に応じて水を加えることもできる。なぜならジメチルエーテルは加水してメタノールに戻ってからカルベンを生成するので、この加水のための水を補給することが有効な場合もあるからである。
【0044】
低級オレフィン製造工程において、反応は、固定床でも流動床でも移動床でも行うことができる。触媒層を2層以上設けるときには、固定床で行うことが好ましい。原料ガス組成、反応温度、反応圧力、触媒との接触時間などの反応条件は、用いる触媒の種類、性能、形状等に応じて適宜決めることができる。
【0045】
〔液化石油ガス製造工程〕
液化石油ガス製造工程では、前記式(A)にも示されるように、オレフィン(OLEFIN)の水素化反応によってパラフィン(LPG)を得ることができる。このために使用する水素は、別途供給することも可能であるが、合成ガスに含まれる水素を利用することができる。メタノール/ジメチルエーテル製造工程において得られる反応ガス中に水素が残るような組成の合成ガスを使用し、この残った水素でオレフィンの水素化を行うことができる。
【0046】
液化石油ガスを得るために、必要に応じて加圧および/または冷却を行っても良い。また、気液分離により残留する水素などを除去するなど、公知の精製工程を伴っても良い。
【0047】
液化石油ガス製造工程で得られる液化石油ガスは、プロパンを主成分とする。ここでプロパンを主成分とするためには、低級オレフィン製造工程において、生成するオレフィン中の主成分がプロピレンである低級オレフィン含有ガスを製造しておくことが好ましい。このようにすれば低級オレフィンを水素化することにより容易にプロパンを主成分とする液化石油ガスを得ることができる。
【0048】
液化石油ガス製造工程で用いることのできるオレフィン水素化用触媒としては、公知の水素化触媒、具体的には、Fe,Co,Ni,Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Pt,Cu,Re等の金属または合金、Cu,Co,Ni,Cr,Zn,Re,Mo,W等の金属の酸化物、Co,Re,Mo,W等の金属の硫化物などが挙げられる。また、これらの触媒をカーボン、シリカ、アルミナ、シリカ・アルミナ、ゼオライト等の担体に担持して、あるいは、これらと混合して用いることもできる。中でも、ニッケル触媒、パラジウム触媒、白金触媒などが好ましい。
【0049】
液化石油ガス製造工程において、反応は、固定床でも流動床でも移動床でも行うことができる。触媒層を2層以上設けるときには、固定床で行うことが好ましい。原料ガス組成、反応温度、反応圧力、触媒との接触時間などの反応条件は、用いる触媒の種類、性能、形状等に応じて適宜決めることができる。
【0050】
なお、上記低級オレフィン製造工程においては、一種類のオレフィン合成用触媒のみを用いることも、2種以上のオレフィン合成用触媒を用いることもできる。また、低級オレフィン製造工程において、オレフィン合成用触媒に加えて1種以上のオレフィン水素化用触媒を用いることもできる。さらに、オレフィン合成用触媒は、オレフィン水素化用触媒機能が付与された触媒であってもよく、このようなものとしては、具体的には、オレフィン合成用触媒であるゼオライトに、オレフィン水素化用触媒であるNi,Pd,Pt等の金属などを担持した触媒が挙げられる。
【0051】
また、液化石油ガス製造工程において、一種類のオレフィン水素化用触媒のみを用いることも、2種以上のオレフィン水素化用触媒を用いることもできる。また、液化石油ガス製造工程において、オレフィン水素化用触媒に加えて1種以上のオレフィン合成用触媒を用いることができる。さらに、オレフィン水素化用触媒は、オレフィン合成用触媒機能が付与された触媒であってもよく、このような触媒としては、オレフィン水素化用触媒機能が付与されたオレフィン合成用触媒と同様のものが使用できる。
【0052】
〔エチレン等分離・リサイクル〕
低級オレフィン製造工程の後、液化石油ガス製造工程の前に、低級オレフィン含有ガスから、エチレンなどのプロピレンより沸点の低い成分(低沸点成分)を分離し、これを製造工程の原料としてリサイクルすることができる。これにより、液化石油ガス中の炭素数2以下の成分の含有量をさらに低下させることができ、またエチレンなどを合成ガスの原料として有効利用することができる。
【0053】
この分離は、例えば気液分離、吸収分離、蒸留など公知の方法によって行うことができる。より具体的には、加圧常温での気液分離や吸収分離、冷却しての気液分離や吸収分離あるいはその組み合わせによることができる。あるいは膜分離や吸着分離によることも、これらと気液分離、吸収分離、蒸留との組み合わせによることもできる。低沸点成分を分離するには、製油所で通常用いられるガス回収プロセス(「石油精製プロセス」石油学会/編、講談社サイエンティフィク、1998年、p28〜p32記載)を適用することができる。上記低沸点成分の分離方法としては、高沸点パラフィンガス(ブタンより沸点の高い成分)あるいはガソリンなどを吸収液として用い、プロピレンまたはブテンなど低級オレフィン主成分とするガスを吸収させる吸収プロセスが好ましい。
【0054】
民生用としては、使用時の安全性の観点から、例えば、上記低沸点成分の分離によって液化石油ガス中の炭素数2以下の成分の含有量を5モル%以下とすることができる。
【0055】
リサイクルするためには、適宜リサイクルラインに昇圧手段を設けるなど、リサイクルに係る公知の技術を採用することができる。
【0056】
〔水素分離・水素化に利用〕
メタノール/ジメチルエーテル製造工程の反応物から、水素を分離し、低級オレフィン製造工程を経ずに液化石油ガス製造工程に供給することができる。低級オレフィン製造工程に供給される水素を低減することにより、低級オレフィン製造工程でオレフィンが水素化されてメタンおよびエタンになることを抑制でき、液化石油ガス製造工程に水素を供給することにより、液化石油ガス製造工程でオレフィンがメタンおよびエタンになる水素化反応を促進することができ、好ましい。
【0057】
水素の分離は、加圧ないし、あるいは冷却気液分離等、公知の分離技術を採用することができる。反応の観点から言えば、メタノール/ジメチルエーテル製造工程の反応物から、できるだけ多くの水素を分離することが好ましいが、実際には水素分離にかかるコスト等を勘案して、水素分離の度合いを適宜決めることができる。
【0058】
また、メタノール/ジメチルエーテル製造工程の反応物から、水素と共にCOも分離し、シフト反応によってこのCOを水素に転換し、得られたガスを低級オレフィン製造工程をバイパスして液化石油ガス製造工程に供給することもできる。
【0059】
本発明では、合成ガス製造工程、メタノール/ジメチルエーテル製造工程、低級オレフィン製造工程、液化石油ガス製造工程をそれぞれ独立した反応器において行うことができる。これにより、前述のように、ある工程の反応物から特定の成分を抜き出し、引き続く工程を経由せずに他の工程にその成分を供給したり、上流側の工程にその成分を供給したりすることを容易に行うことが可能となる。また、それぞれの工程は発熱または吸熱を伴うが、熱交換を適宜行うことにより、発熱反応の反応熱を吸熱反応に利用したりすることを容易に行うことが可能となる。また、それぞれの反応器における反応の制御を容易に行うことも可能となる。
【0060】
【実施例】
図1に本発明の方法を実施するに好適なLPG製造装置の一例を示す。
【0061】
含炭素原料としてメタンがライン11および12を経て改質器1に供給される。ここでは水蒸気改質を行うため、図示しないが水蒸気が改質器に供給される。また、改質器は改質のために必要な熱を供給するための加熱手段(不図示)も備える。
【0062】
改質器内に備えられた改質触媒1aの存在下にメタンが改質され、水素、一酸化炭素、二酸化炭素および水蒸気を含む合成ガスが得られる。
【0063】
この合成ガスは水分が除去されたのちライン13からメタノール製造装置3に供給され、メタノール化触媒3aの存在下に、メタノールおよびDMEが製造される。
【0064】
メタノール製造装置の出口ガスは、メタノールおよびDMEを含み、さらに水素を含む。このガスはライン14から未反応ガス分離器4に供給されその上部ライン32からシフト反応器2に供給され、反応器内に備えられた触媒2aの存在下に、シフト反応により水素に富むガスとされる。
【0065】
未反応ガス分離は冷却分離によって行われ、オレフィン製造装置をバイパスするバイパスライン32から水素が抜き出され、残りの成分がライン15を経てオレフィン製造装置5に供給される。
【0066】
オレフィン製造装置では、オレフィン化触媒5aの存在下、メタノールおよびDMEから炭素数2、3および4のオレフィンが製造される。
【0067】
オレフィン製造装置から得られる生成物は、気液分離などによって予め水分あるいは、および高沸点パラフィンガス(ブタンより沸点の高い成分)が除かれたのちライン16からエチレン等分離器6に供給され、プロピレンの沸点より低い沸点を持つ成分がリサイクルライン31およびライン12を経て改質器にリサイクルされ、プロピレンの沸点以上の沸点を持つ成分がライン17を経由し、ライン33からの水素に富むガスと混合され、ライン18を経てLPG製造装置7に供給される。
【0068】
LPG製造装置では、触媒7aの存在下に、オレフィンが水素化され、プロパン、ブタンに加え、若干の水素などが含まれる流体がライン19から気液分離器8へと供給される。
【0069】
気液分離器では、プロパンが液化する条件において気液分離が行われ、水素などが除去されてライン21からオフガスとして排出され、プロパンを主成分とする液化石油ガスがライン20から得られる。
【0070】
オフガスは、その組成などによって適宜利用もしくは処理される。オフガスは、例えば、燃料として利用できる場合もあり、フレアスタック等で焼却処理することもできる。
【0071】
上記構成の装置を用い、LPGを製造した。条件および結果を以下に記す。
【0072】
(LPGの製造方法)
図1に示すLPG製造装置を用いてLPGを製造した。オレフィン合成用触媒としてはSi/Al比(原子比)が25.0であるH−ZSM−5を乾燥基準で73.5質量%とアルミナバインダー(触媒化成工業株式会社製カタロイドAP)を乾燥基準で26.5質量%を混合、湿式成型、乾燥、焼成して得た触媒を用いて、オレフィン水素化用触媒としては2.0質量%Pt/カーボン触媒(エヌイー・ケム・キャット社製)を、いずれも同一形状の1/32インチ(0.8mm)円柱形状押し出し成型品を用いた。
【0073】
組成としてメタノール100モル%の原料をライン15から、オレフィン合成用触媒だけから成る触媒層を有するオレフィン製造装置に流通させた。反応条件は、反応温度として反応器制御温度330℃、触媒層最高温度365℃、反応圧力140kPa、メタノール液空間速度40hr-1とした。
【0074】
次いで、得られた反応ガスを0℃付近にて気液分離ののち、モレキュラーシーブにて乾燥後、0℃付近に保持されたオクタン溶液にバブルさせる方法でメタン、エタンおよびエチレン混合ガスを低沸点分として分離して、オクタン溶液を80℃まで上げ脱離したガス(ライン17)と水素(ライン33)とを、オレフィン水素化用触媒から成る触媒層を有する液化石油ガス製造装置に流通させた。水素の供給量は、オレフィン製造装置に流通させた原料メタノールガスと同じモルとした。反応条件は、反応温度330℃、反応圧力120kPa、オレフィン水素化用触媒との原料メタノール基準の液空間速度40hr-1とした。生成物をガスクロマトグラフィーにより分析したところ、未反応のメタノールは検出されずメタノールの転換反応はほぼ100%進行していた。また、メタノールからLPGへの、すなわちプロパンおよびブタンへの転化率は炭素量基準で69%、そのLPG中のプロパン含有量は炭素量基準65%であった。また、低沸点成分として分離したメタン、エタンおよびエチレン混合ガスは、原料メタノールに対する炭素量基準15%であった。
【0075】
(合成ガスの製造方法)
上記低沸点成分として分離したメタン、エタンおよびエチレン混合ガスを改質器にリサイクルして含炭素原料として炭素基準2モル%とし、メタン39モル%、スチーム41モル%、二酸化炭素18モル%の組成の原料ガスを、WO98/46524号公報触媒調製例9に従って調製したRu/焼結低表面積化マグネシア触媒が充填された外熱式反応管型の装置にて、触媒を予め水素気流中900℃で1hr還元処理を行ったのち、反応温度870℃、圧力2.1MPa、GHSV2000hr-1の操作条件にて改質して水素58モル%、一酸化炭素29モル%、二酸化炭素6モル%、メタン7モル%の組成(ドライベース)の合成ガスを得た。この組成からこの合成ガスはメタノールの製造で原料として使うことができる。
【0076】
(メタノールおよび水素リッチガスの製造方法)
また、メタノール製造において、上で得られた合成ガスを原料として、CuO−ZnO−Cr2O3触媒を用いて、250℃、10MPaにて反応率を70%が容易に達成できる。このとき未反応合成ガスは、未反応ガス分離器4にて気液分離でガス分として分離でき、シフト反応によって原料メタノール(ライン15)とほぼ近いモルの水素を含む水素リッチガスとなる。
【0077】
図示しないが、昇圧機、熱交換器、バルブ、計装制御装置などは、必要に応じて設けられる。
【0078】
【発明の効果】
本発明により、天然ガスなどの含炭素原料あるいは合成ガスからメタノールおよび/またはDMEを経由して、プロパンおよびブタン、特にはプロパンを選択性良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施するに好適なLPG製造装置の一例について、主要な構成を示すプロセスフロー図である。
【符号の説明】
1 改質器
1a 改質触媒
2 シフト反応器
2a シフト触媒
3 メタノール製造装置
3a メタノール製造触媒
4 未反応ガス分離器
5 オレフィン製造装置
5a オレフィン化触媒
6 エチレン等分離器
7 液化石油ガス製造装置
7 液化石油ガス製造触媒
8 気液分離器
11〜21 ライン
31 リサイクルライン
32、33 バイパスライン
Claims (4)
- 触媒の存在下に、水素および一酸化炭素を含む合成ガスからメタノールおよび/またはジメチルエーテルを製造するメタノール/ジメチルエーテル製造工程と、
触媒の存在下に、該メタノール/ジメチルエーテル製造工程で製造されたメタノールおよび/またはジメチルエーテルから炭素数2、3および4のオレフィンを含む混合ガスである低級オレフィン含有ガスを製造する低級オレフィン製造工程と、
触媒の存在下に、該低級オレフィン含有ガスからプロパンを主成分とする液化石油ガスを製造する液化石油ガス製造工程と
を有することを特徴とする液化石油ガスの製造方法。 - 含炭素原料から水素および一酸化炭素を含む合成ガスを製造する合成ガス製造工程と、
触媒の存在下に、合成ガスからメタノールおよび/またはジメチルエーテルを製造するメタノール/ジメチルエーテル製造工程と、
触媒の存在下に、該メタノール/ジメチルエーテル製造工程で製造されたメタノールおよび/またはジメチルエーテルから炭素数2、3および4のオレフィンを含む混合ガスである低級オレフィン含有ガスを製造する低級オレフィン製造工程と、
触媒の存在下に、該低級オレフィン含有ガスからプロパンを主成分とする液化石油ガスを製造する液化石油ガス製造工程と
を有することを特徴とする液化石油ガスの製造方法。 - 前記低級オレフィン製造工程の反応物から、プロピレンより沸点の低い成分を分離して、前記合成ガス製造工程に供給する請求項2記載の方法。
- 前記メタノール/ジメチルエーテル製造工程の反応物から水素を分離し、該水素を前記低級オレフィン製造工程に供給することなく、前記液化石油ガス製造工程に供給する請求項1〜3のいずれか一項記載の方法。
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