JP2007320865A - メタノール製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】天然ガスハイドレートの分解という現象の利用を図る。
【解決手段】天然ガスハイドレート３０１の分解によって生成される天然ガスを改質炉２１１に導き水蒸気と反応させて合成ガスを生成し、生成した合成ガスを冷却してから反応炉２２１に導きメタノール合成触媒上で反応させて液状の粗メタノールを生成し、生成した粗メタノールを精製塔２４１に導き蒸留して純度の高いメタノールを製造するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、天然ガスハイドレート（Natural Gas Hydrate）を利用するメタノール製造装置に関する。

近年、天然ガス等のような原料ガスと水とを接触させて生成したガスハイドレートの研究が進められている。ハイドレートは、水分子が構成するクラスター（かご構造）の中に原料ガスの分子（ゲスト）が取り込まれた包接水和物である。例えば、天然ガスハイドレートは、メタンとエタンとプロパンを主成分として構成された天然ガスをゲストとしてこれを水分子が構成するクラスターの中に取り込んだ構造物である。このようなガスハイドレートは、天然ガスハイドレートの他にも、原料ガスを代えることで種々のガスハイドレートとして構成することができる。例えば、原料ガスとして二酸化炭素を用いれば、二酸化炭素ハイドレートを生成することができる。

天然ガスハイドレートは、例えば特許文献１に記載されているように、そもそも貯蔵や輸送の便宜のために開発された技術である。例えば、天然ガスの場合、現在は液化天然ガス（ＬＮＧ）の形態で貯蔵及び輸送する方法が一般的である。ところが、液化天然ガスの主成分であるメタンは、液化させるのに−１６２℃といった極低温条件が必要であり、貯蔵及び輸送に際してはそのような極低温条件の維持が求められる。このため、液化天然ガスの製造及び維持管理には、多大なコストがかかってしまう。

これに対して、天然ガスハイドレートは、大気圧下−２０℃の環境で約１７０倍のガスを包蔵し、−２０℃程度の環境で大きな自己保存効果を発揮する。このため、貯蔵及び輸送等での取り扱いが比較的容易であるという利点を有している。

特開２００３−０７３６７９公報 特開２００１−０３９９１１公報

前述したように、天然ガスハイドレートは、そもそも貯蔵や輸送の便宜のために開発された技術である。このため、天然ガスハイドレートに対する本来的な期待は、大気圧下−２０℃程度の環境での自己保存効果にある。つまり、貯蔵や輸送のためには、分解しにくいという性能に価値が求められる。

その一方、天然ガスハイドレートは、常温環境下に置くと比較的早期に天然ガスと水とに分解する。このような現象は、天然ガスハイドレートに対する本来的な期待が貯蔵や輸送の便宜であるとするならば、極力避けたい現象であるといえる。これに対して、この出願の発明者等は、むしろ、そのような天然ガスハイドレートの分解という現象に着目し、その利用について鋭意研究を進めた。その結果、メタノール製造装置を発明するに至った。

メタノールの製造は、一般的に、合成ガス生成工程、合成工程及び蒸留工程を経て行なわれる（特許文献２の段落０００２〜０００４参照）。これらの各工程中、合成工程では合成ガス生成工程で生成した合成ガスに対して高い圧力を加える必要があるため、圧縮機等の相当規模設備が必要となる。本発明の発明者は、天然ガスハイドレートの分解という現象に着目した結果、圧縮機等の相当規模設備を必要とすることなしにメタノールを製造することができるメタノール製造装置の発明をなすに至った。

本発明のメタノール製造装置は、天然ガスハイドレートを収納可能な収納部を有し、当該収納部内で天然ガスハイドレートが分解されて生成される天然ガスを外部に排出する第１の排出部を有する分解装置と、前記第１の排出部に連通して当該第１の排出部を介して供給される天然ガスを水蒸気と反応させて合成ガスを生成し、生成した合成ガスを外部に排出する第２の排出部を有する改質装置と、前記第２の排出部に連通して当該第２の排出部を介して供給される合成ガスをメタノール合成触媒上で反応させて液状の粗メタノールを生成し、生成した粗メタノールを外部に排出する第３の排出部を有する反応装置と、前記改質装置と前記反応装置との間に介在して設けられ、前記改質装置から前記反応装置に供給される合成ガスを冷却する冷却装置と、を備える。

本発明によれば、圧縮機等の相当規模設備を必要とすることなしにメタノールを製造することができる。

本発明の実施の一形態を図面に基づいて説明する。

メタノール製造装置１０１は、分解装置２０１、改質装置としての改質炉２１１、反応装置としての反応炉２２１、冷却装置として合成ガスクーラ２３１及び精製装置としての精製塔２４１を備えている。このようなメタノール製造装置１０１は、分解装置２０１での天然ガスハイドレート３０１の天然ガスと水との分解という現象を利用してメタノールを製造する。

分解装置２０１について説明する。分解装置２０１は、天然ガスハイドレート３０１を収納可能な収納部２０２を有し、当該収納部２０２内で天然ガスハイドレート３０１が分解されて生成される水と天然ガスとをそれぞれ外部に排出する天然ガス用の第１の排出部２０３と水用の第４の排出部２０４とを有する。分解装置２０１の内部は、多孔質の保持台２０５によって上下に二分割されている。保持台２０５は、天然ガスハイドレート３０１を保持可能な構造となっている。したがって、保持台２０５よりも上方の空間は、天然ガスハイドレート３０１を収納可能な収納部２０２を構成し、保持台２０５よりも下方の空間は、天然ガスハイドレート３０１が分解して生成される水を貯留する貯水部２０６を構成する。第１の排出部２０３は第１の通路２０７を介して改質炉２１１に連通し、第４の排出部２０４は第４の通路２０８を介して合成ガスクーラ２３１と精製塔２４１とに連通している。図１中、合成ガスクーラ２３１に連通する第４の通路２０８は符号２０８ａで表わし、精製塔２４１に連通する第４の通路２０８は符号２０８ｂで表わす。第４の通路２０８ａと第４の通路２０８ｂとは、一部が共用されている。

天然ガスハイドレート３０１は、例えばＮＧＨタンク３０２に−２０℃で貯蔵され、このＮＧＨタンク３０２から必要に応じて分解装置２０１の収納部２０２に移される。

改質炉２１１は、第１の通路２０７を介して分解装置２０１から天然ガスの供給を受ける。分解装置２０１は、天然ガスハイドレート３０１の分解によって内部空間が高圧となっている。そこで、改質炉２１１への天然ガスの供給は、そのような高圧が利用され、特段の供給装置を設けずとも高い圧力を維持したまま行われる。改質炉２１１は、供給された天然ガスを水蒸気と反応させ、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を主成分とする合成ガスを発生させる。このような反応を生じさせるために、改質炉２１１は、ニッケル系触媒（図示せず）を備えている。改質炉２１１では、天然ガスと水蒸気とをニッケル系触媒の下、一例として８００〜１０００℃の温度で反応させる。これによって、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を主成分とする合成ガスが生成されることになる。なお、合成ガスを生成するに際しての温度条件範囲は、上記範囲に限定されない。

改質炉２１１は、生成した合成ガスを外部に排出する第２の排出部２１２を有している。の第２の排出部２１２は、第２の通路２１３を介して反応炉２２１に連通している。

反応炉２２１は、第２の通路２１３を介して改質炉２１１から合成ガスの供給を受ける。この際、反応炉２２１の内部でも天然ガスに由来する合成ガスは高圧状態となっていることから、反応炉２２１に対する合成ガスの供給も、そのような高圧が利用され、特段の供給装置を設けずとも高い圧力を維持したまま行われる。反応炉２２１は、供給された合成ガスをメタノール反応させ、液状の粗メタノールを生成する。このような反応を生じさせるために、反応炉２２１は、銅系触媒であるメタノール合成触媒（図示せず）を備えている。メタノール合成触媒としては、他に、亜鉛系触媒やクロム系触媒などを用いてもよい。反応炉２２１では、合成ガスをメタノール合成触媒の下、一例として圧力５０〜２００ｋｇ／ｃｍ２Ｇ、温度２００〜３００℃の条件下で反応させる。これによって、水や有機不純物を含む液状の粗メタノールが生成される。なお、液状の粗メタノールを生成するに際しての圧力及び温度の条件範囲は、上記範囲に限定されない。もっとも、液状の粗メタノールを生成するに際しての圧力は、前述したように、分解装置２０１で分解した天然ガスハイドレート３０１に由来の圧力が利用される。このため、反応炉２２１で高圧状態を生成するに際して、圧縮機等のような特段の相当規模設備が要求されることがない。

反応炉２２１は、生成した液状の粗メタノールを外部に排出するための第３の排出部２２２を有している。第３の排出部２２２は、第３の通路２２３を介して精製塔２４１に連通している。

合成ガスクーラ２３１は、改質炉２１１と反応炉２２１とを連通させている第２の通路２１３に介在して配置されている。合成ガスクーラ２３１は、二つの役割を果たしている。一つは、第４の排出部２０４から排出された水を合成ガスの通路である第２の通路２１３に接触させて当該第２の通路２１３を流通する合成ガスを冷却する役割である。もう一つは、合成ガスの冷却に伴い水蒸気を発生させ、発生させた水蒸気を改質炉２１１に供給して天然ガスと反応させる水蒸気として利用させる役割である。これらの二つの役割を果たし得るようにするために、合成ガスクーラ２３１は、合成ガスの通路である第２の通路２１３を密閉的に覆う空間部（図示せず）を備え、この空間部に第４の通路２０８ａを連通させ、当該空間部と改質炉２１１とを水蒸気通路２３２を介して連通させるような構造を有している。一例として、第２の通路２１３を流通する合成ガスの温度は、合成ガスクーラ２３１を通過することによって２００〜３００℃まで冷却される。

精製塔２４１は、第３の通路２２３を介して供給された液状の粗メタノールをこの粗メタノールに含まれている各成分の沸点の差を利用して蒸留し、純度の高いメタノールとして排出する。一例として、精製塔２４１は、初留塔（図示せず）と精留塔（図示せず）とを備え、先ずは初留塔において、粗メタノールから溶解ガス、低沸点成分及び該低沸点成分に同伴するメタノールを含む混合ガスを分離し、この混合ガスを初留塔の塔頂部より排出する。そして、残余成分を精留塔に導入し、この精留塔において、残余成分を精製メタノールと高沸点成分及び水とに分離する。

前述したように、分解装置２０１の第４の排出部２０４から排出される水を案内する一方の第４の通路２０８ｂは、精製塔２４１に連通している。第４の通路２０８ｂを介して精製塔２４１に供給される水は冷水であり、精製塔２４１において蒸留時に気体となったメタノールを冷却することに役立つ。精製塔２４１は、供給されて冷却に用いた水を、水通路２４２を介して合成ガスクーラ２３１が有している空間部に還流させる。合成ガスクーラ２３１では、精製塔２４１から供給された水が水蒸気となり、水蒸気通路２３２を介して改質炉２１１に供給される。こうして供給された水蒸気は、改質炉２１１にて天然ガスと反応させる水蒸気として利用される。

このような構成において、分解装置２０１では、収納部２０２に収納された天然ガスハイドレート３０１が温度上昇に伴い天然ガスと水とに分解する。この際、分解装置２０１の収納部２０２は高圧となるため、分解によって生成された天然ガスと水とを外部に排出する。その結果、天然ガスは、第１の排出部２０３から第１の通路２０７を介して改質炉２１１に供給される。水は、第４の排出部２０４から第４の通路２０８ａを介して合成ガスクーラ２３１に供給され、第４の通路２０８ｂを介して精製塔２４１に供給される。

改質炉２１１に供給された天然ガスは、高圧状態が維持されているために、第２の通路２１３を介して合成ガスとして反応炉２２１に供給され、反応炉２２１から第３の通路２２３を介して粗メタノールとして精製塔２４１に供給される。このため、第２の通路２１３を流通する天然ガスハイドレート３０１に由来する合成ガスは高温となっている。そこで、第２の通路２１３に介在配置されている合成ガスクーラ２３１に対して、第４の通路２０８ａを介して供給されている天然ガスハイドレート３０１に由来する水、及び、第４の通路２０８ｂを介して精製塔２４１に供給されて冷却水として利用された後に水通路２４２を介して供給されている天然ガスハイドレート３０１に由来する水は、第２の通路２１３に接触することによって水蒸気となる。こうして生成された水蒸気は、水蒸気通路２３２を介して改質炉２１１に供給され、第１の通路２０７を介して供給された天然ガスと反応させる水蒸気として利用される。これにより、改質炉２１１では、天然ガスと水蒸気とがニッケル系触媒の下、例えば８００〜１０００℃の温度で反応し、合成ガスが生成される。

改質炉２１１で生成された天然ガスは、第２の通路２１３を介して反応炉２２１に供給される。反応炉２２１では、供給された合成ガスがメタノール合成触媒でメタノール反応し、液状の粗メタノールが生成される。この際、反応炉２２１では、粗メタノールを生成するために高い圧力に維持されていなければならない。メタノール製造装置１０１は、粗メタノールを生成するために要求される圧力として、分解装置２０１で分解した天然ガスハイドレート３０１に由来の圧力を利用する。このため、メタノール製造装置１０１によれば、反応炉２２１で高圧状態を生成するに際して、圧縮機等のような特段の相当規模設備に頼る必要がない。

反応炉２２１で生成された粗メタノールは、精製塔２４１で蒸留される。これにより、純度の高いメタノールを得ることができる。

本発明の実施の一形態を示すメタノール製造装置の模式図である。

符号の説明

２０１ 分解装置
２０２ 収納部
２０３ 第１の排出部
２０４ 第４の排出部
２１１ 改質炉（改質装置）
２１２ 第２の排出部
２１３ 第２の通路（合成ガスの通路）
２２１ 反応炉（反応装置）
２２２ 第３の排出部
２３１ 合成ガスクーラ（冷却装置）
２４１ 精製塔（精製装置）
３０１ 天然ガスハイドレート

Claims (5)

1. 天然ガスハイドレートを収納可能な収納部を有し、当該収納部内で天然ガスハイドレートが分解されて生成される天然ガスを外部に排出する第１の排出部を有する分解装置と、
   前記第１の排出部に連通して当該第１の排出部を介して供給される天然ガスを水蒸気と反応させて合成ガスを生成し、生成した合成ガスを外部に排出する第２の排出部を有する改質装置と、
   前記第２の排出部に連通して当該第２の排出部を介して供給される合成ガスをメタノール合成触媒上で反応させて液状の粗メタノールを生成し、生成した粗メタノールを外部に排出する第３の排出部を有する反応装置と、
   前記改質装置と前記反応装置との間に介在して設けられ、前記改質装置から前記反応装置に供給される合成ガスを冷却する冷却装置と、
   を備えるメタノール製造装置。
2. 前記第３の排出部に連通して当該第３の排出部を介して供給される粗メタノールを蒸留する精製装置を備える、請求項１記載のメタノール製造装置。
3. 前記分解装置は、前記収納部内で天然ガスハイドレートが分解されて生成される水を外部に排出する第４の排出部を備え、
   前記冷却装置は、前記第４の排出部から排出された水を合成ガスの通路に接触させて当該合成ガスを冷却すると共に水蒸気を発生させ、発生させた水蒸気を前記改質装置に供給して天然ガスと反応させる水蒸気として利用させる、
   請求項１又は２記載のメタノール製造装置。
4. 前記分解装置は、前記収納部内で天然ガスハイドレートが分解されて生成される水を外部に排出する第４の排出部を備え、
   前記精製装置は、前記第４の排出部から排出された水を冷却水として用いる、
   請求項２記載のメタノール製造装置。
5. 前記分解装置は、前記収納部内で天然ガスハイドレートが分解されて生成される水を外部に排出する第４の排出部を備え、
   前記冷却装置は、前記第４の排出部から排出された水を合成ガスの通路に接触させて当該合成ガスを冷却すると共に水蒸気を発生させ、発生させた水蒸気を前記改質装置に供給して天然ガスと反応させる水蒸気として利用させ、
   前記精製装置は、前記第４の排出部から排出された水を冷却水として用い、冷却水として用いた後の水を前記冷却装置に供給して合成ガスの通路に接触させる水として利用させる、
   請求項２記載のメタノール製造装置。
   

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