JP2008037843A - Method for synthesizing methanol - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for synthesizing methanol, with no need of preparing and replenishing any active solvent necessary for the reaction, conducting the reaction at relatively low temperatures and low pressure, needing no recirculation of high-pressure gas, affording high yield in an one-pass step, with a miniaturized reaction vessel. <P>SOLUTION: The method for synthesizing methanol comprises a first synthesis step of bringing a synthesis gas 1 comprising hydrogen and carbon monoxide into contact with a Cu/Zn catalyst in a vapor phase at a temperature and pressure suitable for vapor-phase synthesis process to synthesize a methanol-containing first reaction gas 2, a second synthesis step of bringing the methanol synthesized in the first step into contact with the Cu/Zn catalyst to synthesize a second reaction gas newly containing methanol, and a step of cooling the resultant second reaction gas to isolate the methanol. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素及び一酸化炭素を含む合成ガスからメタノールを合成する方法に関する。   The present invention relates to a method for synthesizing methanol from a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide.

代表的なメタノール合成プロセスは、気相合成法であり、例えばICI,日本−Topsoe,Vulcan、等の研究開発機関によるプロセスが既に実用化されている(非特許文献1)。   A typical methanol synthesis process is a gas phase synthesis method. For example, a process by a research and development organization such as ICI, Japan-Topoe, Vulcan, etc. has already been put into practical use (Non-patent Document 1).

気相合成法によるメタノール合成の反応式は、下記の式(1)(2)で示される。
CO+2H→CHOH+21.6kcal(発熱反応)…(1)
CO+3H→CHOH+HO+11.8kcal(発熱反応)…(2)
The reaction formula of methanol synthesis by the gas phase synthesis method is represented by the following formulas (1) and (2).
CO + 2H 2 → CH 3 OH + 21.6 kcal (exothermic reaction) (1)
CO 2 + 3H 2 → CH 3 OH + H 2 O + 11.8 kcal (exothermic reaction) (2)

図5(A)はメタノール合成率に対する圧力と温度の影響を示す理論計算値であり、図5(B)は実触媒のデータである。
反応式(1)(2)を右側に進めるには加圧が必要であり、反応到達度を高くするには温度を低く、圧力を高くする必要がある。ただし、反応速度は温度が高いほうが速い。
FIG. 5 (A) shows theoretical calculation values showing the influence of pressure and temperature on the methanol synthesis rate, and FIG. 5 (B) shows data for actual catalysts.
In order to advance the reaction formulas (1) and (2) to the right side, pressurization is required, and in order to increase the degree of reaction, the temperature must be low and the pressure must be high. However, the reaction rate is faster at higher temperatures.

図6は気相合成法によるメタノール合成装置の構成図である。反応塔において触媒を通過し、その一部がメタノールに変化した状態で反応ガスを冷却してメタノールを分離し、未反応ガスは高圧のまま原料ガスに混合循環される。   FIG. 6 is a configuration diagram of a methanol synthesis apparatus by a gas phase synthesis method. The reaction gas passes through the catalyst in the reaction tower, and a part of the reaction gas is converted to methanol, whereby the reaction gas is cooled to separate methanol, and the unreacted gas is mixed and circulated to the raw material gas while maintaining a high pressure.

気相合成法における実用的なメタノール合成触媒は銅と亜鉛で、これに添加物を加えて活性を強化している。酸化亜鉛系の触媒の活性温度は約400℃で、この温度では平衡変化率が低いので、非常に高い圧力(数10MPa)下で使用される。また銅系触媒は活性が高く、250〜300℃、5〜15MPaで使用される。   The practical methanol synthesis catalyst in the gas phase synthesis method is copper and zinc, and additives are added to enhance the activity. The activation temperature of the zinc oxide-based catalyst is about 400 ° C., and since the rate of change in equilibrium is low at this temperature, it is used under a very high pressure (several tens of MPa). Copper-based catalysts have high activity and are used at 250 to 300 ° C. and 5 to 15 MPa.

一方、気相合成法に代わるメタノール合成法として、種々の液相合成法が提案されている(例えば、特許文献1,2及び非特許文献2,3)。   On the other hand, various liquid phase synthesis methods have been proposed as methanol synthesis methods instead of gas phase synthesis methods (for example, Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 2 and 3).

特許文献1の「メタノールの製造方法」は、水素と酸化炭素(CO、CO)からなる原料ガスを触媒の存在下及び水不溶性ないし水難溶性反応溶媒の存在下で反応させてメタノールを製造する方法であり、反応器内におけるメタノール及び水の少なくとも一部が液体として存在するのに必要な十分高い反応圧力下で反応を行ない、該反応で生成したメタノール及び水をメタノール水溶液として反応器から未反応原料ガスとは独立して排出させるものである。 Patent Document 1 discloses a process for producing methanol in which methanol is produced by reacting a raw material gas composed of hydrogen and carbon oxide (CO, CO 2 ) in the presence of a catalyst and in the presence of a water-insoluble or hardly water-soluble reaction solvent. The reaction is carried out under a sufficiently high reaction pressure necessary for at least a part of methanol and water in the reactor to exist as a liquid, and the methanol and water produced in the reaction are not converted into an aqueous methanol solution from the reactor. The reaction source gas is discharged independently.

特許文献2の「メタノール合成用触媒及び該触媒を用いるメタノールの合成方法」は、オーリカルサイト型の銅及び亜鉛から成る複合塩基性炭酸塩の非焼成物又は焼成物を水素含有ガスで還元して得られるメタノール合成用触媒、及び該触媒を用いるものである。   Patent Document 2 “Methanol Synthesis Catalyst and Methanol Synthesis Method Using the Catalyst” refers to reducing a non-calcined or calcined product of a basic carbonate composed of auricalcite-type copper and zinc with a hydrogen-containing gas. And a catalyst for methanol synthesis obtained by using the catalyst.

非特許文献2,3は、本発明の発明者らによる研究結果であり、低温(例えば170℃)では溶媒が存在しないと、液相合成がほとんどできないが、メタノール、エタノール、1−ブタノール、等の活性溶媒が存在すると、低温でも液相合成が高い転化率で可能であることを開示している。   Non-Patent Documents 2 and 3 are the results of research by the inventors of the present invention, and in the absence of a solvent at low temperatures (for example, 170 ° C.), liquid phase synthesis is almost impossible, but methanol, ethanol, 1-butanol, etc. In the presence of the active solvent, it is disclosed that liquid phase synthesis is possible at a high conversion rate even at a low temperature.

「バイオマス資源を原料とするエネルギー変換技術に関する調査(III)」、新エネルギー・産業技術総合開発機構、平成12年度調査報告書、NEDO−GET−0004、平成13年3月“Survey on Energy Conversion Technology Using Biomass Resources (III)”, New Energy and Industrial Technology Development Organization, 2000 Survey Report, NEDO-GET-0004, March 2001 P.Reubroycharoen,et al.,“Continuous Low−Temperature Methanol Synthesis from Syngas Using Alcohol Promoters”,Energy & Fuels 2003,17,817−821P. Reubroycharoen, et al. , “Continuous Low-Temperature Measurement Synthesis from Synergy Using Alcohol Promoters”, Energy & Fuels 2003, 17, 817-821. J.−Q.Zeng,et al.,“The promoting effect of alcohols in a new process of low−temperature Synthesis of methanol from CO/CO2/H2”,Fuel 81 (2002),125−127J. et al. -Q. Zeng, et al. , “The promoting effect of alcohol in a new process of low-temperature synthesis of methanol from CO / CO2 / H2”, Fuel 81 (2002), 125-127.

特開平6−263666号公報、「メタノールの製造方法」JP-A-6-263666, “Method for Producing Methanol” 特開平9−187654号公報、「メタノール合成用触媒及び該触媒を用いるメタノールの合成方法」JP-A-9-187654, “Methanol Synthesis Catalyst and Methanol Synthesis Method Using the Catalyst”

図4は、メタノール合成反応における温度及び圧力(水素分圧)と平衡転化率の関係図である。この図からわかるように、メタノール合成における平衡転化率は、高温、低圧になるほど低下する。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between the temperature and pressure (hydrogen partial pressure) and the equilibrium conversion rate in the methanol synthesis reaction. As can be seen from this figure, the equilibrium conversion rate in methanol synthesis decreases as the temperature increases and the pressure decreases.

ただし、上述したように気相合成法によるメタノール合成は、反応速度を高めるため、あえて高温(例えば250〜300℃)で実施され、さらに反応到達度(平衡転化率)を高くするため高圧(例えば5〜15MPa)が用いられる。
しかし、それにもかかわらず、気相合成法では、高温のため平衡転化率の制限を受け、1パスでの転化率が10%前後と低い問題点があった。
そのため、気相合成法では、高圧ガスを再循環して転化率を実用レベルまで高める必要があり、高圧循環ポンプが不可欠であり、かつ増圧設備、分離設備を含む反応槽が大型となる問題点があった。
However, as described above, methanol synthesis by the gas phase synthesis method is carried out at a high temperature (for example, 250 to 300 ° C.) in order to increase the reaction rate, and a high pressure (for example, to increase the reaction degree (equilibrium conversion)). 5-15 MPa) is used.
Nevertheless, the vapor phase synthesis method has a problem that the conversion rate in one pass is as low as about 10% due to the limitation of the equilibrium conversion rate due to the high temperature.
Therefore, in the gas phase synthesis method, it is necessary to recirculate the high pressure gas to increase the conversion rate to a practical level, the high pressure circulation pump is indispensable, and the reaction tank including the pressure intensifying equipment and the separation equipment becomes large. There was a point.

また、メタノール合成反応は発熱反応のため気相合成法の場合、高温ガスからの熱の除去が困難であり、転化率に悪影響を及ぼす問題点があった。   In addition, since the methanol synthesis reaction is an exothermic reaction, in the case of the gas phase synthesis method, it is difficult to remove heat from the high-temperature gas, which has a problem of adversely affecting the conversion rate.

一方、液相合成法である特許文献1の製造方法の場合、実施例における1パスのメタノール収率は94〜97%であり、メタノール生産量は、触媒重量当り19〜152g/kg.h(0.59〜4.75mol/kg.h)であるが、反応温度は200〜250℃、反応圧力は9〜15MPaであり、依然として高温、高圧であった。   On the other hand, in the production method of Patent Document 1 which is a liquid phase synthesis method, the methanol yield of one pass in the examples is 94 to 97%, and the methanol production amount is 19 to 152 g / kg. h (0.59 to 4.75 mol / kg.h), the reaction temperature was 200 to 250 ° C., the reaction pressure was 9 to 15 MPa, and the temperature was still high and high.

また、液相合成法である特許文献2の製造方法の場合、実施例における1パスのメタノール収率は97〜98.5%であり、メタノール生産量は、触媒重量当り約1.58mol/kg.hであるが、反応温度は225〜230℃、反応圧力は6MPaであり、同様に依然として高温、高圧であった。   In addition, in the case of the production method of Patent Document 2 which is a liquid phase synthesis method, the methanol yield in one pass in Examples is 97 to 98.5%, and the methanol production amount is about 1.58 mol / kg per catalyst weight. . h, the reaction temperature was 225 to 230 ° C., the reaction pressure was 6 MPa, and the temperature was still high and high.

また、本発明の発明者らによる非特許文献2、3の方法では、相対的に低温低圧(例えば170℃、3MPa)において1パスで高い転化率が得られるが、メタノール、エタノール、1−ブタノール、等の活性溶媒の準備及び補給が不可欠である問題点があった。   Further, in the methods of Non-Patent Documents 2 and 3 by the inventors of the present invention, a high conversion can be obtained in one pass at a relatively low temperature and low pressure (for example, 170 ° C., 3 MPa), but methanol, ethanol, 1-butanol. There was a problem that preparation and replenishment of active solvents such as.

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、反応に必要な活性溶媒の準備及び補給が不要であり、相対的に低温かつ低圧で反応でき、高圧ガスの再循環が不要であり1パスで高い収率が得られ、反応槽を小型化できるメタノール合成方法を提供することにある。   The present invention has been developed to solve the above-described problems. That is, the object of the present invention is that preparation and replenishment of the active solvent necessary for the reaction are not required, the reaction can be performed at a relatively low temperature and low pressure, no high-pressure gas recirculation is required, and a high yield can be obtained in one pass. An object of the present invention is to provide a methanol synthesis method capable of miniaturizing a reaction vessel.

本発明によれば、気相合成法に適した温度及び圧力において、水素及び一酸化炭素を含む合成ガスをCu/Zn触媒と気相中で接触させてメタノールを含む第1反応ガスを合成する第1合成ステップと、
前記第1反応ガスを、Cu/Zn触媒及び前記第1合成ステップにより合成されたメタノールと接触させて新たにメタノールを含む第2反応ガスを合成する第2合成ステップと、
前記接触後の第2反応ガスを冷却してメタノールを分離する分離ステップとを有する、ことを特徴とするメタノール合成方法が提供される。
According to the present invention, a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide is brought into contact with a Cu / Zn catalyst in a gas phase at a temperature and pressure suitable for a gas phase synthesis method to synthesize a first reaction gas containing methanol. A first synthesis step;
A second synthesis step of bringing the first reaction gas into contact with a Cu / Zn catalyst and methanol synthesized in the first synthesis step to synthesize a second reaction gas newly containing methanol;
And a separation step of separating the methanol by cooling the second reaction gas after the contact is provided.

前記第2合成ステップに適した温度は、前記第1合成ステップに適した温度より低温である、ことが好ましい。
本発明の好ましい実施形態によれば、前記第1合成ステップに適した温度及び圧力は、250〜300℃、5〜15MPaであり、前記第2合成ステップに適した温度及び圧力は、100〜190℃、3〜10MPaである。
The temperature suitable for the second synthesis step is preferably lower than the temperature suitable for the first synthesis step.
According to a preferred embodiment of the present invention, the temperature and pressure suitable for the first synthesis step are 250 to 300 ° C. and 5 to 15 MPa, and the temperature and pressure suitable for the second synthesis step are 100 to 190. The temperature is 3 to 10 MPa.

前記第1合成ステップ後の第1反応ガスを第2合成ステップに適した温度まで冷却する冷却ステップを有する、ことが好ましい。   It is preferable to have a cooling step for cooling the first reaction gas after the first synthesis step to a temperature suitable for the second synthesis step.

上記本発明の方法によれば、第1合成ステップにおいてメタノールを含有する第1反応ガスを合成するので、第2合成ステップで反応に必要な触媒活性物質(メタノール)を常時供給でき、触媒活性物質の準備及び補給が不要となる。   According to the method of the present invention, since the first reaction gas containing methanol is synthesized in the first synthesis step, the catalytically active substance (methanol) necessary for the reaction can be constantly supplied in the second synthesis step, and the catalyst active substance Preparation and replenishment are not required.

また、Cu/Zn触媒と第1合成ステップで合成した触媒活性物質(メタノール)と接触されることで第1反応ガス中の残りの合成ガスをさらにメタノール変換するので(第2合成ステップ)、1パスでの転化率を上げることができる。さらに、第2合成ステップが液相合成法であるため、気相合成法に比べて反応熱の除去に有利である。   Further, since the remaining synthesis gas in the first reaction gas is further converted into methanol by contacting the Cu / Zn catalyst with the catalytically active material (methanol) synthesized in the first synthesis step (second synthesis step), 1 The conversion rate in the pass can be increased. Furthermore, since the second synthesis step is a liquid phase synthesis method, it is advantageous for removing reaction heat compared to the gas phase synthesis method.

また、本発明の第1合成ステップと第2合成ステップの組合せにより、全体として1パスで高い収率が得られるので、高圧ガスの再循環が不要であり反応槽を小型化できる。   In addition, the combination of the first synthesis step and the second synthesis step according to the present invention can provide a high yield in one pass as a whole, so that high-pressure gas recirculation is unnecessary and the reaction vessel can be miniaturized.

従って、本発明の方法によれば、反応に必要な活性溶媒の準備及び補給が不要であり、相対的に低温かつ低圧で反応でき、高圧ガスの再循環が不要であり1パスで高い収率が得られ、反応槽を小型化できることが、後述する実施例により確認された。   Therefore, according to the method of the present invention, the preparation and replenishment of the active solvent necessary for the reaction are unnecessary, the reaction can be performed at a relatively low temperature and low pressure, the high-pressure gas is not recirculated, and the yield is high in one pass. It was confirmed by the Example mentioned later that reaction tank can be reduced in size.

以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

本発明によるメタノール合成方法は、気相合成である第1合成ステップ、液相合成である第2合成ステップ、及び分離の各ステップからなる。
気相合成ステップでは、気相合成法に適した温度及び圧力において、水素及び一酸化炭素を含む合成ガスをCu/Zn触媒と気相で接触させてメタノールを含有する第1反応ガスを合成する。
液相合成ステップでは、液相合成法に適した温度及び圧力において、前記第1反応ガスをCu/Zn触媒及びメタノール液に接触させて、第1反応ガス中の未反応の合成ガスから触媒作用によって合成したメタノールを含有する第2反応ガスを合成する。
液相合成ステップでは、Cu/Znとメタノールはともに触媒である。この第2反応ガスの合成式は、下記の式(3)〜(5)で示される。
CO+HO→CO+H…(3)
CHOH+CO+H→HCOOCH+HO…(4)
HCOOCH+2H→CHOH+CHOH…(5)
式(4)(5)において、1つのCHOHのみは触媒として循環している。
式(3)〜(5)の全体として式(6)となる。
CO+2H→CHOH…(6)
分離ステップでは、接触後の第2反応ガスを冷却してメタノールを分離する。
The methanol synthesis method according to the present invention includes a first synthesis step that is gas phase synthesis, a second synthesis step that is liquid phase synthesis, and a separation step.
In the gas phase synthesis step, a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide is brought into contact with a Cu / Zn catalyst in a gas phase at a temperature and pressure suitable for the gas phase synthesis method to synthesize a first reaction gas containing methanol. .
In the liquid phase synthesis step, the first reaction gas is brought into contact with the Cu / Zn catalyst and methanol liquid at a temperature and pressure suitable for the liquid phase synthesis method, and catalysis is effected from the unreacted synthesis gas in the first reaction gas. A second reaction gas containing methanol synthesized by the above is synthesized.
In the liquid phase synthesis step, both Cu / Zn and methanol are catalysts. The synthesis formula of this second reaction gas is represented by the following formulas (3) to (5).
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (3)
CH 3 OH + CO 2 + H 2 → HCOOCH 3 + H 2 O (4)
HCOOCH 3 + 2H 2 → CH 3 OH + CH 3 OH (5)
In the formulas (4) and (5), only one CH 3 OH is circulated as a catalyst.
Expression (6) is obtained as a whole of Expressions (3) to (5).
CO + 2H 2 → CH 3 OH (6)
In the separation step, the second reaction gas after contact is cooled to separate methanol.

気相合成法に適した温度及び圧力は、250〜300℃、5〜15MPaである。
また、液相合成法に適した温度及び圧力は、100〜190℃、3〜10MPaである。
The temperature and pressure suitable for the gas phase synthesis method are 250 to 300 ° C. and 5 to 15 MPa.
The temperature and pressure suitable for the liquid phase synthesis method are 100 to 190 ° C. and 3 to 10 MPa.

本発明におけるCu/Zn触媒は、気相合成法用として市販されているICI触媒(以下、ICIと略す)を用いるのが好ましいが、それ以外の周知のCu/Zn触媒であってもよい。
触媒の形状は特に制限はなく、球状品、破砕品、円柱状成形品等の各種形状品の中から使用するプロセスに適合した形状を選択することができる。また触媒の平均粒子径についても制限はないが、通常10μm〜10mm、好ましくは20μm〜5mmのものを、プロセスに応じ適宜選択して使用する。
また使用する触媒の比表面積についても特に制限はないが、通常40〜400m/g、好ましくは200〜300m/gのものを用いる。
The Cu / Zn catalyst in the present invention is preferably an ICI catalyst (hereinafter abbreviated as ICI) that is commercially available for use in a gas phase synthesis method, but may be any other known Cu / Zn catalyst.
There is no restriction | limiting in particular in the shape of a catalyst, The shape suitable for the process to be used can be selected from various shape products, such as a spherical product, a crushing product, and a cylindrical molded product. Further, the average particle diameter of the catalyst is not limited, but those having a particle size of usually 10 μm to 10 mm, preferably 20 μm to 5 mm are appropriately selected and used depending on the process.
The specific surface area of the catalyst to be used is not particularly limited, but is usually 40 to 400 m 2 / g, preferably 200 to 300 m 2 / g.

また本発明において触媒をメタノールの合成反応に供するに際しては、予め水素等で還元処理を行わせることが好ましい。   In the present invention, when the catalyst is subjected to a methanol synthesis reaction, it is preferable to perform a reduction treatment with hydrogen or the like in advance.

本発明の合成方法を実施する際の原料としては、水素と一酸化炭素を主成分とする合成ガスであれば特に制限はないが、通常、水素/一酸化炭素のモル比が1.0〜3.0、好ましくは1.8〜2.2の範囲であることが望ましい。なお、一酸化炭素の1/30〜1/2をCO(二酸化炭素)に置き換えることは可能である。
本発明の合成方法の反応プロセスとして従来から知られているプロセス、即ち固定床、超臨界固定床、スラリー床、流動床等のいずれにも適用でき、特に制限はないが、好ましいプロセスとして固定床、超臨界固定床、スラリー床を挙げることができ、特に好ましいプロセスとしてはスラリー床と超臨界固定床を、最も好ましいプロセスとしてはスラリー床を挙げることができる。
スラリー床を用いる際の反応条件には特に制限はなく、公知の条件にて行うことができる。通常、ガス空間速度としては1000〜10000h−1の範囲で反応を行うことができる。
The raw material for carrying out the synthesis method of the present invention is not particularly limited as long as it is a synthesis gas mainly composed of hydrogen and carbon monoxide, but the molar ratio of hydrogen / carbon monoxide is usually 1.0 to It is desirable to be in the range of 3.0, preferably 1.8 to 2.2. In addition, it is possible to replace 1/30 to 1/2 of carbon monoxide with CO 2 (carbon dioxide).
The reaction method of the synthesis method of the present invention can be applied to any process conventionally known as a fixed bed, a supercritical fixed bed, a slurry bed, a fluidized bed and the like, and is not particularly limited. A supercritical fixed bed and a slurry bed can be mentioned, and a slurry bed and a supercritical fixed bed are particularly preferable processes, and a slurry bed is most preferable process.
There is no restriction | limiting in particular in the reaction conditions at the time of using a slurry bed, It can carry out on well-known conditions. Usually, the reaction can be carried out in the range of 1000 to 10,000 h −1 as the gas space velocity.

以下、本発明の実施例を説明する。   Examples of the present invention will be described below.

図1に使用した試験装置の構成図を示す。この図において、1は合成ガス、2は第1反応ガス、3は第2反応ガス、4は凝縮後の反応ガスである。
また、10は合成ガスボンベ、11はマスフローコントローラ、12は上段リアクター、13は圧力計、14は下段リアクター、16は冷却器、17は冷却トラップ、18は流量計である。
The block diagram of the test apparatus used for FIG. 1 is shown. In this figure, 1 is a synthesis gas, 2 is a first reaction gas, 3 is a second reaction gas, and 4 is a reaction gas after condensation.
Further, 10 is a synthesis gas cylinder, 11 is a mass flow controller, 12 is an upper reactor, 13 is a pressure gauge, 14 is a lower reactor, 16 is a cooler, 17 is a cooling trap, and 18 is a flow meter.

表1は試験条件である。   Table 1 shows the test conditions.

Figure 2008037843
Figure 2008037843

上段リアクター12では、気相合成法に適した温度及び圧力(230℃、5.0MPa)において、水素及び一酸化炭素を含む合成ガス1をCu/Zn触媒と気相中で接触させてメタノールを含む第1反応ガス2を合成した。
また、本発明の方法では、下段リアクター14では、液相合成法に適した温度及び圧力(170℃、5.0MPa)において、第1反応ガス2中の未反応の合成ガスをCu/Zn触媒及びメタノールと接触させてさらにメタノールへ転換する(試験No.1)。ただし、この場合、下段リアクター14の条件によっては第1合成ステップで合成されたメタノールは液相ではなく気相である場合もあるが、その場合でも気相のメタノールとCu/Zn触媒が共存していればメタノールも助触媒としての作用をし、新たなメタノールを含む第2反応ガスを合成される。
In the upper reactor 12, the synthesis gas 1 containing hydrogen and carbon monoxide is brought into contact with the Cu / Zn catalyst in the gas phase at a temperature and pressure (230 ° C., 5.0 MPa) suitable for the gas phase synthesis method. A first reaction gas 2 containing was synthesized.
In the method of the present invention, the lower reactor 14 converts the unreacted synthesis gas in the first reaction gas 2 into a Cu / Zn catalyst at a temperature and pressure (170 ° C., 5.0 MPa) suitable for the liquid phase synthesis method. Then, it is contacted with methanol and further converted into methanol (Test No. 1). However, in this case, depending on the conditions of the lower reactor 14, the methanol synthesized in the first synthesis step may be in the gas phase instead of the liquid phase, but even in this case, the gas phase methanol and the Cu / Zn catalyst coexist. If so, methanol also acts as a co-catalyst, and a second reaction gas containing new methanol is synthesized.

本発明の他の実施例として、下段リアクター14では、上段リアクター12よりも低い温度(170℃)において、第1反応ガス2中の合成ガスをCu/Zn触媒及び第1反応ガスから合成した気相メタノールと接触させてメタノールが増えた第2反応ガス3を合成した(試験No.2)。   As another embodiment of the present invention, in the lower reactor 14, the synthesis gas in the first reaction gas 2 is synthesized from the Cu / Zn catalyst and the first reaction gas at a lower temperature (170 ° C.) than the upper reactor 12. The second reaction gas 3 with increased methanol in contact with phase methanol was synthesized (Test No. 2).

冷却器16は、本発明の方法では、上段リアクター12での気相合成法に適した温度を、下段リアクター14での液相合成法に適した温度まで冷却するために使用する。しかし、冷却器16は反応条件の設定によっては不可欠でなく、この実施例では、これを省略した。   In the method of the present invention, the cooler 16 is used to cool a temperature suitable for the gas phase synthesis method in the upper reactor 12 to a temperature suitable for the liquid phase synthesis method in the lower reactor 14. However, the cooler 16 is not indispensable depending on the setting of reaction conditions, and is omitted in this embodiment.

下段リアクター14では上段リアクター12で生成したメタノールを触媒として利用し、Cu/Zn触媒及び液相または気相のメタノールと接触させて、第1反応ガス中の残りの合成ガスを用いて低温低圧でメタノール合成を行う。
この試験では、上段リアクター12には試験No.1、2共、市販のICI触媒を使用し、下段リアクター14には、試験No.1ではCu/ZnO=1/1の触媒を使用し、試験No.2ではICI触媒を使用した。
In the lower reactor 14, methanol generated in the upper reactor 12 is used as a catalyst, brought into contact with a Cu / Zn catalyst and liquid phase or gaseous phase methanol, and the remaining synthesis gas in the first reaction gas is used at low temperature and low pressure. Perform methanol synthesis.
In this test, the upper reactor 12 has a test no. 1 and 2 both use a commercially available ICI catalyst. 1 uses a catalyst of Cu / ZnO = 1/1. In 2, ICI catalyst was used.

(試験方法)
上段リアクター12と下段リアクター14にCu/Zn触媒をセットし、装置内を1.0MPaの合成ガス1で3回置換した後、背圧弁を用いて反応圧力である5.0MPaにした。
上段リアクター12と下段リアクター14を外部ヒータにより加熱し、反応温度である230℃と170℃に達した時を反応時間の開始とし20時間反応させた。下段リアクター14から出た第2反応ガス3は、2−ブタノール10mlを入れ氷冷した冷却トラップ17によって冷却した。
反応中の気体成分は、反応開始時と反応終了時に1時間毎にサンプリングし、カラムに活性炭を充填したGL Science GC320(TCD)を用いて分析した。
反応後の液体成分は、内標として1−プロパノールを加え、カラムにガスクロパック54及びボラパックNを充填したメタネーター付き島津GC−8A(FID)で分析した。
(Test method)
A Cu / Zn catalyst was set in the upper reactor 12 and the lower reactor 14, the inside of the apparatus was replaced with 1.0 MPa of synthesis gas 1 three times, and then the reaction pressure was adjusted to 5.0 MPa using a back pressure valve.
The upper reactor 12 and the lower reactor 14 were heated by an external heater, and when the reaction temperature reached 230 ° C. and 170 ° C., the reaction time was started and reacted for 20 hours. The second reaction gas 3 exiting from the lower reactor 14 was cooled by a cooling trap 17 containing 10 ml of 2-butanol and cooled with ice.
The gas components during the reaction were sampled every hour at the start and end of the reaction, and analyzed using GL Science GC320 (TCD) in which the column was packed with activated carbon.
The liquid component after the reaction was analyzed by Shimadzu GC-8A (FID) with a methanator in which 1-propanol was added as an internal standard and the column was filled with gas clopac 54 and bora pack N.

(試験結果)
図2は、試験No.1におけるCO,CO及びtotalの転化率の時間経過を示す図であり、図3は、試験No.2における同様の時間経過を示す図である。
また表2は気相反応の結果である。
(Test results)
FIG. 1 is a graph showing the time course of the conversion rates of CO, CO 2 and total in FIG. It is a figure which shows the same time passage in 2. FIG.
Table 2 shows the results of the gas phase reaction.

Figure 2008037843
Figure 2008037843

図2、図3から、20時間の反応時間のうち、およそ10時間の段階で転化率が最大に達しているのがわかる。   2 and 3, it can be seen that the conversion rate reaches the maximum at about 10 hours out of the reaction time of 20 hours.

また表2からわかるように、転化率が最も高かったのは試験No.2の反応形式だった。液相合成ステップのみでの方法では、液相合成反応、すなわちスラリー相反応であり、このスラリー相反応では、試験No.1で使用したCu/ZnO=1/1の触媒の方がICI触媒よりも転化率が高いという結果が出ている。
しかし、本発明の方法の他の実施例である試験No.1の気相反応では逆の結果となった。
Further, as can be seen from Table 2, the highest conversion was found in Test No. The reaction format was 2. The method using only the liquid phase synthesis step is a liquid phase synthesis reaction, that is, a slurry phase reaction. The results show that the conversion rate of the catalyst of Cu / ZnO = 1/1 used in No. 1 is higher than that of the ICI catalyst.
However, test No. 1, which is another example of the method of the present invention. In the gas phase reaction of 1, the opposite result was obtained.

スラリー相ではアルコールが触媒の周囲に大量に存在しているが、この下段リアクターでの気相反応ではアルコールの濃度がずっと小さくなる。この低温メタノール合成法の律速段階はギ酸エステルの生成であることから、アルコールの濃度が小さくなったことが転化率に影響していると思われる。
生成物にはDMEが僅かに含まれていた。これはICI触媒に含まれるAlの働きでメタノールが脱水縮合して生成したものであると思われる。
In the slurry phase, a large amount of alcohol is present around the catalyst, but in the gas phase reaction in this lower reactor, the concentration of alcohol is much smaller. Since the rate-determining step of this low-temperature methanol synthesis method is the formation of formate, it seems that the lower alcohol concentration affects the conversion rate.
The product contained a small amount of DME. This is considered to be produced by dehydration condensation of methanol by the action of Al 2 O 3 contained in the ICI catalyst.

図2,3及び表2の実施例において、CO転化率は、試験No.1では約56%、試験No.2では約65%であり、いずれも気相合成法における1パスでの転化率10%前後と比較して高い転化率を得ている。
また、この実施例では、本発明の方法の比較例として、下段リアクター14では、液相合成法と同一の温度及び圧力(170℃、5.0MPa)において、液相合成法の代わりに気相合成法を適用したが、上述したように、下段リアクター14において液相合成法を適用することにより、CO転化率をさらに高めることができることは明らかである。
In the examples shown in FIGS. 1 is about 56%, test No. 2 is about 65%, and in both cases, a high conversion rate is obtained as compared with a conversion rate of about 10% in one pass in the gas phase synthesis method.
Further, in this example, as a comparative example of the method of the present invention, in the lower reactor 14, a gas phase is used instead of the liquid phase synthesis method at the same temperature and pressure (170 ° C., 5.0 MPa) as the liquid phase synthesis method. Although the synthesis method was applied, it is clear that the CO conversion can be further increased by applying the liquid phase synthesis method in the lower reactor 14 as described above.

すなわち、上述した非特許文献2(本発明の発明者らによる研究結果)のtable3に示すように、低温低圧(170℃、5.0MPa)において、メタノールの活性溶媒の存在下で1つのリアクターでの、1パスで約40%の転化率を得ている。   That is, as shown in Table 3 of the above-mentioned Non-Patent Document 2 (results of research by the inventors of the present invention), in one reactor in the presence of an active solvent of methanol at low temperature and low pressure (170 ° C., 5.0 MPa). The conversion rate of about 40% is obtained in one pass.

上述したように本発明はアルコール溶媒中でCu/Zn系スラリー触媒を用い、低温低圧でメタノールを合成する方法である。また、転化率を高めるため、反応槽を2段にし、1段目では気相合成法によりメタノールを合成し、2段目で、そのメタノールを溶媒にして、低温低圧で1段目の未反応の合成ガスを用いてメタノールを合成することにより、メタノールを高い転化率で得る方法である。   As described above, the present invention is a method for synthesizing methanol at low temperature and low pressure using a Cu / Zn-based slurry catalyst in an alcohol solvent. Also, in order to increase the conversion rate, the reaction vessel is made up of two stages, methanol is synthesized by the gas phase synthesis method in the first stage, the methanol is used as a solvent in the second stage, and the first stage is unreacted at low temperature and low pressure. In this method, methanol is synthesized at a high conversion rate by synthesizing methanol using the above synthesis gas.

液相合成法により低温低圧でメタノールを合成することにより1パスでの転化率を上げることができ、かつ液相合成法の方が気相合成法に比べて反応熱の除去に有利である。
また、液相反応器(下段リアクター)の前に気相合成法用の反応器(上段リアクター)を設置し、そこでメタノールを合成し、2段目の溶媒とすることで、メタノールを高い収率で合成できる。
すなわち、上述した実施例では、反応槽を2段にすることで、従来の単段の気相合成法では10%前後であった転化率が約60%に上昇した。
By synthesizing methanol at low temperature and low pressure by the liquid phase synthesis method, the conversion rate in one pass can be increased, and the liquid phase synthesis method is more advantageous for removing reaction heat than the gas phase synthesis method.
In addition, a gas phase synthesis reactor (upper reactor) is installed in front of the liquid phase reactor (lower reactor), where methanol is synthesized and used as the second stage solvent, resulting in high yields of methanol. Can be synthesized.
That is, in the Example mentioned above, the conversion rate rose from about 10% to about 60% in the conventional single-stage gas phase synthesis method by making the reaction tank into two stages.

従って、本発明の方法によれば、反応に必要な活性溶媒の準備及び補給が不要であり、相対的に低温かつ低圧で反応でき、高圧ガスの再循環が不要であり1パスで高い収率が得られ、反応槽を小型化できる。   Therefore, according to the method of the present invention, the preparation and replenishment of the active solvent necessary for the reaction are unnecessary, the reaction can be performed at a relatively low temperature and low pressure, the high-pressure gas is not recirculated, and the yield is high in one pass. And the reaction vessel can be downsized.

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。   In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.

触媒活性試験に使用した試験装置の構成図である。It is a block diagram of the test apparatus used for the catalyst activity test. 試験No.1におけるCO,CO及びtotalの転化率の時間経過を示す図である。Test No. 1 is a graph showing the time course of CO, CO 2 and total conversion rates in FIG. 試験No.2におけるCO,CO及びtotalの転化率の時間経過を示す図である。Test No. 2 is a graph showing the time course of CO, CO 2 and total conversion rates in FIG. メタノール合成反応における温度及び圧力(水素分圧)と平衡転化率の関係図である。FIG. 3 is a relationship diagram of temperature and pressure (hydrogen partial pressure) and equilibrium conversion rate in a methanol synthesis reaction. メタノール合成率に対する圧力と温度の影響を示す理論計算値(A)と実触媒のデータ(B)である。It is the theoretical calculation value (A) which shows the influence of the pressure and temperature with respect to a methanol synthesis rate, and the data (B) of an actual catalyst. 気相合成法によるメタノール合成装置の構成図である。It is a block diagram of the methanol synthesis apparatus by a gaseous-phase synthesis method.

符号の説明Explanation of symbols

1 合成ガス、2 第1反応ガス、
3 第2反応ガス、4 凝縮後の反応ガス、
10 合成ガスボンベ、11 マスフローコントローラ、
12 上段リアクター、13 圧力計、
14 下段リアクター、16 冷却器、
17 冷却トラップ、18 流量計
1 synthesis gas, 2 first reaction gas,
3 Second reaction gas, 4 reaction gas after condensation,
10 synthesis gas cylinders, 11 mass flow controllers,
12 Upper reactor, 13 Pressure gauge,
14 lower reactor, 16 cooler,
17 Cooling trap, 18 Flow meter

Claims (4)

気相合成法に適した温度及び圧力において、水素及び一酸化炭素を含む合成ガスをCu/Zn触媒と気相中で接触させてメタノールを含む第1反応ガスを合成する第1合成ステップと、
前記第1反応ガスを、Cu/Zn触媒及び前記第1合成ステップにより合成されたメタノールと接触させて新たにメタノールを含む第2反応ガスを合成する第2合成ステップと、
前記接触後の第2反応ガスを冷却してメタノールを分離する分離ステップとを有する、ことを特徴とするメタノール合成方法。
A first synthesis step of synthesizing a first reaction gas containing methanol by contacting a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide with a Cu / Zn catalyst in a gas phase at a temperature and pressure suitable for a gas phase synthesis method;
A second synthesis step of bringing the first reaction gas into contact with a Cu / Zn catalyst and methanol synthesized in the first synthesis step to synthesize a second reaction gas newly containing methanol;
And a separation step of separating the methanol by cooling the second reaction gas after the contact.
前記第2合成ステップに適した温度は、前記第1合成ステップに適した温度より低温である、ことを特徴とする請求項1記載のメタノール合成方法。   The methanol synthesis method according to claim 1, wherein the temperature suitable for the second synthesis step is lower than the temperature suitable for the first synthesis step. 前記第1合成ステップに適した温度及び圧力は、250〜300℃、5〜15MPaであり、前記第2合成ステップに適した温度及び圧力は、100〜190℃、3〜10MPaである、ことを特徴とする請求項1に記載のメタノール合成方法。   The temperature and pressure suitable for the first synthesis step are 250 to 300 ° C. and 5 to 15 MPa, and the temperature and pressure suitable for the second synthesis step are 100 to 190 ° C. and 3 to 10 MPa. The method for synthesizing methanol according to claim 1. 前記第1合成ステップ後の第1反応ガスを第2合成ステップに適した温度まで冷却する冷却ステップを有する、ことを特徴とする請求項1に記載のメタノール合成方法。
2. The methanol synthesis method according to claim 1, further comprising a cooling step of cooling the first reaction gas after the first synthesis step to a temperature suitable for the second synthesis step.
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