JP2011515333A - メタノール製造用反応器 - Google Patents
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Abstract
Description
(1) CO+2H2<=>CH3OH
(2) CO2+3H2<=>CH3OH+H2O
(3) CO+H2O<=>CO2+H2
1. 触媒床中において十分に高温を有するために、熱流束が小さくなければならない。これは、冷却面積を減少させるか、あるいは冷却剤の温度を高めることによって達成できる。
2. 十分に高い温度には、高熱の生成又は高い反応速度が必要である。メタノール合成ガスが、メタノールと熱力学平衡にある場合、触媒反応は停滞してしまい、そのため、熱の生成が消滅することになる。従って、生成されたメタノールを確実に高速で冷却面に輸送する必要がある。これは、液体冷却剤の冷却面積を増大させるか、あるいは冷却剤の温度を低下させることによって達成できる。
MW:[kg/kmol]は、反応器インレットにおける合成ガスの平均分子量である。
Y(x):[molar fraction]は、反応器インレットにおける各成分の濃度である。
H=E*Exp(−3978/(TBW[℃]+273)+12.3)*(1+3978*E*(220−TBW[℃])/((TBW[℃]+273)2))/(D*P*9.87)
TBWは冷却剤の平均温度であり、総転移熱の半分を受けた後の冷却剤温度と定義される。
M=(Y(H2)−Y(CO2))/(Y(CO)+Y(CO2));
(インレットガスモジュール)
A=1.0-Y(CO)−Y(H2)−Y(CO2)−Y(CH3OH)−Y(H2O);
(不活性成分(inerts)の割合)
B=Y(CO)/Y(CO2);
(COとCO2との比)
であり、Mが2.0未満の場合には、C=1.0、さもなければC=Exp(0.2*(M−2.0));
(Expは自然真数又は底を2.71828とする指数関数である。)
D=(0.072*Ln(B)+0.244)*C*(1.125−2.5*A)*0.478+P/25.2);
Lnは、底を2.71828とする自然対数である。)
E=Exp((P−13.2)/30.1)。
VCAT/ACOOL[m3/m2]=K*L*((G*DEQ[m]*(220−TBW))0.5)
Mが2.0超の場合、J=(Y(CO)+Y(CO2))であり、さもなければ、J=Y(H2)*(B+1)/(2*B+3)であり;
G=MW−Y(CH3OH)*32−15.5*J)/((1-D)*29*J);
Kは、採用した前述のような反応器のタイプ1〜3に依存する幾何学的定数である。
反応器タイプ1:K=0.027;反応器タイプ2:K=0.045;反応器タイプ3:K=0.02、
そして、
DEQ[m]は、触媒粒子DEQ=(6*(粒子の体積[m3])/3.14)0.33と同じ体積を有する球体の径として計算される触媒ペレットの相当直径である。1つより多くのペレットサイズが採用される場合、重量平均相当直径が計算され、DEQ=(Σw(i)*(DEQ(i)3))0.33である(式中、w(i)は、DEQ(i)[m]の相当直径を有する粒子の重量割合である。);
VCAT[m3]は、反応器中の固定された触媒の嵩容積であり;そして
ACOOL[m2]は、メタノールの凝縮が生じる冷却面の熱転移面積である。
合成ガスインレットにおける反応器圧、P=12.55MPa;
反応器インレットにおける合成ガスの分子量、MW=18.89kg/kmol;
反応器インレットにおける合成ガスの組成:
Y(CH3OH)=0.255;Y(H2)=0.438;Y(CO)=0.148;Y(CO2)=0.075;Y(H2O)=0.006;
触媒粒子の相当直径、DEQ=0.006m
所定の設計値、H=1.0及びL=1.1を有する、反応器内部のメタノールの最適な凝縮を伴う以下の反応器設計は、次のように決定される。
M=1.63
A=0.078
B=1.97
C=1
D=0.2656
E=0.9788
上述の等式1による、H=1におけるTBW=125°C
J=0.187
G=1.9589
K=0.027
(反応器タイプ1について)
VCAT/ACOOL=0.03081m(管の内径0.1233mに等しい)
Claims (7)
- 共通のシェル内に、複数の触媒管であって、それら触媒管の管側面に、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を、それぞれがインレットモジュール値Mを与えるような量で含み、そして極僅かな不活性物Aを含む合成ガスの転化のための触媒粒子が据え置かれた、前記複数の触媒管と、前記触媒管のシェル側に対して圧力が加えられた状態で、次の等式1に従って0.5〜1.8の値Hが得られるような沸点温度(TBW)を有する液体冷却剤とを含み、そして前記据え置かれた触媒粒子の嵩容積と前記触媒管の表面との比(VCAT/ACOOL)が、次の等式2に従って0.4〜5の値Lを有し、そしてその際、
等式1:H=E*Exp(−3978/(TBW[℃]+273)12.3)*(1+3978*E*(220−TBW[℃])/((TBW[℃]+273)2))/(D*P*9.87);
等式2:VCAT/ACOOL[m3/m2]=K*L*((G*DEQ[m]*(220−TBW))0.5)、
(式中、
M=(Y(H2)−Y(CO2))/(Y(CO)+Y(CO2));
A=1.0-Y(CO)−Y(H2)−Y(CO2)−Y(CH3OH)−Y(H2O);
B=Y(CO)/Y(CO2);
C=1.0(Mが2.0未満の場合)、さもなければ、
C=Exp(−0.2*(M−2.0));
D=(0.072*Ln(B)+0.244)*C*(1.125−2.5*A)*0.478+P/25.2);
E=Exp((P−13.2)/30.1);
K=0.027(幾何学定数);
G=(MW−Y(CH3OH)*32−15.5*J)/((1-D)*29*J);
J=(Y(CO)+Y(CO2))(Mが2.0超の場合)、さもなければ
J=Y(H2)*(B+1)/(2*B+3);
DEQ1=(6*(メタノール合成触媒の粒子の体積[m3]/3.14)0.33
であり、ここで同じ寸法の触媒粒子と、異なる寸法の触媒粒子を有する);
DEQ2=(Σw(i)*DEQ(i)3)0.33(式中、w(i)はDEQ(i)[m]の相当直径を有する触媒粒子の重量割合である。);
及び、
P:[MPa]は、反応器インレットにおける合成ガスの絶対圧であり;
MW:[kg/kmol]は、反応器インレットにおける合成ガスの平均分子量であり;
Y(x):[molar fraction]は、反応器インレットにおける各成分の濃度であり;
LNは、底を2.71828とする自然対数であり;
そして、
Expは、自然真数又は底を2.71828とする指数関数である、
メタノール製造のための反応器。 - 共通のシェル内に、合成ガスをメタノールへ転化するための触媒チャージを保持する触媒床であって、該合成ガスが、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を、それぞれがインレットモジュール値Mを与えるような量で含み、そして極僅かな不活性物Aを含む、該触媒床と、該触媒チャージ内の熱交換ユニットとを含んでなり、該熱交換ユニットが、その触媒チャージ中に均一に分布されて冷却面を形成する、複数の管、又はフィンを設けた管、又は複数の板型熱交換器からなり、該熱交換ユニットが、加圧された液体冷却剤によって冷却され、ここで、該冷却剤の沸点温度が、次の等式1を用いて計算された結果0.5〜1.8の値Hが得られるような沸点温度(TWB)を有し、そして、前記触媒チャージの嵩容積と、前記熱交換ユニットの表面との比(VCAT/ACOOL)が、次の等式2を用いて計算された結果0.4〜5の値Lが得られるように調節され、そしてその際、
等式1:H=E*Exp(−3978/(TBW[℃]+273)12.3)*(1+3978*E*(220−TBW[℃])/((TBW[℃]+273)2))/(D*P*9.87);
等式2:VCAT/ACOOL[m3/m2]=K*L*((G*DEQ[m]*(220−TBW))0.5)、
(式中、
M=(Y(H2)−Y(CO2))/(Y(CO)+Y(CO2));
A=1.0-Y(CO)−Y(H2)−Y(CO2)−Y(CH3OH)−Y(H2O);
B=Y(CO)/Y(CO2);
C=1.0(Mが2.0未満の場合)、さもなければ、
C=Exp(−0.2*(M−2.0));
D=(0.072*Ln(B)+0.244)*C*(1.125−2.5*A)*0.478+P/25.2);
E=Exp((P−13.2)/30.1);
K=0.045(幾何学定数);
G=(MW−Y(CH3OH)*32−15.5*J)/((1-D)*29*J);
J=(Y(CO)+Y(CO2))(Mが2.0超の場合)、さもなければ
J=Y(H2)*(B+1)/(2*B+3);
DEQ1=(6*(メタノール合成触媒の粒子の体積[m3]/3.14)0.33
であり、ここで同じ寸法の触媒粒子と、異なる寸法の触媒粒子を有する);
DEQ2=(Σw(i)*DEQ(i)3)0.33(式中、w(i)はDEQ(i)[m]の相当直径を有する触媒粒子の重量割合である。);
及び、
P:[MPa]は、反応器インレットにおける合成ガスの絶対圧であり;
MW:[kg/kmol]は、反応器インレットにおける合成ガスの平均分子量であり;
Y(x):[molar fraction]は、反応器インレットにおける各成分の濃度であり;
LNは、底を2.71828とする自然対数であり;
そして、
Expは、自然真数又は底を2.71828とする指数関数である、
メタノール製造のための反応器。 - 共通のシェル内に、合成ガスをメタノールへ転化するための触媒粒子を含む触媒床であり、該合成ガスが、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を、それぞれがインレットモジュール値Mを与えるような量で含み、そして極僅かな不活性物Aを含む、該触媒床と、前記反応器のシェルの軸に対して垂直方向で合成ガスを流す手段と、前記触媒床の内部に配置される熱交換ユニットとを含んでなり、前記熱交換ユニットが、前記触媒床中に均一に分布されて冷却面を形成する、複数の管、又はフィンを設けた管、又は複数の板型熱交換器からなり、該熱交換ユニットが、加圧された液体冷却剤によって冷却され、ここで、前記冷却剤の沸点温度が、次の等式1を用いて計算された結果0.5〜1.8の値Hが得られるような沸点温度(TWB)を有し、そして、前記触媒粒子の嵩容積と、前記熱交換ユニット表面との比(VCAT/ACOOL)が、次の等式2を用いて計算された結果0.4〜5の値Lが得られるように調節されており、そしてその際、
等式1:H=E*Exp(−3978/(TBW[℃]+273)12.3)*(1+3978*E*(220−TBW[℃])/((TBW[℃]+273)2))/(D*P*9.87);
等式2:VCAT/ACOOL[m3/m2]=K*L*((G*DEQ[m]*(220−TBW))0.5)、
(式中、
M=(Y(H2)−Y(CO2))/(Y(CO)+Y(CO2));
A=1.0-Y(CO)−Y(H2)−Y(CO2)−Y(CH3OH)−Y(H2O);
B=Y(CO)/Y(CO2);
C=1.0(Mが2.0未満の場合)、さもなければ、
C=Exp(−0.2*(M−2.0));
D=(0.072*Ln(B)+0.244)*C*(1.125−2.5*A)*0.478+P/25.2);
E=Exp((P−13.2)/30.1);
K=0.020(幾何学定数);
G=(MW−Y(CH3OH)*32−15.5*J)/((1-D)*29*J);
J=(Y(CO)+Y(CO2))(Mが2.0超の場合)、さもなければ
J=Y(H2)*(B+1)/(2*B+3);
DEQ1=(6*(メタノール合成触媒の粒子の体積[m3]/3.14)0.33
であり、ここで同じ寸法の触媒粒子と、異なる寸法の触媒粒子を有する);
DEQ2=(Σw(i)*DEQ(i)3)0.33(式中、w(i)はDEQ(i)[m]の相当直径を有する触媒粒子の重量割合である。);
及び、
P:[MPa]は、反応器インレットにおける合成ガスの絶対圧であり;
MW:[kg/kmol]は、反応器インレットにおける合成ガスの平均分子量であり;
Y(x):[molar fraction]は、反応器インレットにおける各成分の濃度であり;
LNは、底を2.71828とする自然対数であり;そして、
Expは、自然真数又は底を2.71828とする指数関数である、
メタノール製造のための反応器。 - 共通するシェル内に、前記触媒粒子の温度を、メタノールの露点より上に、加熱剤を用いて間接的に適合させる加熱手段を含み、該加熱手段が、その手段の表面と前記冷却手段との比が0.3〜3.0になるような表面を有する、請求項1〜3のいずれか一つに記載のメタノール製造のための反応器。
- 共通のシェル内に、複数の触媒管であって、それらの触媒管の管側面に触媒粒子が据え置かれ、前記固定された触媒粒子の嵩容積と、前記触媒管の表面との比(VCAT/ACOOL)が、次の等式2に従った0.4〜5の値Lを有し、前記合成ガスが、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を、それぞれがインレットモジュール値Mを与えるような量で含み、そして極僅かな不活性物Aを含む、前記複数の触媒管を含む反応器中で、メタノール合成ガスを転化するステップ、及び
前記合成ガスを、触媒管のシェルへの加圧下に、液体冷却剤の存在下で反応させるステップであり、ここで前記液体冷却剤が次の等式1に従った結果0.5〜1.8の値Hが得られるような沸点温度(TWB)に調節された、該ステップを含み、
そしてその際、
等式1:H=E*Exp(−3978/(TBW[℃]+273)12.3)*(1+3978*E*(220−TBW[℃])/((TBW[℃]+273)2))/(D*P*9.87);
等式2:VCAT/ACOOL[m3/m2]=K*L*((G*DEQ[m]*(220−TBW))0.5)、
(式中、
M=(Y(H2)−Y(CO2))/(Y(CO)+Y(CO2));
A=1.0-Y(CO)−Y(H2)−Y(CO2)−Y(CH3OH)−Y(H2O);
B=Y(CO)/Y(CO2);
C=1.0(Mが2.0未満の場合)、さもなければ、
C=Exp(−0.2*(M−2.0));
D=(0.072*Ln(B)+0.244)*C*(1.125−2.5*A)*0.478+P/25.2);
E=Exp((P−13.2)/30.1);
K=0.027(幾何学定数);
G=(MW−Y(CH3OH)*32−15.5*J)/((1-D)*29*J);
J=(Y(CO)+Y(CO2))(Mが2.0超の場合)、さもなければ
J=Y(H2)*(B+1)/(2*B+3);
DEQ1=(6*(メタノール合成触媒の粒子の体積[m3]/3.14)0.33
であり、ここで同じ寸法の触媒粒子と、異なる寸法の触媒粒子を有する);
DEQ2=(Σw(i)*DEQ(i)3)0.33(式中、w(i)はDEQ(i)[m]の相当直径を有する触媒粒子の重量割合である。);
及び、
P:[MPa]は、反応器インレットにおける合成ガスの絶対圧であり;
MW:[kg/kmol]は、反応器インレットにおける合成ガスの平均分子量であり;
Y(x):[molar fraction]は、反応器インレットにおける各成分の濃度であり;
LNは、底を2.71828とする自然対数であり;そして、
Expは、自然真数又は底を2.71828とする指数関数である、
請求項1又は4のいずれかに記載の反応器中でのメタノールの製造方法。 - 共通のシェル内に、合成ガスをメタノールへ転化するための触媒チャージを保持する触媒床と、該触媒チャージ内の熱交換ユニットとを含んでなる反応器であって、前記交換ユニットが、その触媒チャージ中に均一に分布されて冷却面を形成する、複数の管、又はフィンを設けた管、又は複数の板型熱交換器からなり、そして前記熱交換ユニットが、加圧された液体冷却剤によって冷却され、前記合成ガスが、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を、それぞれがインレットモジュール値Mを与えるような量で含み、そして極僅かな不活性物Aを含む、前記反応器中でメタノール合成ガスを転化するステップを含み、その際、前記液体冷却剤の沸点温度が、次の等式1を用いて計算された結果0.5〜1.8の値Hが得られるような温度(TWB)に調節され、そして、前記触媒チャージの嵩容積と、前記熱交換ユニットの表面との比(VCAT/ACOOL)が、次の等式2を用いて計算された結果0.4〜5の値Lが得られるように調節されており、
そしてその際、
等式1:H=E*Exp(−3978/(TBW[℃]+273)12.3)*(1+3978*E*(220−TBW[℃])/((TBW[℃]+273)2))/(D*P*9.87);
等式2:VCAT/ACOOL[m3/m2]=K*L*((G*DEQ[m]*(220−TBW))0.5)、
(式中、
M=(Y(H2)−Y(CO2))/(Y(CO)+Y(CO2));
A=1.0-Y(CO)−Y(H2)−Y(CO2)−Y(CH3OH)−Y(H2O);
B=Y(CO)/Y(CO2);
C=1.0(Mが2.0未満の場合)、さもなければ、
C=Exp(−0.2*(M−2.0));
D=(0.072*Ln(B)+0.244)*C*(1.125−2.5*A)*0.478+P/25.2);
E=Exp((P−13.2)/30.1);
K=0.045(幾何学定数);
G=(MW−Y(CH3OH)*32−15.5*J)/((1-D)*29*J);
J=(Y(CO)+Y(CO2))(Mが2.0超の場合)、さもなければ
J=Y(H2)*(B+1)/(2*B+3);
DEQ1=(6*(メタノール合成触媒の粒子の体積[m3]/3.14)0.33
であり、ここで同じ寸法の触媒粒子と異なる寸法の触媒粒子とを有する);
DEQ2=(Σw(i)*DEQ(i)3)0.33(式中、w(i)はDEQ(i)[m]の相当直径を有する触媒粒子の重量割合である。);
及び、
P:[MPa]は、反応器インレットにおける合成ガスの絶対圧であり;
MW:[kg/kmol]は、反応器インレットにおける合成ガスの平均分子量であり;
Y(x):[molar fraction]は、反応器インレットにおける各成分の濃度であり;
LNは、底を2.71828とする自然対数であり;そして、
Expは、自然真数又は底を2.71828とする指数関数である、
請求項2又は4に記載の反応器中でメタノールを製造する方法。 - 共通のシェル内に、合成ガスをメタノールへ転化するための触媒粒子を含む触媒床と、前記触媒床内に配置される熱交換ユニットとを含んでなり、前記熱交換ユニットが、前記触媒床中に均一に分布されて冷却面を形成する、複数の管、又はフィンを設けた管、又は複数の板型熱交換器を含んでなる反応器中でメタノール合成ガスを転化するステップと、
前記合成ガスを、前記反応器のシェルの軸に対して垂直に流れる方向で前記触媒床を通過させるステップとを含み、前記合成ガスが、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を、それぞれがインレットモジュール値Mを与えるような量で含み、そして極僅かな不活性物Aを含み、前記熱交換ユニットが、加圧された液体冷却剤によって冷却され、ここで、該冷却剤が、次の等式1を用いて計算された結果0.5〜1.8の値Hが得られるような沸点温度(TWB)を有し、そして、前記触媒粒子の嵩容積と、前記熱交換ユニット表面との比(VCAT/ACOOL)が、次の等式2を用いて計算された結果0.4〜15の値Lが得られるように調節されており、
そしてその際、
等式1:H=E*Exp(−3978/(TBW[℃]+273)12.3)*(1+3978*E*(220−TBW[℃])/((TBW[℃]+273)2))/(D*P*9.87);
等式2:VCAT/ACOOL[m3/m2]=K*L*((G*DEQ[m]*(220−TBW))0.5)、
(式中、
M=(Y(H2)−Y(CO2))/(Y(CO)+Y(CO2));
A=1.0-Y(CO)−Y(H2)−Y(CO2)−Y(CH3OH)−Y(H2O);
B=Y(CO)/Y(CO2);
C=1.0(Mが2.0未満の場合)、さもなければ、
C=Exp(−0.2*(M−2.0));
D=(0.072*Ln(B)+0.244)*C*(1.125−2.5*A)*0.478+P/25.2);
E=Exp((P−13.2)/30.1);
K=0.02(幾何学定数);
G=(MW−Y(CH3OH)*32−15.5*J)/((1-D)*29*J);
J=(Y(CO)+Y(CO2))(Mが2.0超の場合)、さもなければ
J=Y(H2)*(B+1)/(2*B+3);
DEQ1=(6*(メタノール合成触媒の粒子の体積[m3]/3.14)0.33
であり、ここで同じ寸法の触媒粒子と、異なる寸法の触媒粒子を有する);
DEQ2=(Σw(i)*DEQ(i)3)0.33(式中、w(i)はDEQ(i)[m]の相当直径を有する触媒粒子の重量割合である。);
及び、
P:[MPa]は、反応器インレットにおける合成ガスの絶対圧であり;
MW:[kg/kmol]は、反応器インレットにおける合成ガスの平均分子量であり;
Y(x):[molar fraction]は、反応器インレットにおける各成分の濃度であり;
LNは、底を2.71828とする自然対数であり;そして、
Expは、自然真数又は底を2.71828とする指数関数である、
請求項3又は4に記載の反応器中でメタノールを製造する方法。
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