JP2011515334A - メタノールを製造するための方法及び反応器 - Google Patents

Abstract

平衡状態でのメタノールの製造のための触媒方法及び反応器の改善された設計であって、ここで、メタノールは、それが生成した時に、メタノール触媒の触媒活性を低下させることなく、反応器内で気相から液相へと分離される。これは、触媒粒子と間接的に接触している液状冷却剤の沸点または温度を調節することによって及び冷却表面積に対する触媒床体積の特定の比率を供することよって達成される。それによって、メタノールは、それが気相で生成した時に、その殆どが反応域内に均一に分布して配置された冷却表面の所で、及び仮にあったとしても触媒床の非常に限られた領域内で凝縮する。

Description

本発明は、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む合成ガスをメタノール合成触媒の存在下に転化することによるメタノールの工業的な製造法に関する。詳しくは、本発明は、平衡限界に関してメタノール製造法を向上して、それによってメタノールを、それが合成ガスから製造された際にその場で（ｉｎ ｓｉｔｕ）分離することにより合成ガスの循環を減らすかまたは無くす、方法及び反応器である。

メタノールの製造は、以下の三つの平衡反応に基づく。
（１） ＣＯ ＋ ２Ｈ_２ ＜＝＞ ＣＨ_３ＯＨ
（２） ＣＯ_２ ＋ ３Ｈ_２ ＜＝＞ ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ
（３） ＣＯ ＋ Ｈ_２Ｏ ＜＝＞ ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２

平衡のために、合成ガスの一部しかメタノールに転化されず、合成ガスの残部はリサイクルする必要がある。合成ガスからメタノールをその場で分離することは米国特許第４，７３１，３８７号明細書（特許文献１）に開示されている。気体−固体滴下フロー型反応器（ｇａｓ ｓｏｌｉｄ ｔｒｉｃｋｌｅ ｆｌｏｗ ｒｅａｃｔｏｒ）において、メタノールを吸収材料によって除去し、そうして平衡状態が改善する。反応器を出た後、メタノールを吸収材料から脱着し、そして吸収材料は、反応器の入口にリサイクルされる。このようなシステムの欠点は、このシステムの複雑さにあり、作業上の困難さと比較的高い投資コストを招く。

平衡限界を克服するための他の方法は、米国特許第５，２６２，４４３号明細書（特許文献２）に開示されている。そこでは触媒反応器は、製造されたメタノールの一部が触媒床中で凝縮する温度及び圧力で操業される。この発明を使用することによって、コストの掛かる合成ガスのリサイクルを減少するかまたは無くすことができる。しかし、このような操業には二つの欠点がある。

ガス露点未満で操業するために、触媒温度を、触媒反応のための最適温度レベル未満まで下げなければならない。このようなより低い温度は、より低い活性の結果となり、これは必要な触媒量及び反応器コストを高める。

第二の問題には、多孔性触媒中にメタノールが縮合することが関連する。触媒反応を開始するためには、合成ガスは、孔系を通して触媒内部に拡散しなければならない。孔がメタノールで埋められていると、拡散速度及び触媒活性がひどく低下してしまう。

これらの二つの問題は、慣用のメタノール合成プロセスで得られる活性と比較して触媒活性を数倍低めてしまう。低められた活性の結果、凝縮反応器の規模を大きくしなければならず、これは、合成ガスのリサイクルを含む慣用の反応器と比べて、反応器をより高額なものとしてしまう。

米国特許第４，７３１，３８７号明細書 米国特許第５，２６２，４４３号明細書

本発明は、一般的に、平衡状態でのメタノールの製造のための触媒方法及び反応器の向上された設計を供するものであり、ここで、メタノールは、メタノール触媒の触媒活性を低下させることなく、生成した時に、反応器内において気相から液相へと分離される。これは、触媒粒子と間接的に接触する液状冷却剤の温度を調節することによって及び触媒床の体積と冷却表面積との特定の比率を供することによって達成される。その場合、気相中に生成した時のメタノールの縮合は、その殆どが反応器内に均一に分布して配置された冷却表面のところで、及びたとえあったとしても触媒床の非常に限られた領域内で、起こる。

より具体的には、本発明は、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む合成ガスを、冷却剤により間接的に冷却されるメタノール合成触媒粒子の固定床反応器中で反応させるステップ、及び
冷却剤の圧力を調節して６０℃〜１７０℃の冷却剤の沸点（ＴＢＷ）を得ることによって、メタノールをそれが生成した時に冷却表面で凝縮するステップ、及び
冷却表面積（ＡＣＯＯＬ）に対する沈定（ｓｅｔｔｌｅｄ）触媒床体積（ＶＣＡＴ）の比率が０．０１２５ｍと０．１２５ｍの間となるように冷却剤の沸点において冷却表面の面積（ＡＣＯＯＬ）を調節することによって、メタノールの露点を超える温度に触媒温度を維持するステップ、
を含む、メタノールの製造のための方法を提供する。

メタノールを製造するための本発明の更に別の方法は、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む合成ガスを、冷却剤で間接的に冷却されたメタノール合成触媒粒子の固定床反応器中で反応させるステップ、及び冷却剤の圧力を調節して６０℃〜１７０℃の冷却剤の沸点（ＴＢＷ）を供することによって、メタノールをそれが製造された時に冷却表面上で凝縮するステップ、及び
冷却表面の面積（ＡＣＣＯＬ）と触媒の相当径（ＤＥＱ）との積に対する沈定触媒嵩体積の比率（Ｚ）が２．０〜３０となるように、冷却表面の面積（ＡＣＯＯＬ）を調節することによってメタノールの露点より高い温度に触媒温度を維持するステップを含み、ここで触媒の相当径は、以下の等式によって計算される：
同じ大きさの触媒粒子の場合は、ＤＥＱ_１＝（６＊（メタノール合成触媒の一つの粒子の体積［ｍ^３］／３．１４）^０．３３、または
ＤＥＱ_２＝（Σｗ（ｉ）＊（ＤＥＱ（ｉ）^３））^０．３３
式中、ｗ（ｉ）は、ＤＥＱ（ｉ）の相当径［ｍ］を有する触媒粒子の重量割合である。

本発明の好ましい態様の一つでは、メタノール触媒粒子の温度は、２２０℃〜２８０℃の沸点を有する加圧水、２２０℃〜２８０℃の露点を有する蒸気またはこれらの混合物を包含する加熱剤によってメタノールの露点より高い温度に維持される。この際、加熱剤は、冷却領域の表面（ＡＣＯＯＬ）に対する加熱手段の表面の比率が０．３〜３．０となるような表面積を有する内部加熱手段中に通される。

本発明方法の更なる態様は請求項１２〜１６に記載されている。

加えて、本発明は、本発明の方法に有用なメタノール反応器も提供する。

本発明の一つの面では、メタノール反応器は、共通のシェル内に、メタノール触媒粒子の固定床、及びメタノール合成ガスを冷却剤で間接的に冷却するように適応した冷却手段を含み、この際、冷却手段の冷却表面積に対する沈定触媒嵩体積の比率（ＶＡＣＡＴ／ＡＣＯＯＬ）が６０℃〜１７０℃の冷却剤の沸点において０．０１２５ｍ〜０．１２５ｍである。

本発明の更に別の面では、メタノール反応器は、共通のシェル内に、メタノール触媒の固定床と、メタノール合成ガスを冷却剤で間接的に冷却するように適応した冷却手段とを含み、ここで、冷却表面の面積と触媒の相当径（ＤＥＱ）との積に対する触媒嵩体積の比率（Ｚ）が、６０℃〜１７０℃の冷却剤の沸点において２．０〜３０であり、この際、触媒の相当径は、以下の等式によって計算される：
ＤＥＱ_１＝（６＊（メタノール合成触媒の一つの粒子の体積［ｍ^３］／３．１４）^０．３３（これは触媒粒子が同じ大きさの場合）
ＤＥＱ_２＝（Σｗ（ｉ）＊（ＤＥＱ（ｉ）^３））^０．３３
（これは触媒粒子が異なる大きさの場合）
［式中、ｗ（ｉ）は、ＤＥＱ（ｉ）の相当径［ｍ］を有する触媒粒子の重量割合である］
更に、上記の本発明の反応器の好ましい態様は、共通のシェル内に、メタノール触媒の温度を、加熱剤によりメタノールの露点よりも高い温度に間接的に維持するように適応した加熱手段を含み、ここで冷却手段に対する加熱手段の表面の表面比は０．３〜３．０である。

本発明の更に別の対象は請求項１７〜２２に従う。
［発明の詳細な説明］
一般的に、本発明に使用される反応器のタイプはさほど重要ではない。液状冷却剤の必要な沸点または温度は、いずれの反応器タイプにおいても同じであり、そして冷却表面積に対する触媒の体積も同一となる。最も有用なメタノール反応器は、蒸気を上昇させるかまたは加圧された液状冷却剤を加熱するかのいずれかによって冷却された反応器である。

液状冷却剤の“温度”は、伝達された熱の全部のうちの半分を受け取った後の冷却剤の温度と定義される平均温度である。

三種の主要なメタノール反応器のタイプは次のものである：
反応器タイプ１： このタイプでは、合成ガスは触媒床の頂部から入り、触媒床は液状冷却剤によって間接的に囲まれており、そして合成ガス及び凝縮した液状メタノールは並流状態で下方に移動する。このような反応器の一例を図８の図面に示す。
反応器タイプ２： このタイプでは、合成ガスは触媒床の頂部から入り、液状冷却剤は触媒床によって間接的に囲まれ、そして合成ガス及び凝縮液は並流状態で下方に移動する。このような反応器の一例を図９に示す。
反応器タイプ３： このタイプでは、合成ガスは円筒状反応器軸に対して垂直に入り、液状冷却剤は触媒床によって間接的に囲まれ、そして合成ガス及び凝縮液メタノールは反応器中を半径方向に通される。このような反応器の一例を図１１に示す。

上記及び以下の記載における“間接的に囲まれ”という表現は、間接的な熱交換の一般的に知られている原理であり、ここで冷却もしくは加熱剤は、伝熱表面、例えば管の壁の形または熱交換器のプレートの形の伝熱表面によって冷却／加熱剤から分離されている他の液体と間接的に熱接触している。

本発明に従い、メタノールが触媒床中で生成した時にそれを実質的に冷却表面で凝縮するためには、二つの相反する基準を満足しなければならない：
１． 触媒床中で十分に高い温度を得るために、熱流束は小さくなければならない。これは冷却領域を小さくするかまたは冷却剤の温度を上げることによって達成することができる。
２． 十分に高い温度は、高い熱の生産または高速の反応速度を必要とする。メタノール合成ガスがメタノールと熱力学的に平衡の場合には、触媒反応は停止し、それ故熱の生産は無くなる。それ故、製造されたメタノールが、高速で冷却表面に搬送されることを保証する必要がある。これは、冷却領域を大きくするか、または液状冷却剤の温度を低下させることによって達成できる。

本発明によって、以下に詳しく記載するように液状冷却剤の特定の温度と共に、触媒体積と冷却表面積との間の比率の調整を介して凝縮を避けることによって触媒活性が高く維持される。

触媒床中で製造されたメタノールの搬送路の長さは、触媒床中のメタノール濃度が、反応熱がそれが同搬送長によって除去された熱量を埋め合わせるような温度に高まるのに適当に低くなる長さに調節される。これと同時に、冷却表面の温度が縮合が起きるように十分に低く、かつ触媒床温度が、触媒上での凝縮が避けられそして高い反応速度が維持されるように高いことが保証される。

この効果は、冷却表面の特定の温度において達成可能である。反応器から除去する必要のある熱は、実際上の理由から、蒸発熱によってまたは液状冷却剤の加熱によってのみ除去できる程度の量である。冷却領域の表面温度は、液状冷却剤の温度のそれと近い。

触媒床中でのメタノールの凝縮を避けるために、製造熱は、冷却表面積に対する触媒体積の比率を高めることによって、冷却領域上で除去される熱を補うのに十分に高くなければならず、そして冷却表面積に対する触媒体積の比率は、製造されたメタノール蒸気を冷却表面に搬送するのに十分なものでなければならない。

液状メタノールの再混入（ｒｅ−ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ）は実質的に低減するかまたは避けることが好ましい。液体の再混入は、冷却表面上で下方に流れる粗製メタノールの流動抵抗を低減することによって避けることができる。これは、０．００２ｍを超える相当径を有する触媒粒子を使用することによって実現される。液体の再混入は、更に、図１〜７に示すような液体フィルム安定手段の使用によって減らすことができる。

触媒床中への液状メタノールの再混入は、メタノールの露点を超える温度に触媒床の温度を維持する加熱領域を反応器に導入することによって避けることもできる。この加熱領域は、熱の生産が高モジュールガスの場合と同様に低い場合に、かつ触媒床の出口付近において、露点を超える温度に触媒温度を維持しもする。加熱領域は、冷却領域と同じく、触媒床内に強制温度勾配を得るために触媒床内に均一に分配される。熱の生産は、反応器の出口と比べて反応器の合成ガス入口の所での方が高いので、加熱領域は、反応器の入口領域付近で冷えるかもしれず、そして反応器の出口領域付近だけで触媒床を加熱する。冷却剤を、合成ガスと並流方向で導入することが好ましい。それによって、反応器の出口領域を、反応器の入口領域からの過剰の熱によって再加熱することができる。加熱領域に使用される加熱剤は、好ましくは、ボイラー供給水、蒸気またはこれらの混合物である。加熱剤の圧力は好ましくは約１．２ＭＰａ〜約６．４ＭＰａである。

本発明の方法及び反応器の主たる利点は、生成したメタノールを、凝縮を介して冷却表面上で気相から液相へと連続的に除去することによって得られる、反応器内でのメタノール合成ガスの高い転化率である。その結果、該メタノールプロセスは、未転化の合成ガスを再循環することなく、ワンススルー（ｏｎｃｅ ｔｈｒｏｕｇｈ）モードで行うことができる。

慣用の沸騰水メタノール反応器と比較して、本発明の利点は増加した蒸気の製造である。というのも、縮合熱が、蒸気製造のために反応器中で利用され、他方、凝縮熱は典型的には次の冷却水凝縮器中で除去されるからである。

ボイラー供給水を加熱することによって反応熱が除去される場合には、ボイラー供給水を、次いで、生成した蒸気を外部のフラッシュドラム中に流すことによって冷却することができる。

慣用のメタノールプロセスの場合と同様に、幾つかの副生成物が生成し、これらは中でもアセトン及びメチルエチルケトンであり、これらは蒸留によって除去することが困難である。水素化反応は非常に高速であるので、これらのケトン類は、反応器中の所与の温度において熱力学的に平衡となる。上記ケトン類は、主に、冷却表面の所で凝縮した粗製メタノール中に溶解し、ここで、熱力学的平衡は、ケトン類からの対応するアルコールへの転化の方により有利となる。その結果、従来通りに操業されたメタノール反応器と比べて、製造されたメタノール中のケトン含有率が低くなる。

上記のプロセスパラメータ並びに反応器設計及び寸法は、以下の手順によって調整することができる。

生成したメタノールを冷却表面上で凝縮させるためには、冷却剤の温度は、メタノールの露点よりも低くなければならない。反応熱が、液状冷却剤の蒸発によって除去される場合には、液状冷却剤の圧力は、６０℃〜１７０℃の冷却剤の沸点（ＴＢＷ）を供するように調節しなければならない。反応熱が、液状冷却剤を加熱することによって除去される場合は、液状冷却剤の平均温度（ＴＢＷ）は２０℃〜１７０℃でなければならない。ＴＢＷは平均冷却剤温度である。平均温度とは、伝達された全ての熱のうちの半分を受け入れた後の冷却剤温度と定義される。蒸気上昇反応器（ｖａｐｏｕｒ ｒｉｓｉｎｇ ｒｅａｃｔｏｒｓ）では、平均温度は、液状冷却剤の沸点と近くなる。反応器入口での合成ガスの絶対圧は８．５ＭＰａを超えなければならない。

液状冷却剤の平均温度が決定したら、冷却表面積に対する触媒体積の比率を調節しなければならない。触媒床中のメタノールの凝縮を避けるためには、製造熱は、冷却表面積に対する触媒体積の比率を高めることによって、冷却領域上で除去された熱を埋め合わせるために十分に大きいものでなければならず、そして冷却表面積に対する触媒体積の比率は、製造されたメタノール蒸気を冷却表面に搬送するのに十分なものでなければならない。これらの両条件は、冷却表面の面積（ＡＣＯＯＬ）を、冷却表面積（ＡＣＯＯＬ）に対する沈定触媒嵩体積（ＶＣＡＴ）の比率が０．０１２５ｍ〜０．１２５ｍとなるように調節することによって達成できる。本発明の更に別の態様では、冷却表面の面積（ＡＣＯＯＬ）は、冷却表面の面積（ＡＣＯＯＬ）と触媒の相当径（ＤＥＱ）との積に対する沈定触媒嵩体積の比率が２．０〜３０となるように調節され、
ここで、ＤＥＱ［ｍ］は、触媒粒子と同じ体積を有する球体の直径として計算された触媒ペレットの相当径であり、ＤＥＱ＝（６＊（粒子の体積［ｍ^３］）／３．１４）^０．３３）である。二つ以上のペレットサイズが使用される場合は、重量平均相当径は、ＤＥＱ＝（Σｗ（ｉ）＊ＤＥＱ（ｉ））^３）^０．３３によって計算され、ここでｗ（ｉ）は、ＤＥＱ（ｉ）の相当径［ｍ］を有する粒子の重量割合であり；
ＶＣＡＴ［ｍ^３］は、反応器中での触媒の沈定嵩体積であり； そして
ＡＣＯＯＬ［ｍ^２］は、メタノールの凝縮が起こる所である冷却表面の伝熱面積である。

反応器タイプ１の場合には、ＡＣＯＯＬは、触媒管の全内側面積である。触媒管が縦型内部フィンを有する場合には、ＡＣＯＯＬは、フィンを付けた管によって取り囲まれた最大の円筒の外側面積である。反応器タイプ２及び３では、ＡＣＯＯＬは、ＴＢＷの温度を有する液状冷却剤を含む冷却管の全外側面積である。触媒管が縦型フィンを有する場合には、ＡＣＯＯＬは、フィンを付けた管を取り囲む最小の円筒の外側面積である。

プレート型熱交換器が使用される場合には、ＡＣＯＯＬは、熱交換プレートを取り囲む最小の矩形の全外側面積である。

触媒床中への液体の再混入が起こる場合または合成ガスの入口モジュールＭが３を超える場合［ここで、Ｍ＝（Ｙ（Ｈ_２）−Ｙ（ＣＯ_２））／（Ｙ（ＣＯ）＋Ｙ（ＣＯ_２））（Ｍは入口ガスモジュールであり、Ｙはモル分率である）］、上記に定義した反応器タイプ２及び３に第二の加熱領域ＡＲＥＨＥＡＴ［ｍ^２］を導入することが好ましい。この第二の加熱領域は、触媒温度がメタノールの露点より高い温度に維持されることを保証する。この加熱領域に使用される加熱剤は、液状媒体、蒸気またはこれらの混合物であることができ、ここで液状媒体の沸点は２２０℃〜２８０℃であり、蒸気の露点は２２０℃〜２８０℃である。

図１ａは、本発明に使用するためのワイヤメッシュ内部装備を示す。 図１ｂは、本発明に使用するためのワイヤメッシュ内部装備を示す。 図２は、本発明に使用するためのスチール製スパイラル型内部装備である。 図３は、本発明で使用するためのスチール製へリックス型内部装備を示す。 図４Ａ及び４Ｂは、本発明に使用するための多孔性繊維内部装備を示す。 図５は、本発明に使用するための内部にフィンが付けられた触媒管２の横断面図である。 図６は、本発明で使用するために外側にフィンを装備した冷却管の横断面図である。 図７は、本発明に従い冷却領域として使用するための波形プレート型熱交換器である。 図８は、本発明の一つの具体的な態様による多管式（ｍｕｌｔｉ−ｔｕｂｕｌａｒ）メタノール反応器の縦断図を示す。 図９は、本発明の一つの特定の態様に従う、触媒床８と、触媒床内に配置された管状熱交換器１１とを有するメタノール反応器の縦断面図である。 図１０は、本発明の一つの特定の態様による、メタノール触媒８の固定床を備えたメタノール反応器の縦断面図である。 図１１は、本発明の一つの特定の態様による、半径流型メタノール反応器の断面図である。 図１２は、本発明に従うメタノールの製造のためのプロセスフロー図を示す。

［図面の詳細な説明］
図１Ａ及び１Ｂは、本発明に使用するためのワイヤメッシュ内部装備を示す。液状冷却媒体１は、スチール製管２の外側にある。冷却管は、それの内壁に、壁とは間隔を空けて配置された円筒状のワイヤメッシュ３（詳細Ａ）が備えられている。管２は固定触媒床４を収容している。床４内で気相で製造されたメタノールの凝縮液フィルム５は、管の内壁上にフィルムとして凝縮し、そして内壁とワイヤーゲージとの間を下方向に流れる。この配置は、冷却剤を管の内側に置き、ワイヤーゲージ円筒を管の外側に置き、そして触媒床をワイヤーゲージ円筒の外側に置くことによって、逆にすることができる。

図２は、本発明に使用するためのスチール製スパイラル型内部装備である。液状冷却剤１は、スチール製管２の外側にある。スチール製スパイラル３は、固定触媒床４を収容した管２内に配置される。メタノール凝縮液フィルム５は、スパイラルの下側を伝って下方に流れる。

図３は、本発明で使用するためのスチール製へリックス型内部装備を示す。液状冷却剤１はスチール製管２の外側１にある。スチール製へリックス３は固定触媒床４の内部に配置される。メタノール縮合液フィルム５は内壁管２上を下方に流れ、そして管２中を軸方向に通る合成ガスの強制回転によって生じる遠心力によって壁２に押し付けられる。管２は、互いに螺旋を１８０℃ずらして二つのへリックス３を装備することができる。

図４Ａ及び４Ｂは、本発明に使用するための多孔性繊維内部装備を示す。液状冷却剤は、織成繊維円筒３またはセラミックで結合した繊維マット円筒が管２の内壁上に装備された冷却管２の周りを囲んでいる。固定触媒床４は管２内に配置されている。メタノール凝縮液フィルム５は、多孔性繊維内部装置の内部を下方に流れる。この配置は、冷却剤を管２の内側に置き、装備３を管の外側に置き、そして触媒床４を装備３の外側に置くことによって、逆にすることができる。

図５は、本発明に使用するための内部にフィンが付けられた触媒管２の横断面図である。液状冷却剤１は、縦型フィンが付けられたスチール製管２の外側にあり、ここで内部フィンの数は、管の称呼（ｎｏｍｉｎａｌ）内径に３．１４を掛けて、これを触媒ペレットの相当径で割った値よりも多いのが好ましい。内部フィンは、スチール壁と触媒床との間に空隙を生み、メタノール凝縮液がより抵抗少なく流下することを可能にする。固定触媒床３は管の内部に配置されて、そしてメタノール凝縮液フィルム４は、管の内壁と触媒床４との間を下方に流れる。

図６は、本発明で使用するために外側にフィンを装備した冷却管の横断面図である。液状冷却剤１は、縦型フィンが付けられたスチール製管２の外側にあり、ここで、外側フィンの数は、好ましくは、管の称呼（ｎｏｍｉｎａｌ）外径に３．１４を掛けて、これを触媒ペレットの相当径で割った値よりも多いのが好ましい。この外側フィンは、スチール壁と触媒床との間に空隙を生み、メタノール凝縮液フィルム４が、より抵抗少なく管の内壁上を流れることを可能にする。

図７は、本発明に従い冷却領域として使用するための波形プレート型熱交換器である。液状冷却剤１は、入口１ａから導入され、そして出口２ａからガス形態２で熱交換器を出る。固定触媒床３は該プレート型熱交換器を取り囲む。熱交換器には、正弦波形（ｓｉｎｏｉｄａｌ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ）表面４が供されており、これは、触媒粒子と熱交換器表面との間に空隙を供して、凝縮したメタノール５が、より抵抗少なく表面上を流れることを可能にする。正弦波形の波長は、触媒の相当径よりも短い。

図８は、本発明の一つの具体的な態様による多管式（ｍｕｌｔｉ−ｔｕｂｕｌａｒ）メタノール反応器の縦断図を示す。この反応器は、それの圧力シェル１４内に、合成ガス入口１、マンホール２、液状冷却剤のための入口４、冷却媒体の液体−蒸気混合物のための出口５、未転化の合成ガス及び液状粗製メタノールのための出口９、及び液体トレイン１２を備える。反応器の頂部３には、上部管シート６があり、頂部３には、場合により、触媒を部分的に充填してもよい。反応器の底部領域には、下部管シート７、不活性球体８の支持床、及び不活性床を支える有孔格子１１がある。複数の管１３はメタノール触媒で充填され、これらの管はそれぞれ上述のような液体安定化装備を有してもよい。これらの管は三角位置で配置される。管の内部で生成されるメタノールは、冷却剤で冷却される管の内壁上で凝縮し、そして流下して出口９に至る。

図９は、本発明の一つの特定の態様に従う、触媒床８と、触媒床内に配置された管状熱交換器１１とを有するメタノール反応器の縦断面図である。メタノール合成ガスは入口１から導入され、そして触媒床８内に通される。液状冷却剤は、入口マニホルド４を介して管状熱交換器１１中に導入され、そして出口マニホルド５を通して蒸気−液体混合物の形で抜かれる。反応器の底部において、有孔支持格子６は不活性球体の支持床９を支える。触媒の主要部は、複数の管、外側表面に液体フィルム安定手段を備えた管、縦型フィンを備えた管または波形熱交換プレートのいずれかからなる熱交換器１１の間に配置される。メタノールは、触媒床内で生成すると、熱交換器１１の表面上で凝縮し、そして出口１０を通して液相中に回収される。

図１０は、本発明の一つの特定の態様による、メタノール触媒８の固定床を備えたメタノール反応器の縦断面図である。床８内には、管状熱交換器１１の形の冷却表面と、管状熱交換器１５の形の加熱表面とが装備されている。反応器の底部では、有孔支持格子６が不活性球体の支持床９を支えている。メタノール合成ガスは、入口１を介して床８内に導入される。加熱剤は、入口マニホルド１３を介して熱交換器１５に導入され、そして出口マニホルド１４を通して抜かれる。液状冷却剤は入口マニホルド４を介して熱交換器１１に導入され、そして出口マニホルド５を通して抜かれる。床８内で生成されるメタノールは熱交換器１１の冷却表面上で凝縮し、そして反応器から出口１０を通して液相中に回収される。熱交換器１１の冷却表面は、複数の管、外側表面に液状フィルム安定手段を備えた管、縦型フィンを備えた管または波形熱交換プレートのいずれかからなり、そこで粗製メタノールが凝縮する。熱交換器１５は、触媒床の温度を、生成したメタノールの露点よりも高い温度に維持し、そして複数の管かまたは熱交換プレートのいずれかからなる。

図１１は、本発明の一つの特定の態様による、半径流型メタノール反応器の断面図である。メタノール合成ガスは入口１を介して反応器中に導入される。合成ガスは、円筒状有孔円筒７を通して反応器の周辺から半径方向で触媒床１４内に導通される。前記円筒状有孔円筒７は触媒床を収容し、そして入口合成ガスを有孔の中央管６に渡し、そこで、触媒と接触して、残留合成ガス及び生成した液状粗製メタノールが出口１３を通して抜き出される。複数の管、外側表面上に液体フィルム安定手段を備えた管、縦型フィンを備えた管または波形熱交換プレートのいずれかからなる熱交換器９の形の冷却表面は、触媒床１４内に配置されている。液状冷却剤は入口４を通して熱交換器に導入され、そして出口５を通して抜かれる。冷却剤は、円形マニホルドによって熱交換器に分配され、そして出口マニホルド１１によって熱交換器から出口の所で集められる。

図１２は、本発明に従うメタノールの製造のためのプロセスフロー図を示す。メタノール合成ガス１は合成ガス圧縮器で圧縮され、そして現在産業的に典型的に使用される慣用の多管式沸騰水反応器（ｍｕｌｔｉ−ｔｕｂｕｌａｒ ｂｏｉｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｒｅａｃｔｏｒ）５に渡される。メタノール及び未転化の合成ガスを含む反応器５からの流出流は分離器９に渡されそして合成ガス富化流１０と、メタノール富化流１７とに分離される。流れ１０は、本発明に従い設計されているメタノール反応器１１に導入される。６０〜１７０℃の沸点を有する冷却剤が入口１３を介して反応器１１に導入され、そして出口１２から抜かれる。加熱剤は入口１８を通して導入されそして出口１９を通して抜かれる。液状メタノール及び未転化の合成ガスを含む反応器１１からの流出流は分離器１５に渡されそして合成ガス流１６と液状メタノール流２０に分離され、後者は、ライン１７において反応器９からのメタノール流と一緒にされる。

例１
上記のタイプ１の方法及び反応器のための反応器設計及びプロセス条件を、次の予め決められた値に基づいて以下の等式を用いて決定する。
Ｐ＝合成ガス入口での１２．５５ＭＰａ反応器圧力；
反応器入口での合成ガス組成：
Ｙ（ＣＨ_３ＯＨ）＝０．２５５；Ｙ（Ｈ_２）＝０．４３８；Ｙ（ＣＯ）＝０．１４８；Ｙ（ＣＯ_２）＝０．０７５；Ｙ（Ｈ_２Ｏ）＝０．００６
触媒粒子の相当径：
ＤＥＱ＝０．００６ｍ
ＴＢＷ＝１３０℃、ｚ＝５の所定の設計値をもって、反応器内部の冷却表面上でのメタノールの最適な凝縮を有する以下の反応器設計を次のように決定することができる：
Ｚ＝ＶＣＡＴ／（ＡＣＯＯＬ＊ＤＥＱ）及びＺ及びＤＥＱが既知であるので、ＶＣＡＴ／ＡＣＯＯＬは、ＶＣＡＴ／ＡＣＯＯＬ＝５＊０．００６ｍ＝０．０３ｍと計算することができる。

タイプ１の多管式反応器では、ＶＣＡＴ／ＡＣＯＯＬの比率は、管の内径の１／４に等しく、管の内径は０．１２ｍとなる。

平均液状冷却剤温度ＴＢＷを１３０℃に維持するために、５．０ＭＰａ及び１１０℃の加圧されたボイラー供給水を反応器の冷却のために使用し、冷却剤の流れを、１５０℃の冷却剤出口温度を得るために調節して、１３０℃の平均冷却剤温度を得る。

Claims (22)

1. メタノールの製造方法であって、
   水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む合成ガスを、冷却剤で間接的に冷却されたメタノール合成触媒粒子の固定床反応器中で反応させるステップ、及び
   冷却剤の圧力を調節して６０℃〜１７０℃の冷却剤の沸点（ＴＢＷ）を供することによって、メタノールをそれが製造された時に冷却表面上で凝縮させるステップ、及び
   冷却剤の上記の供された沸点において冷却表面積（ＡＣＯＯＬ）を、冷却表面積（ＡＣＯＯＬ）に対する沈定触媒嵩体積（ＶＣＡＴ）の比率が０．０１２５ｍ〜０．１２５ｍとなるように調節することによって、触媒温度をメタノールの露点より高い温度に維持するステップ、
   を含む上記方法。
2. メタノールの製造方法であって、
   水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む合成ガスを、冷却剤で間接的に冷却されたメタノール合成触媒粒子の固定床反応器中で反応させるステップ、及び
   冷却剤の圧力を調節して６０℃〜１７０℃の冷却剤の沸点（ＴＢＷ）を供することによって、メタノールをそれが製造された時に冷却表面上で凝縮するステップ、及び
   冷却表面積（ＡＣＯＯＬ）を、冷却表面積（ＡＣＯＯＬ）と触媒の相当径（ＤＥＱ）との積に対する沈定触媒嵩体積の比率（Ｚ）が２．０〜３０となるように調節することによって、触媒温度をメタノールの露点よりも高い温度に維持するステップ、
   を含み、ここで触媒の相当径は、以下の等式、すなわち
   ＤＥＱ_１＝（６＊（メタノール合成触媒の一つの粒子の体積［ｍ^３］／３．１４）^０．３３（これは触媒粒子が同じ大きさの場合）、または
   ＤＥＱ_２＝（Σｗ（ｉ）＊（ＤＥＱ（ｉ）^３））^０．３３
   ［式中、ｗ（ｉ）は、ＤＥＱ（ｉ）の相当径［ｍ］を有する触媒粒子の重量割合である］
   によって計算される、上記方法。
3. メタノール触媒粒子の温度が、２２０℃〜２８０℃の沸点を有する加圧水、２２０℃〜２８０℃の露点を有する蒸気またはこれらの混合物などの加熱剤によってメタノールの露点より高い温度に維持され、この際、加熱剤は、冷却領域の表面（ＡＣＯＯＬ）に対する加熱手段の表面の比率が０．３〜３．０となるような表面積を有する内部加熱手段に通される、請求項１または２の方法。
4. 冷却剤の沸点が１００℃〜１６０℃であり、かつ冷却表面積（ＡＣＯＯＬ）に対する触媒嵩体積（ＶＣＡＴ）の比率が０．０２ｍ〜０．０９ｍである、請求項１の方法。
5. 冷却剤の沸点が１００℃〜１６０℃であり、かつ比率Ｚが２．０〜１５である、請求項２の方法。
6. 請求項１の方法に使用するためのメタノール反応器であって、共通のシェル内に、メタノール触媒粒子の固定床と、メタノール合成ガスを冷却剤で間接的に冷却するのに適応した冷却手段とを含み、ここで冷却手段の冷却表面積に対する沈定触媒嵩体積の比率（ＶＣＡＴ／ＡＣＯＯＬ）が０．０１２５ｍ〜０．１２５ｍである、前記反応器。
7. 請求項２の方法で使用するためのメタノール反応器であって、共通のシェル内に、メタノール触媒の固定床と、メタノール合成ガスを冷却剤で間接的に冷却するように適応した冷却手段とを含み、ここで冷却手段の冷却表面の面積と触媒の相当径（ＤＥＱ）との積に対する触媒嵩体積の比率（Ｚ）が２．０〜３０であり、この際、触媒の相当径は、以下の等式、すなわち
   ＤＥＱ_１＝（６＊（メタノール合成触媒の一つの粒子の体積［ｍ^３］／３．１４）^０．３３
   （これは触媒粒子が同じ大きさの場合）、及び
   ＤＥＱ_２＝（Σｗ（ｉ）＊（ＤＥＱ（ｉ）^３））^０．３３
   （これは触媒粒子が異なる大きさの場合）
   ［式中、ｗ（ｉ）は、ＤＥＱ（ｉ）の相当径［ｍ］を有する触媒粒子の重量割合である］
   によって計算される、前記反応器。
8. 請求項３の方法に使用するためのメタノール反応器であって、共通のシェル内に、メタノール触媒粒子の固定床と、メタノール合成ガスを冷却剤で間接的に冷却するのに適応した冷却手段と、メタノール触媒の温度を加熱剤で間接的に維持するのに適応した加熱手段とを含み、ここで冷却手段に対する加熱手段の表面の表面比率が０．３〜３．０である、前記反応器。
9. 冷却手段の冷却表面積に対する沈定触媒嵩体積の比率（ＶＣＡＴ／ＡＣＯＯＬ）が０．０２ｍ〜０．０９ｍである、請求項６のメタノール反応器。
10. 比率Ｚが２〜１５である、請求項７のメタノール反応器。
11. 冷却手段の表面に隣接して内部フィルム安定化装備を更に含む、請求項６〜１０のいずれか一つのメタノール反応器。
12. メタノールの製造方法であって、
    水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む合成ガスを、冷却剤で間接的に冷却されたメタノール合成触媒粒子の固定床反応器中で反応させるステップ、及び
    冷却剤の圧力を調節して２０℃〜１７０℃の液状冷却剤の平均温度（ＴＢＷ）を供することによって、メタノールをそれが製造された時に冷却表面上で凝縮するステップ、及び
    冷却剤の上記の供された温度において冷却表面の面積（ＡＣＯＯＬ）を、冷却表面積（ＡＣＯＯＬ）に対する沈定触媒嵩体積（ＶＣＡＴ）の比率が０．０１２５ｍ〜０．１２５ｍとなるように調節することによって、触媒温度をメタノールの露点よりも高い温度に維持するステップ、
    を含む上記方法。
13. メタノールの製造方法であって、
    水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む合成ガスを、冷却剤で間接的に冷却されたメタノール合成触媒粒子の固定床反応器中で反応させるステップ、及び
    冷却剤の圧力を調節して２０℃〜１７０℃の冷却剤の平均温度（ＴＢＷ）を供することによってメタノールをそれが製造された時に冷却表面上で凝縮するステップ、及び冷却表面の面積（ＡＣＯＯＬ）を、冷却表面の面積（ＡＣＣＯＬ）と触媒の相当径（ＤＥＱ）との積に対する沈定触媒嵩体積の比率（Ｚ）が２．０〜３０となるように調節することによって、触媒温度をメタノールの露点よりも高い温度に維持するステップ、
    を含み、ここで触媒の相当径は、次の等式、すなわち
    ＤＥＱ_１＝（６＊（メタノール合成触媒の一つの粒子の体積［ｍ^３］／３．１４）^０．３３
    （これは触媒粒子が同じ大きさの場合）、または
    ＤＥＱ_２＝（Σｗ（ｉ）＊（ＤＥＱ（ｉ）^３））^０．３３
    ［式中、ｗ（ｉ）は、ＤＥＱ（ｉ）の相当径［ｍ］を有する触媒粒子の重量割合である］
    によって計算される、
    前記方法。
14. メタノール触媒粒子の温度を、２２０℃〜２８０℃の沸点を有する加圧水、２２０℃〜２８０℃の露点を有する蒸気またはこれらの混合物などの加熱剤によってメタノールの露点よりも高い温度に維持し、この際、前記加熱剤は、冷却領域の表面（ＡＣＯＯＬ）に対する加熱手段の表面の比率が０．３〜３．０となるような表面積を有する内部加熱手段に通される、請求項１２または１３の方法。
15. 液状冷却剤の平均温度が９０℃〜１６０℃であり、かつ冷却表面積（ＡＣＯＯＬ）に対する触媒嵩体積（ＶＣＡＴ）の比率が０．０２ｍ〜０．０９ｍである、請求項１２の方法。
16. 液状冷却剤の平均温度が９０℃〜１６０℃であり、かつ比率Ｚが２．０〜１５である、請求項１３の方法。
17. 請求項１２の方法に使用するためのメタノール反応器であって、共通のシェル内に、メタノール触媒粒子の固定床と、メタノール合成ガスを冷却剤で間接的に冷却するように適応した冷却手段とを含み、この際、冷却手段の冷却表面積に対する沈定触媒嵩体積の比率（ＶＣＡＴ／ＡＣＯＯＬ）が０．０１２５ｍ〜０．１２５ｍである、上記反応器。
18. 請求項１３の方法に使用するためのメタノール反応器であって、共通のシェル内に、メタノール触媒の固定床と、メタノール合成ガスを冷却剤で間接的に冷却するように適応した冷却手段とを含み、この際、冷却手段の冷却表面の面積と触媒の相当径（ＤＥＱ）との積に対する触媒嵩体積の比率（ｚ）が２．０〜３０であり、ここで触媒の相当径は、次の等式、すなわち
    ＤＥＱ_１＝（６＊（メタノール合成触媒の一つの粒子の体積［ｍ^３］／３．１４）^０．３３
    （これは触媒粒子が同じ大きさの場合）、及び
    ＤＥＱ_２＝（Σｗ（ｉ）＊（ＤＥＱ（ｉ）^３））^０．３３
    （これは触媒粒子が異なる大きさの場合）
    （式中、ｗ（ｉ）は、ＤＥＱ（ｉ）の相当径［ｍ］を有する触媒粒子の重量割合である）
    によって計算される、上記反応器。
19. 請求項１４の方法に使用するためのメタノール反応器であって、共通のシェル内に、メタノール触媒粒子の固定床と、メタノール合成ガスを冷却剤で間接的に冷却するように適応した冷却手段と、メタノール触媒の温度を加熱剤で間接的に維持するように適応した加熱手段とを含み、この際、冷却手段に対する加熱手段の表面の表面比率が０．３〜３．０である、前記反応器。
20. 冷却手段の冷却表面積に対する沈定触媒嵩体積の比率（ＶＣＡＴ／ＡＣＯＯＬ）が０．０２ｍ〜０．０９ｍである、請求項１７のメタノール反応器。
21. 比率Ｚが２〜１５である、請求項１８のメタノール反応器。
22. 冷却手段の表面に隣接した内部フィルム安定化装備を更に含む、請求項１７〜２１のいずれか一つのメタノール反応器。

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