JP4344846B2 - Method and apparatus for producing dimethyl ether - Google Patents

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この発明は、一酸化炭素と水素とを主原料としてジメチルエーテルを製造する方法及び装置に関する。   The present invention relates to a method and an apparatus for producing dimethyl ether using carbon monoxide and hydrogen as main raw materials.

一酸化炭素と水素とを主原料とする合成ガスから、ジメチルエーテル(DME)を直接製造する技術として、触媒微粒子を高沸点媒体油の中に懸濁させたスラリー反応器の中を原料ガスを通過させ反応させて、高収率でジメチルエーテルを合成させる技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。   As a technology for directly producing dimethyl ether (DME) from synthesis gas mainly composed of carbon monoxide and hydrogen, the raw material gas passes through a slurry reactor in which catalyst fine particles are suspended in a high boiling point medium oil. And a technique for synthesizing dimethyl ether in a high yield by reacting them (see, for example, Patent Document 1).

この一酸化炭素と水素とから直接ジメチルエーテルを合成する方法においては、下記(1)、(2)及び(3)の各式で表わされる、水素と一酸化炭素とから生成するメタノール合成、合成された上記メタノールからの脱水反応により生成するジメチルエーテル合成、及び上記ジメチルエーテル合成に伴って生成する水と一酸化炭素とが反応して水素を生成する3種類の反応が同時に進行する。   In the method of directly synthesizing dimethyl ether from carbon monoxide and hydrogen, synthesis and synthesis of methanol produced from hydrogen and carbon monoxide represented by the following formulas (1), (2) and (3) are performed. Furthermore, dimethyl ether synthesis produced by the dehydration reaction from methanol and three types of reactions in which water produced by the synthesis of dimethyl ether reacts with carbon monoxide to produce hydrogen simultaneously proceed.

CO+2H2→CH3OH ----------(1)
2CH3OH→CH3OCH3+H2O ----------(2)
2O+CO→H2+CO2----------(3)
CO + 2H 2 → CH 3 OH ---------- (1)
2CH 3 OH → CH 3 OCH 3 + H 2 O ---------- (2)
H 2 O + CO → H 2 + CO 2 ---------- (3)

(1)〜(3)式を総括すると下記(4)式の反応式で表わされる通り、水素と一酸化炭素とからジメチルエーテルと二酸化炭素とが等量生成することになる。   When the formulas (1) to (3) are summarized, as represented by the reaction formula of the following formula (4), dimethyl ether and carbon dioxide are produced in equal amounts from hydrogen and carbon monoxide.

3CO+3H2→CH3OCH3+CO2 ----------(4) 3CO + 3H 2 → CH 3 OCH 3 + CO 2 ---------- (4)

ところが、上記(1)〜(3)式の反応は平衡反応であり、また反応器内では投入した原料ガスが平衡に達するまでの充分な反応時間がとられないことが多いため、実際の合成プロセスにおいては、上記三つの反応が100%は進行しない。従って、上記三反応の総括である(4)式の反応は、100%は進行しない。従って、(4)式で表わされるような、原料の水素及び一酸化炭素が100%転化するということは起こらず、反応器から流出するガスには反応生成物であるDME及び二酸化炭素が生成される他に、反応中間生成物であるメタノール、水が副産物として生成される。また反応器から流出するガスには、未反応の水素及び一酸化炭素が含まれる。   However, the reactions of the above formulas (1) to (3) are equilibrium reactions, and in many cases, sufficient reaction time is not taken until the input raw material gas reaches equilibrium in the reactor. In the process, the above three reactions do not proceed 100%. Therefore, the reaction of the formula (4), which is a summary of the above three reactions, does not proceed 100%. Therefore, 100% conversion of the raw material hydrogen and carbon monoxide as represented by the formula (4) does not occur, and the reaction products DME and carbon dioxide are generated in the gas flowing out from the reactor. In addition, methanol and water as reaction intermediate products are produced as by-products. The gas flowing out from the reactor contains unreacted hydrogen and carbon monoxide.

従来、生成されるメタノールはジメチルエーテルと分離した後、製品としてさらに純化、または焼却処分していた。   Conventionally, the methanol produced is separated from dimethyl ether and then further purified or incinerated as a product.

しかし、少量生成されるメタノールを、天然ガスや石炭の生産地に建造したジメチルエーテル製造プラントから製品として出荷することは困難であり、ジメチルエーテルの収量の増大が望まれていた。   However, it is difficult to ship a small amount of methanol produced as a product from a dimethyl ether production plant built in a natural gas or coal production area, and an increase in the yield of dimethyl ether has been desired.

このため本出願人は、生成したメタノールを有効利用する方法として、反応器から流出するガスを冷却して得られるメタノールと水を主成分とした液体を反応器に戻し、ジメチルエーテルの収率を上昇させる方法を提案した(特許文献2参照)。   For this reason, as a method of effectively using the generated methanol, the present applicant returns a liquid mainly composed of methanol and water obtained by cooling the gas flowing out from the reactor to the reactor, thereby increasing the yield of dimethyl ether. The method of making it proposed (refer patent document 2).

特開平10−182528号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-182528 特開平10−182529号公報JP-A-10-182529

しかし、冷却温度制御によりメタノールを主成分とする液体を分離するのは難しく、冷却して得られる液体には、メタノールの他に必ずジメチルエーテル,水,二酸化炭素が含まれる。表1は、5MPaG、30℃での回収液中に移行するメタノール(MeOH)、ジメチルエーテル(DME),水(H2O),二酸化炭素(CO2)の各成分割合(冷却前ガス全量に対する比率)を示す。 However, it is difficult to separate a liquid mainly composed of methanol by controlling the cooling temperature, and the liquid obtained by cooling always contains dimethyl ether, water, and carbon dioxide in addition to methanol. Table 1 shows each component ratio of methanol (MeOH), dimethyl ether (DME), water (H 2 O), and carbon dioxide (CO 2 ) transferred to the recovered liquid at 5 MPaG and 30 ° C. (ratio to the total amount of gas before cooling). ).

Figure 0004344846
Figure 0004344846

ジメチルエーテルは30℃で生成量の20〜30%もが液化してしまう。反応生成物であるジメチルエーテル、二酸化炭素、水をそのまま反応器に戻すと、反応を阻害する。メタノール以外の成分を分離・廃棄する場合、ジメチルエーテルと二酸化炭素のロスになる(水は系外に取り出してよい)。   Dimethyl ether liquefies as much as 20 to 30% of the produced amount at 30 ° C. When the reaction products dimethyl ether, carbon dioxide and water are returned to the reactor as they are, the reaction is inhibited. When components other than methanol are separated and discarded, dimethyl ether and carbon dioxide are lost (water may be taken out of the system).

また、液体中に含まれる水を反応器に戻した場合、反応を阻害するだけでなく、ジメチルエーテル合成触媒の劣化が生ずる。   Moreover, when water contained in the liquid is returned to the reactor, not only the reaction is inhibited, but also the dimethyl ether synthesis catalyst is deteriorated.

本発明は、上記のような問題点を改善するためになされたもので、副産物として生成されるメタノールを有効利用し、ジメチルエーテルの収率を上昇させることができるジメチルエーテルの製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to improve the above-described problems, and provides a method for producing dimethyl ether that can effectively use methanol produced as a by-product and can increase the yield of dimethyl ether. Objective.

上記課題を解決するために、請求項1の発明は、一酸化炭素及び水素を含有する原料ガスを反応器に導入し、前記原料ガスを触媒反応させて、ジメチルエーテルを生成すると共に少なくとも二酸化炭素、メタノール及び水を副産物として生成するジメチルエーテルの製造方法において、反応器からの生成ガスを冷却して、ジメチルエーテル、二酸化炭素、メタノール及び水を含む液体(1)と、未反応ガス成分を含む気体とに分離し、得られた液体(1)から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素が分離された液体(2)からジメチルエーテルを分離し、二酸化炭素及びジメチルエーテルが分離された液体(3)からメタノールを分離し、分離された前記メタノールを前記反応器に戻すとともに、前記生成ガスを、二酸化炭素が分離された液体(2)、及び二酸化炭素及びジメチルエーテルが分離された液体(3)に、接触させることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, the invention of claim 1 introduces a raw material gas containing carbon monoxide and hydrogen into a reactor and causes the raw material gas to undergo a catalytic reaction to produce dimethyl ether and at least carbon dioxide, In the method for producing dimethyl ether that produces methanol and water as by-products, the product gas from the reactor is cooled to a liquid (1) containing dimethyl ether, carbon dioxide, methanol and water, and a gas containing unreacted gas components. Separate carbon dioxide from the obtained liquid (1), dimethyl ether from the liquid (2) from which carbon dioxide has been separated, and methanol from the liquid (3) from which carbon dioxide and dimethyl ether have been separated. The separated methanol is returned to the reactor, and the product gas is converted into a liquid (2) from which carbon dioxide is separated, and carbon dioxide. The liquid (3) which fine dimethyl ether are separated, and wherein the contacting.

請求項2の発明は、一酸化炭素及び水素を含有する原料ガスを触媒反応させて、ジメチルエーテルを生成すると共に少なくとも二酸化炭素、メタノール及び水を副産物として生成する反応器と、反応器からの生成ガスを冷却して、二酸化炭素、ジメチルエーテル、メタノール及び水を含む液体(1)と、未反応ガス成分を含む気体とに分離する気液分離装置と、得られた液体(1)から二酸化炭素を分離するCO 2 精製装置と、二酸化炭素が分離された液体(2)からジメチルエーテルを分離するDME精製装置と、二酸化炭素及びジメチルエーテルが分離された液体(3)からメタノールを分離するメタノール精製装置と、分離されたメタノールを前記反応器に戻すリサイクルラインと、を備え、前記気液分離装置では、前記生成ガスを、前記CO 2 精製装置により二酸化炭素が分離された液体(2)、及び前記DME精製装置によりジメチルエーテルが分離された液体(3)に、接触させることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is a reactor in which a raw material gas containing carbon monoxide and hydrogen is subjected to a catalytic reaction to produce dimethyl ether and at least carbon dioxide, methanol and water as byproducts, and a product gas from the reactor , And separates carbon dioxide from the resulting liquid (1) by separating the liquid (1) containing carbon dioxide, dimethyl ether, methanol and water into a gas (1) and a gas containing unreacted gas components. A CO 2 purification device, a DME purification device for separating dimethyl ether from a liquid (2) from which carbon dioxide has been separated, a methanol purification device for separating methanol from a liquid (3) from which carbon dioxide and dimethyl ether have been separated, and separation A recycle line for returning the methanol to the reactor, and in the gas-liquid separation device, the product gas is converted into the CO 2 purification device. The liquid (2) from which carbon dioxide has been separated by contact with the liquid (3) from which dimethyl ether has been separated by the DME purification apparatus is brought into contact.

本発明によれば、副生されるメタノールを有効利用し、ジメチルエーテルの収率を上昇させることができる。また、反応生成物であるジメチルエーテル、二酸化炭素及び水を反応器に戻すことが少なくなり、反応を阻害することもない。   According to the present invention, the by-produced methanol can be effectively used to increase the yield of dimethyl ether. Further, the reaction products dimethyl ether, carbon dioxide and water are less likely to be returned to the reactor, and the reaction is not hindered.

また、請求項又は請求項の発明によれば、ジメチルエーテル及び二酸化炭素の回収率を上げることができる。 Further, according to the invention of claim 1 or claim 2 , the recovery rate of dimethyl ether and carbon dioxide can be increased.

次にこの発明を、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明のジメチルエーテル(以下DMEという)製造装置の一実施形態(フロー図)を示す。図1において、1は天然ガスから一酸化炭素ガス(以下COという)及び水素ガス(以下H2という)を生成するリフォーマ、2はCO及びH2を含有する原料ガスからジメチルエーテルを生成するDME合成の反応器である。反応器2から流出する反応ガスを冷却して得られた液体からは、3つの分離塔3,4,5で順次、二酸化炭素(以下CO2という)、DME、メタノール(以下MeOHという)が分離・精製される。純化されたMeOHは、リサイクルライン6を介して反応器2に戻される。 Next, the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment (flow diagram) of an apparatus for producing dimethyl ether (hereinafter referred to as DME) of the present invention. In FIG. 1, 1 is a reformer that generates carbon monoxide gas (hereinafter referred to as CO) and hydrogen gas (hereinafter referred to as H 2 ) from natural gas, and 2 is a DME synthesis that generates dimethyl ether from a source gas containing CO and H 2. The reactor. Carbon dioxide (hereinafter referred to as CO 2 ), DME, and methanol (hereinafter referred to as MeOH) are sequentially separated from the liquid obtained by cooling the reaction gas flowing out from the reactor 2 in three separation towers 3, 4, and 5. -Purified. The purified MeOH is returned to the reactor 2 via the recycle line 6.

以下、この装置を、リフォーマ1から反応器2を経て、精製・分離されたDMEが回収されるに至る流れに沿って説明する。   Hereinafter, this apparatus will be described along the flow from the reformer 1 through the reactor 2 to the recovery of the purified and separated DME.

天然ガスはリフォーマ1でCO2、O2及びスチームと反応させられ、リフォーミング反応生成物が生成する。リフォーミング反応生成物は合成ガスコンプレッサ7の上流で冷却、脱水され(図では省略)、合成ガスコンプレッサ7から流出したリフォーミング反応生成物はCO2回収塔8で脱炭酸される。 Natural gas is reacted with CO 2 , O 2 and steam in the reformer 1 to produce a reforming reaction product. The reforming reaction product is cooled and dehydrated upstream of the synthesis gas compressor 7 (not shown), and the reforming reaction product flowing out of the synthesis gas compressor 7 is decarboxylated in the CO 2 recovery tower 8.

リフォーマ1で生成された合成ガスは、脱水・脱炭酸されてDME合成反応原料ガス(DME合成のメイクアップガス)になる。次いで、DME合成のメイクアップガスは、リサイクルガスライン10を流れてくる未反応ガス(CO及びH2)主体のリサイクルガス、及びリサイクルライン6を流れてくるMeOHと混合されて、DMEの原料ガスになる。 The synthesis gas generated by the reformer 1 is dehydrated and decarboxylated to become a DME synthesis reaction raw material gas (DME synthesis makeup gas). Next, the makeup gas for DME synthesis is mixed with unreacted gas (CO and H 2 ) -based recycle gas flowing through the recycle gas line 10 and MeOH flowing through the recycle line 6 to form DME source gas. become.

原料ガスは、反応器2の底部から供給される。反応器2では、原料を触媒反応させてDMEの合成反応を行う。反応器から流出する媒体油は、回収され、ポンプ11によって反応器2に戻される。   The source gas is supplied from the bottom of the reactor 2. In the reactor 2, the raw material is subjected to a catalytic reaction to perform a DME synthesis reaction. The medium oil flowing out from the reactor is recovered and returned to the reactor 2 by the pump 11.

以下、反応器2について詳述する。反応器2の方式は、固定床式、流動床式及びスラリー床式の内いずれであってもよい。特に、スラリー床式にあっては反応器内の温度が均一であり、副生物も少ないので望ましい。   Hereinafter, the reactor 2 will be described in detail. The system of the reactor 2 may be any of a fixed bed type, a fluidized bed type, and a slurry bed type. In particular, the slurry bed type is desirable because the temperature in the reactor is uniform and there are few by-products.

触媒については、上記(1)〜(3)の各反応を進行させてDMEを合成するために、メタノール合成触媒及びメタノール脱水触媒を使用し、適宜、水性シフト反応触媒を付加する。これらの機能を持つ触媒を適宜複合して使用する。   As for the catalyst, a methanol synthesis catalyst and a methanol dehydration catalyst are used in order to synthesize DME by proceeding with the reactions (1) to (3) above, and an aqueous shift reaction catalyst is appropriately added. A catalyst having these functions is appropriately combined and used.

メタノール合成触媒としては、通常、工業的に用いられる酸化銅−酸化亜鉛、酸化亜鉛−酸化クロム、酸化銅−酸化亜鉛/酸化クロム、及び酸化銅−酸化亜鉛/アルミナ等を用いる。メタノール脱水触媒としては、酸塩基触媒であるγ−アルミナ、シリカ、シリカ・アルミナ、及びゼオライト等を用いる。ここで、ゼオライトの金属酸化物成分としては、ナトリウム及びカリウム等のアルカリ金属の酸化物、並びにカリウム及びマグネシウム等のアルカリ土族の酸化物等を用いる。なお、メタノール合成触媒は、強いシフト触媒活性を有するので、水性ガスシフト触媒を兼ねることができる。このようにメタノール脱水触媒と水性ガスシフト触媒とを兼ねるものとして、アルミナ担持酸化銅触媒を用いることができる。   As the methanol synthesis catalyst, industrially used copper oxide-zinc oxide, zinc oxide-chromium oxide, copper oxide-zinc oxide / chromium oxide, copper oxide-zinc oxide / alumina and the like are usually used. As the methanol dehydration catalyst, γ-alumina, silica, silica-alumina, zeolite, and the like, which are acid-base catalysts, are used. Here, as the metal oxide component of zeolite, alkali metal oxides such as sodium and potassium, alkaline earth oxides such as potassium and magnesium, and the like are used. In addition, since the methanol synthesis catalyst has a strong shift catalytic activity, it can also serve as a water gas shift catalyst. As described above, an alumina-supported copper oxide catalyst can be used as a methanol dehydration catalyst and a water gas shift catalyst.

上記三触媒の混合割合は、特に限定する必要はなく、各成分の種類あるいは反応条件等に応じて適宜選定すればよい。但し、通常は重量比で、メタノール合成触媒に対してメタノール脱水触媒を0.1〜5程度、望ましくは0.2〜2程度と、水性ガス触媒を0.2〜5程度、望ましくは0.5〜3程度とを混合する。メタノール合成触媒と水性ガスシフト触媒とを同一物質とし、メタノール合成触媒に水性ガスシフト触媒を兼ねさせる場合には、両触媒を合算した量のメタノール合成触媒を用いるものとする。   The mixing ratio of the three catalysts is not particularly limited, and may be appropriately selected according to the type of each component or reaction conditions. However, the weight ratio is usually about 0.1-5, preferably about 0.2-2 for the methanol dehydration catalyst and about 0.2-5 for the water gas catalyst, preferably about 0.2. About 5 to 3 are mixed. In the case where the methanol synthesis catalyst and the water gas shift catalyst are the same substance and the methanol synthesis catalyst also serves as the water gas shift catalyst, the total amount of the methanol synthesis catalyst is used.

触媒の形態について、スラリー床式反応器を用いる場合には、平均粒径:300μm以下、望ましくは1〜200μm、一層望ましくは10〜150μm程度に粉砕したものがよい。更に効果的に使用するために、適宜、上記混合粉体を圧密・成型し、再度粉砕し、上記粒度に調製したものを使用する。   As for the form of the catalyst, when a slurry bed reactor is used, the average particle diameter is preferably 300 μm or less, desirably 1 to 200 μm, more desirably about 10 to 150 μm. In order to use it more effectively, the mixed powder is appropriately compacted and molded, pulverized again, and prepared to the above particle size.

スラリー床式反応器を用いる場合の媒体油としては、反応条件下において液体状態を安定して維持するものでなければならない。例えば、脂肪族、芳香族及び脂環族の炭化水素、アルコール、エーテル、エステル、ケトン及びハロゲン化物、並びにこれらの化合物の混合物等を使用する。溶媒中に存在させる触媒量は、溶媒の種類及び反応条件等によって適宜きめるが、通常、溶媒に対して1〜50重量%程度が望ましい。   In the case of using a slurry bed type reactor, the medium oil must stably maintain a liquid state under the reaction conditions. For example, aliphatic, aromatic and alicyclic hydrocarbons, alcohols, ethers, esters, ketones and halides, and mixtures of these compounds are used. The amount of the catalyst to be present in the solvent is appropriately determined depending on the kind of the solvent and the reaction conditions.

スラリー床式反応器における反応条件として、反応温度は150〜400℃の範囲内が望ましく、特に、250〜350℃の範囲内が望ましい。反応温度が150℃より低くても、また400℃より高くても、原料ガス中のCOの転化率が低くなる。反応圧力は、10〜300kg/cm2 Gの範囲内、特に望ましくは20〜70kg/cm2 Gの範囲内がよい。反応圧力が10kg/cm2 Gよりも低いとCOの転化率が低く、一方300kg/cm2 Gよりも高いと、反応器が特殊のものとなる他、昇圧のために多大なエネルギーを要するので経済的でない。空間速度(触媒1kg当たりの標準状態における原料ガスの供給速度)は、100〜50000Nl/kg・hが望ましく、特に500〜7500Nl/kg・hが望ましい。空間速度が50000Nl/kg・hよりも大きいと、COの転化率が低くなり、一方、100Nl/kg・hよりも小さいと、反応器が極端に大きくなり経済的でない。 As reaction conditions in the slurry bed type reactor, the reaction temperature is preferably in the range of 150 to 400 ° C, and particularly preferably in the range of 250 to 350 ° C. Even if the reaction temperature is lower than 150 ° C. or higher than 400 ° C., the conversion rate of CO in the raw material gas is lowered. The reaction pressure is preferably in the range of 10 to 300 kg / cm 2 G, particularly preferably in the range of 20 to 70 kg / cm 2 G. If the reaction pressure is lower than 10 kg / cm 2 G, the CO conversion is low. On the other hand, if the reaction pressure is higher than 300 kg / cm 2 G, the reactor becomes special, and a large amount of energy is required for pressurization. Not economical. The space velocity (feeding rate of the raw material gas per kg of catalyst) is preferably 100 to 50000 Nl / kg · h, and particularly preferably 500 to 7500 Nl / kg · h. If the space velocity is greater than 50000 Nl / kg · h, the CO conversion is low, while if it is less than 100 Nl / kg · h, the reactor becomes extremely large and not economical.

こうして、反応器2で得られる反応ガス中には、反応生成物であるDME及びCO2、反応中間生成物であるCH3OH及びH2O、未反応のH2及びCO、原料ガスに含まれていた不純物等が含まれる。反応ガスの成分組成は、通常、DME:3〜25%、CO2:3〜25%、CO:20〜50%、H2:20〜50%、CH3OH:0.5〜3%、H2O:0.1〜0.5%、及びその他:5%程度以下である。 Thus, the reaction gas obtained in the reactor 2 includes DME and CO 2 as reaction products, CH 3 OH and H 2 O as reaction intermediate products, unreacted H 2 and CO, and raw material gas. Impurities etc. that have been included are included. The component composition of the reaction gas, typically, DME: 3~25%, CO 2 : 3~25%, CO: 20~50%, H 2: 20~50%, CH 3 OH: 0.5~3%, H 2 O: 0.1 to 0.5%, and other: about 5% or less.

次に、反応器2からの生成ガスを熱交換器12により冷却して、気液分離器13によりDME、CO2、MeOH及びH2Oを含む液体(1)と、未反応ガス成分を含む気体とに分離する。これら熱交換器12及び気液分離器13が、気液分離装置を構成する。この冷却によって、DME、MeOH及びH2Oを含む液体(1)が凝縮し、CO2は凝縮したDMEに溶解する。冷却温度は−10°〜−60℃程度、好ましくは−40℃〜−50℃程度が適当であり、その際の圧力は1〜30MPa程度、好ましくは1.5〜15MPa程度である。 Next, the product gas from the reactor 2 is cooled by the heat exchanger 12, and the liquid (1) containing DME, CO 2 , MeOH and H 2 O and the unreacted gas component are contained by the gas-liquid separator 13. Separated into gas. These heat exchanger 12 and gas-liquid separator 13 constitute a gas-liquid separator. By this cooling, the liquid (1) containing DME, MeOH and H 2 O is condensed, and CO 2 is dissolved in the condensed DME. The cooling temperature is about −10 ° to −60 ° C., preferably about −40 ° C. to −50 ° C., and the pressure at that time is about 1 to 30 MPa, preferably about 1.5 to 15 MPa.

図2は気液分離器13の詳細図を示す。冷却器である熱交換器12の出口側に気液分離器13が接続されている。気液分離器13は、内部にラシヒリング等の充填物層14,14が2段に配置されており、下部は液溜になっている。各充填物層14,14の上方の空間にはノズルが充填物層の上面に略均一に噴霧しうるように配置されている。気液分離器13の液溜と下段の充填物層14の間の空間には熱交換器で冷却された生成ガスの入口が設けられ、底部にはDME、CO2及びMeOHを含む液相の出口が、頂部には未反応ガスを含む気相の出口がそれぞれ設けられている。上段の充填物層14の上方の空間のノズルにはメタノール供給管が、そして、下段の充填物層14の上方の空間のノズルにはDME供給管が接続されている。 FIG. 2 shows a detailed view of the gas-liquid separator 13. A gas-liquid separator 13 is connected to the outlet side of the heat exchanger 12 that is a cooler. The gas-liquid separator 13 has packing layers 14 and 14 such as Raschig rings arranged in two stages, and a lower part is a liquid reservoir. In the space above each of the packing layers 14, 14, a nozzle is disposed so as to spray substantially uniformly on the upper surface of the packing layer. The space between the liquid reservoir of the gas-liquid separator 13 and the lower packed bed 14 is provided with an inlet for a product gas cooled by a heat exchanger, and a liquid phase containing DME, CO 2 and MeOH at the bottom. A gas-phase outlet containing unreacted gas is provided at the top, respectively. A methanol supply pipe is connected to the nozzle in the space above the upper packing layer 14, and a DME supply pipe is connected to the nozzle in the space above the lower packing bed 14.

この気液分離器13のノズルからは、後述するCO2分離塔3の下部液(CO2分離塔によりCOが分離された液体(2)、すなわち粗DME)、及び後述するDME分離塔4の下部液(DMEが分離された液体(3)、すなわち粗MeOH)が噴出され、これらの吸収液を生成ガスに接触させる。粗DMEと粗MeOHの供給時期は、生成ガス中のDMEの凝縮前又は凝縮中でもよいが、凝縮後の生成ガス、すなわち未反応ガスを含む気相に接触するように供給するのが効率的である。DMEとMeOHはいずれを先に供給してもよく、あるいは同時であってもよい。さらに予め混合してその混合物を供給してもよい。しかし、図2のような吸収塔を用いてDME凝縮後の生成ガスを処理する場合は、先にDME、次にMeOHと接触させることが、排出ガス中のDME濃度を低下させることになり望ましい。 From the nozzle of the gas-liquid separator 13, lower liquid (CO 2 separating column liquid (2 CO 2 is separated by), i.e. the crude DME) in the CO 2 separation column 3 to be described later, and described later DME separation column 4 The lower liquid (liquid (3) from which DME is separated, ie, crude MeOH) is ejected, and these absorbing liquids are brought into contact with the product gas. The supply timing of the crude DME and the crude MeOH may be before or during the condensation of the DME in the product gas, but it is efficient to supply the product after the condensation so that it contacts the gas phase containing the unreacted gas. is there. Either DME or MeOH may be supplied first or simultaneously. Further, the mixture may be supplied by mixing in advance. However, when processing the product gas after DME condensation using an absorption tower as shown in FIG. 2, it is desirable to first contact with DME and then MeOH, because this will reduce the DME concentration in the exhaust gas. .

CO2分離塔下部液(粗DME)、DME分離塔下部液(粗MeOH)を気液分離器13のガスと接触させることにより、CO2、DMEの回収率が上がる。反応器2にリサイクルされるガス中のDME濃度を下げるためには、CO2、DMEを含まないMeOHが必要である。DME分離塔4があると、MeOH吸収液の供給と、CO2、DMEを含まないMeOHの反応器への供給が可能となり、DMEの回収量、生成量が増加する。 By bringing the CO 2 separation tower lower liquid (crude DME) and the DME separation tower lower liquid (crude MeOH) into contact with the gas in the gas-liquid separator 13, the CO 2 and DME recovery rates are increased. In order to lower the DME concentration in the gas recycled to the reactor 2, MeOH containing no CO 2 or DME is required. The presence of the DME separation tower 4 makes it possible to supply the MeOH absorbing solution and supply the MeOH containing no CO 2 and DME to the reactor, thereby increasing the amount of DME recovered and generated.

分離されたCOとH2を主成分とする未反応ガス、及び少量の不純物ガスを含むガスは、リサイクルガスとなる。リサイクルガスの大部分はリサイクルガスライン10を通って、DME合成のメイクアップガスと混合される。こうして混合された原料ガスが反応器2の底部から供給される。 The separated unreacted gas mainly composed of CO and H 2 and a gas containing a small amount of impurity gas become a recycle gas. Most of the recycle gas passes through the recycle gas line 10 and is mixed with the makeup gas of DME synthesis. The mixed raw material gas is supplied from the bottom of the reactor 2.

MeOH,H2O,CO2及びDMEを主成分とする液体(1)は、CO2分離塔3(CO2精製装置)に投入され、まずCO2が分離される。CO2分離塔3では、例えば蒸留により、CO2を分離・精製する。 The liquid (1) mainly composed of MeOH, H 2 O, CO 2 and DME is put into the CO 2 separation tower 3 (CO 2 purification apparatus), and CO 2 is first separated. In the CO 2 separation tower 3, CO 2 is separated and purified by distillation, for example.

CO2分離塔3でCO2が分離された液体(2)は、DME分離塔4(DME精製装置)に投入され、DMEが分離される。DME分離塔4は、例えば蒸留により、DMEを分離・精製する。精製された高純度のDMEは、DMEラインを通って成品として回収される。 The liquid (2) from which CO 2 has been separated by the CO 2 separation tower 3 is charged into the DME separation tower 4 (DME purification apparatus), and DME is separated. The DME separation column 4 separates and purifies DME, for example, by distillation. The purified high purity DME is recovered as a product through the DME line.

CO2及びDMEが分離された液体(3)は、MeOH及びH2Oを主成分とする。この液体は、メタノール分離塔5(メタノール精製装置)に投入され、MeOHが分離される。メタノール分離塔5は、例えば蒸留により、95質量%以上の純度のMeOHを分離・精製する。 The liquid (3) from which CO 2 and DME are separated is mainly composed of MeOH and H 2 O. This liquid is put into the methanol separation tower 5 (methanol purification apparatus), and MeOH is separated. The methanol separation column 5 separates and purifies MeOH having a purity of 95% by mass or more by, for example, distillation.

分離された高純度のMeOHは、リサイクルライン6を通って、DME合成のメイクアップガス中に投入され、気化される。こうしてMeOHが混合された原料ガスが反応器2の底部から供給される。   The separated high-purity MeOH is introduced into the makeup gas for DME synthesis through the recycle line 6 and vaporized. Thus, the raw material gas mixed with MeOH is supplied from the bottom of the reactor 2.

本実施形態によれば、MeOHが精製され、H2Oが反応器2に投入されないため、触媒の劣化がない。また、H2O、CO2及びDMEが反応器に投入されないため、DMEの生成反応が阻害されない、という利点がある。また気液分離器13に粗MeOH(3)を循環させ、かつ反応器に高純度MeOHを供給し、MeOHを系外に排出しないという効率的なプロセスが成立する。 According to this embodiment, since MeOH is purified and H 2 O is not charged into the reactor 2, there is no deterioration of the catalyst. Further, since H 2 O, CO 2 and DME are not charged into the reactor, there is an advantage that the DME production reaction is not inhibited. In addition, an efficient process is established in which crude MeOH (3) is circulated through the gas-liquid separator 13, high purity MeOH is supplied to the reactor, and MeOH is not discharged out of the system.

図3は、MeOHを反応器に戻したときの生成物の組成を調べるための実験装置を示す。実験装置は、実際のDMEの製造装置よりも小規模のものになっている。   FIG. 3 shows an experimental apparatus for examining the composition of the product when MeOH is returned to the reactor. The experimental apparatus is smaller than an actual DME manufacturing apparatus.

反応器には、原料ガスとしてCO及びH2が供給される。反応器内のスラリーは、下記の表2に示されるとおり、触媒388g、媒体油1552gから構成される。 The reactor is supplied with CO and H 2 as source gases. As shown in Table 2 below, the slurry in the reactor is composed of 388 g of catalyst and 1552 g of medium oil.

Figure 0004344846
Figure 0004344846

反応器2での反応条件は、下記の表3に示されるとおり、温度260℃、圧力5MPaGである。   As shown in Table 3 below, the reaction conditions in the reactor 2 are a temperature of 260 ° C. and a pressure of 5 MPaG.

Figure 0004344846
Figure 0004344846

反応器からの生成ガスは、熱交換器で30℃に冷却され、気液分離器でMeOH及びH2Oを主成分とする液体と、未反応ガス成分、CO2、DMEを含む気体とに分離される。気液分離器で回収した液体は、気液分離器から減圧弁を通して抜出し、常圧にして、CO2、DMEを揮発させ、MeOH及びH2Oを液体として得た。減圧時に発生したガスは、ガスメータを用いて流量を測定した後、ガスクロマトグラフで組成を分析した。得られた液体は、重量測定の後、ガスクロマトグラフで組成を分析した。気液分離器で分離した気体は、ガスメータを用いて流量を測定した後、ガスクロマトグラフで組成を分析した。 The product gas from the reactor is cooled to 30 ° C. by a heat exchanger, and is converted into a liquid containing MeOH and H 2 O as main components and a gas containing unreacted gas components, CO 2 and DME, in a gas-liquid separator. To be separated. The liquid recovered by the gas-liquid separator was extracted from the gas-liquid separator through a pressure reducing valve and brought to normal pressure, and CO 2 and DME were volatilized to obtain MeOH and H 2 O as liquids. The gas generated at the time of depressurization was analyzed for composition by a gas chromatograph after measuring the flow rate using a gas meter. The composition of the obtained liquid was analyzed by gas chromatography after weighing. The gas separated by the gas-liquid separator was measured for the composition using a gas chromatograph after measuring the flow rate using a gas meter.

この実験では、気液分離器から得られる気体と液体中に含まれるMeOH総量に相当する量を反応器に戻す。ここで、原料ガスは110℃に予熱し、MeOHは120℃に予熱している。この実験条件で原料ガス中に噴霧されたMeOHは完全に気化した。   In this experiment, the gas obtained from the gas-liquid separator and the amount corresponding to the total amount of MeOH contained in the liquid are returned to the reactor. Here, the source gas is preheated to 110 ° C., and MeOH is preheated to 120 ° C. MeOH sprayed into the raw material gas under this experimental condition was completely vaporized.

なお、原料ガスとして反応器に供給されるCO及びH2の流量は各々18NL/min程度であり、生成物が蒸留塔を安定して運転できるだけの量にならないため、蒸留塔までは設けられていない。 Note that the flow rates of CO and H 2 supplied to the reactor as raw material gases are about 18 NL / min, respectively, and the product does not have an amount sufficient to stably operate the distillation column. Absent.

表4は、MeOHを反応器に入れない場合(比較例)と、MeOHを反応器に入れた場合(実施例)とでの生成物の組成の比較を示す。   Table 4 shows a comparison of the product composition when no MeOH was added to the reactor (Comparative Example) and when MeOH was added to the reactor (Example).

Figure 0004344846
Figure 0004344846

原料H2、CO流量はマスフローメータで測定した。MeOHはマイクロポンプで投入した重量速度からガス流量に換算した。生成物は、ガス流量測定とガスクロマトグラフ分析の結果、および回収液の重量測定とガスクロマトグラフ分析の結果より算出した。「水冷回収液MeOH濃度」は、生成ガスを30℃に冷却して回収した液体を常圧としてDME・CO2を揮発させ、残ったH2O・MeOHをガスクロマトグラフで分析したMeOH濃度である。回収した液中には、生成DMEも20〜25%が溶解する。 The raw material H 2 and CO flow rate were measured with a mass flow meter. MeOH was converted to a gas flow rate from the weight speed charged by the micropump. The product was calculated from the results of gas flow rate measurement and gas chromatographic analysis, and the weight measurement of recovered liquid and the results of gas chromatographic analysis. The “water-cooled recovered liquid MeOH concentration” is a MeOH concentration obtained by cooling the product gas to 30 ° C. and evaporating DME · CO 2 under normal pressure and analyzing the remaining H 2 O · MeOH by gas chromatography. . In the collected liquid, 20-25% of the produced DME is dissolved.

比較例、実施例とも原料のCOとH2の流量が同じになっている。実施例では、MeOHを入れた分、触媒の負荷が上がるので、原料のCOとHの流量を減らすことも考えられるが、比較例の流量を保ったままにした。実施例で生成物中のCOとH2の流量が増えていれば、DMEに変わらなかった原料があることになるが、生成物中のCOとH2の流量はほとんど変わらなかった。むしろMeOHを入れた方が、生成物中のCOとHの流量の合算は減っていた。また、生成物中のDMEの量は、MeOHを入れた分増えており、生成物中のMeOHの量は、増えていなかった。この実験では、反応器に入れたメタノールは全て反応器の中で処理されている。この実験から、投入する原料のCOとHの流量を減らすことなく、また生成物中のCOとH2の流量が増えることもないので、廃棄するパージガスを増加させる必要がないことがわかった。 In the comparative example and the example, the flow rates of the raw material CO and H 2 are the same. In the examples, since the load of the catalyst is increased by adding MeOH, it is possible to reduce the flow rates of the raw material CO and H 2 , but the flow rate of the comparative example was kept. If increasing CO and the flow rate of H 2 product in Example, but there will be material did not change in DME, CO of the flow rate of H 2 in the product hardly changes. Rather, the total flow rate of CO and H 2 in the product was reduced when MeOH was added. Further, the amount of DME in the product was increased by adding MeOH, and the amount of MeOH in the product was not increased. In this experiment, all the methanol in the reactor is processed in the reactor. From this experiment, without reducing the flow rate of CO and H 2 of the raw material to be introduced, also the flow rate of CO and H 2 in the product nor increase, it was found that it is not necessary to increase the purge gas to be discarded .

すなわち実験によると、反応器2から排出される量すべてのMeOHを投入しても、COとH2の転化率はほとんど変化せず、投入したMeOHに相当する分に相当するDMEが増産された。一方、反応器2から排出されるMeOH量は殆ど変わらない。さらに、排出される量以上のMeOHを投入しても、投入したMeOHに相当する分のDMEが増産された。このように余剰にMeOHを処理できるから、系外から搬入されるMeOHを処理することも可能である。 That is, according to the experiment, even when all the amount of MeOH discharged from the reactor 2 was added, the conversion rate of CO and H 2 hardly changed, and DME corresponding to the amount corresponding to the added MeOH was increased. . On the other hand, the amount of MeOH discharged from the reactor 2 hardly changes. Furthermore, even if more MeOH than the amount to be discharged was added, the amount of DME corresponding to the added MeOH was increased. Thus, since MeOH can be processed excessively, it is also possible to process MeOH carried in from outside the system.

MeOHは、DME合成反応の中間生成物であり、これを投入することは反応を阻害してDME収量を増加させないことも考えられた。つまり、反応器がDMEを生成できる量が限られていて、MeOHを投入した分、COとH2が反応せずに未反応ガスとして残ってしまうのではないかと考えられた。しかし、反応器入口からMeOHを投入すると、同一の触媒量であってもDME製造量が増加している。 MeOH is an intermediate product of the DME synthesis reaction, and it was also considered that adding this would inhibit the reaction and not increase the DME yield. In other words, the amount of DME that can be produced by the reactor was limited, and it was thought that CO and H 2 would not react and remain as unreacted gas as much as MeOH was added. However, when MeOH is introduced from the reactor inlet, the amount of DME produced increases even with the same amount of catalyst.

これは、反応器2の下部ではメタノール脱水触媒の能力に余裕があるため、この部分を有効に利用しているためと思われる。スラリー反応床の反応器2は、縦長の構造になっていて、上の方と下の方とで上記(1)〜(3)式を進行させる部分がある。反応器2の下の方では、上記(1)式により、HとCOとからMeOHが生成されるが、(2)式を進行させる脱水触媒、及び上記(3)式を進行させるシフト触媒が遊んでいる可能性がある。反応器2の下の方にMeOHが投入されると、脱水触媒及びシフト触媒により、上記(2)及び(3)式が進行し、DME製造量が増大するものと思われる。 This seems to be because the methanol dehydration catalyst has sufficient capacity in the lower part of the reactor 2 and this portion is effectively used. The reactor 2 of the slurry reaction bed has a vertically long structure, and there is a portion in which the above formulas (1) to (3) are advanced on the upper side and the lower side. In the lower part of the reactor 2, MeOH is generated from H 2 and CO according to the above equation (1), and a dehydration catalyst that advances the equation (2) and a shift catalyst that advances the equation (3). May be playing. When MeOH is introduced into the lower part of the reactor 2, the above formulas (2) and (3) are advanced by the dehydration catalyst and the shift catalyst, and the production amount of DME is considered to increase.

図4は、反応器2に投入するMeOHのMeOH純度を変化させた場合のCO転化率の経時変化を示す。MeOHに蒸留水(H2O)を混合して、所定純度のMeOHとした。原料投入量は実施例と同じである。ただし、MeOH量はH2O+MeOH中のMeOH成分の量とした。原料投入量は実施例と同じである。MeOH純度が下がると、H2・CO・MeOHの流量は変化しないが、H2O量が増加することになる。CO転化率は、原料のCOがどれだけ生成物に変わったかを示す値である。MeOH純度が95質量%だとCO転化率がほとんど落ちないのに対し、MeOH純度が80質量%だとCO転化率が若干低下するのがわかった。すなわち、MeOH純度95質量%では経時変化が無視できるが、MeOH純度95質量%では経時劣化が無視できない。 FIG. 4 shows the change over time in the CO conversion rate when the MeOH purity of MeOH charged into the reactor 2 is changed. Distilled water (H 2 O) was mixed with MeOH to obtain MeOH having a predetermined purity. The amount of raw material input is the same as in the example. However, the amount of MeOH was the amount of MeOH component in H 2 O + MeOH. The amount of raw material input is the same as in the example. When the MeOH purity decreases, the flow rate of H 2 · CO · MeOH does not change, but the amount of H 2 O increases. The CO conversion rate is a value indicating how much CO in the raw material has been changed to a product. It was found that the CO conversion rate hardly decreased when the MeOH purity was 95% by mass, whereas the CO conversion rate slightly decreased when the MeOH purity was 80% by mass. That is, the change with time can be ignored when the MeOH purity is 95% by mass, but the deterioration with time cannot be ignored when the MeOH purity is 95% by mass.

なお本発明は、上記実施形態に限られず、種々変更可能である。例えば、本発明は、DMEとCO2とが等量生成される上記(4)式の総括反応を利用した製造方法に限られることはなく、DMEの合成に伴ってMeOHを副産物として生成する製造方法一般に適用することができる。 In addition, this invention is not restricted to the said embodiment, A various change is possible. For example, the present invention is not limited to the production method using the general reaction of the above formula (4) in which DME and CO 2 are produced in equal amounts, and production in which MeOH is produced as a by-product with the synthesis of DME. The method can be generally applied.

また、上記実施形態では、一段階の気液分離装置で、DME、CO2、MeOH及びHを含む液体と、未反応ガス成分を含む気体とに分離しているが、二段階の気液分離装置で分離してもよい。この場合、まず一段目の気液分離装置で生成ガスを例えば30℃程度に冷却してMeOH及びH2Oを主成分とする液体を得る。次に、二段目の気液分離装置で生成ガスを例えば−30〜−50℃程度に冷却してCO2が溶け込んだDMEの液体を得る。そして、一段目の気液分離装置で分離したMeOH及びH2Oを主成分とする液体から、MeOHを精製し、該MeOHを反応器に戻してもよい。 Further, in the above embodiment, the one-stage gas-liquid separation device separates the liquid containing DME, CO 2 , MeOH, and H 2 into the gas containing the unreacted gas component. You may isolate | separate with a separation apparatus. In this case, first, the product gas is cooled to, for example, about 30 ° C. in the first-stage gas-liquid separator to obtain a liquid mainly composed of MeOH and H 2 O. Next, the product gas is cooled to, for example, about −30 to −50 ° C. in the second stage gas-liquid separation device to obtain a DME liquid in which CO 2 is dissolved. Then, MeOH may be purified from a liquid mainly composed of MeOH and H 2 O separated by the first-stage gas-liquid separator, and the MeOH may be returned to the reactor.

DME製造装置の一例のフロー図。The flowchart of an example of a DME manufacturing apparatus. 気液分離器を示す詳細図。Detailed view showing a gas-liquid separator. MeOHを反応器に戻したときの生成物の組成を調べるための実験装置。Experimental apparatus for examining the composition of the product when MeOH is returned to the reactor. MeOH純度を変化させた場合のCO転化率の経時変化を示すグラフ。The graph which shows the time-dependent change of CO conversion rate when changing MeOH purity.

符号の説明Explanation of symbols

2…反応器
3…CO2分離塔(CO2精製装置)
4…DME分離塔(DME精製装置)
5…メタノール分離塔(メタノール精製装置)
6…リサイクルライン
2 ... reactor 3 ... CO 2 separation column (CO 2 purification apparatus)
4 ... DME separation tower (DME purification equipment)
5 ... Methanol separation tower (methanol purification equipment)
6 ... Recycling line

Claims (2)

一酸化炭素及び水素を含有する原料ガスを反応器に導入し、前記原料ガスを触媒反応させて、ジメチルエーテルを生成すると共に少なくとも二酸化炭素、メタノール及び水を副産物として生成するジメチルエーテルの製造方法において、
反応器からの生成ガスを冷却して、ジメチルエーテル、二酸化炭素、メタノール及び水を含む液体(1)と、未反応ガス成分を含む気体とに分離し、
得られた液体(1)から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素が分離された液体(2)からジメチルエーテルを分離し、二酸化炭素及びジメチルエーテルが分離された液体(3)からメタノールを分離し、
分離された前記メタノールを前記反応器に戻すとともに、前記生成ガスを、二酸化炭素が分離された液体(2)、及び二酸化炭素及びジメチルエーテルが分離された液体(3)に、接触させることを特徴とするジメチルエーテルの製造方法。
In a method for producing dimethyl ether, a raw material gas containing carbon monoxide and hydrogen is introduced into a reactor, and the raw material gas is subjected to a catalytic reaction to produce dimethyl ether and at least carbon dioxide, methanol and water as by-products.
The product gas from the reactor is cooled and separated into a liquid (1) containing dimethyl ether, carbon dioxide, methanol and water, and a gas containing unreacted gas components,
Carbon dioxide is separated from the obtained liquid (1), dimethyl ether is separated from the liquid (2) from which carbon dioxide is separated, and methanol is separated from the liquid (3) from which carbon dioxide and dimethyl ether are separated,
The separated methanol is returned to the reactor, and the product gas is brought into contact with the liquid (2) from which carbon dioxide is separated and the liquid (3) from which carbon dioxide and dimethyl ether are separated. A method for producing dimethyl ether.
一酸化炭素及び水素を含有する原料ガスを触媒反応させて、ジメチルエーテルを生成すると共に少なくとも二酸化炭素、メタノール及び水を副産物として生成する反応器と、  A reactor for catalyzing a raw material gas containing carbon monoxide and hydrogen to produce dimethyl ether and at least carbon dioxide, methanol and water as by-products;
反応器からの生成ガスを冷却して、二酸化炭素、ジメチルエーテル、メタノール及び水を含む液体(1)と、未反応ガス成分を含む気体とに分離する気液分離装置と、  A gas-liquid separator that cools the product gas from the reactor and separates the liquid (1) containing carbon dioxide, dimethyl ether, methanol, and water, and a gas containing unreacted gas components;
得られた液体(1)から二酸化炭素を分離するCO  CO to separate carbon dioxide from the resulting liquid (1) 22 精製装置と、A purification device;
二酸化炭素が分離された液体(2)からジメチルエーテルを分離するDME精製装置と、  A DME purifier for separating dimethyl ether from the liquid (2) from which carbon dioxide has been separated;
二酸化炭素及びジメチルエーテルが分離された液体(3)からメタノールを分離するメタノール精製装置と、  A methanol purifier for separating methanol from the liquid (3) from which carbon dioxide and dimethyl ether are separated;
分離されたメタノールを前記反応器に戻すリサイクルラインと、を備え、  A recycling line for returning the separated methanol to the reactor,
前記気液分離装置では、前記生成ガスを、前記CO  In the gas-liquid separator, the product gas is converted into the CO. 22 精製装置により二酸化炭素が分離された液体(2)、及び前記DME精製装置によりジメチルエーテルが分離された液体(3)に、接触させることを特徴とするジメチルエーテルの製造装置。An apparatus for producing dimethyl ether, comprising contacting a liquid (2) from which carbon dioxide has been separated by a purification apparatus and a liquid (3) from which dimethyl ether has been separated by the DME purification apparatus.
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