JP5950500B2 - 炭化水素の製造装置及び炭化水素の製造方法 - Google Patents
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Description
この気泡塔型スラリー床反応器を用いる方法では、該反応器内のスラリーの上部に気相部を形成し、スラリー中を通過する間に反応しなかった合成ガス(未反応の合成ガス)、及びFT合成反応により生成し、反応器内の条件にて気体である軽質の炭化水素を、反応器上部に接続された導管から排出している。
上記冷却器内におけるワックスの付着について、以下の原因を推測した。すなわち、前述のように、気泡塔型スラリー床反応器内に保持される液状の炭化水素に含まれる重質炭化水素の一部は気化し、該反応器の気相部から排出される気体排出分に同伴する。通常運転の場合は、前記気液分離装置においては、気体排出分が含む、反応器から排出される多量の軽質炭化水素が冷却器によって冷却され、凝縮して生成する軽質液体炭化水素が多量に冷却器内を流通する。したがって、気体排出分に同伴する重質炭化水素が冷却器内において冷却されても、冷却器内に付着することなく、多量の軽質液体炭化水素によって「洗い流される」ものと考えられる。一方、FT合成反応による新たな炭化水素の生成が停止あるいは大幅に抑制された状態においては、反応器内の液体炭化水素から気化して気体排出分として反応器気相部から排出される軽質炭化水素の量が大幅に減少する。これにより、前記冷却器において凝縮して生成する軽質液体炭化水素の量が大幅に減少し、同時に固体として析出する重質炭化水素(ワックス)を「洗い流す」効果が大幅に低下すると考えられる。
また、一酸化炭素の反応転化率を大幅に低下させるために反応温度を通常運転に比較して低温に設定する運転においては、FT合成反応の特性から、反応により生成する炭化水素の炭素数が増加し、相対的に軽質炭化水素の生成量が減少し、重質炭化水素の生成量が増加することも、前記ワックスの付着を助長すると推定される。
そして、このような知見に基づき、さらに検討を重ねた結果、本発明を完成させた。
また、本発明の炭化水素の製造方法によれば、FT合成反応を停止している間に、あるいは一酸化炭素の反応転化率が20%以下の間に、曇り点が、気液分離装置の最後段の気液分離ユニットにおける冷却器の出口温度よりも低い軽質液体炭化水素を、前記最後段の気液分離ユニットより上流側の上流側ラインに供給するようにしたので、該最後段の気液分離ユニットにおける冷却器にワックスが付着することを確実に防止でき、また、付着したワックスを除去できるので、FT合成ユニットの稼働率の低下や、設備の大型化や設備コストの上昇を招くことなく、ワックスの付着に伴う不都合の発生を防止することができる。
まず、本発明の炭化水素の製造装置の一実施形態を含む液体燃料合成システムを、図1を参照して説明する。
図1に示す液体燃料合成システム1は、天然ガス等の炭化水素原料を液体燃料に転換するGTLプロセスを実行するプラント設備である。
以下、これら各ユニットの構成要素について説明する。
CH4+CO2→2CO+2H2 ・・・(2)
反応器30は、合成ガスから液体炭化水素を合成するもので、FT合成反応により合成ガスから液体炭化水素を合成するFT合成用反応器として機能する。この反応器30は、反応器本体80と、冷却管81とを主に備えており、内部温度は例えば180〜270℃程度で、かつ大気圧より加圧された条件下で運転される。
この反応器本体80の下部においては、水素ガス及び一酸化炭素ガスを主成分とする合成ガスがスラリー中に噴射されるようになっている。そして、スラリー中に吹き込まれた合成ガスは、気泡となってスラリー中を反応器本体80の高さ方向(鉛直方向)下方から上方へ向かって上昇する。その過程で、合成ガスは液体炭化水素中に溶解し、触媒粒子と接触することにより、液体炭化水素の合成反応(FT合成反応)が進行する。具体的には、下記化学反応式(3)に示すように水素ガスと一酸化炭素ガスとが反応して、炭化水素を生成する。
ここで、このような反応において、反応器に供給された一酸化炭素ガス(CO)に対して、反応器内で消費された一酸化炭素ガスの割合を、本願では一酸化炭素の反応転化率(以下、単に「反応転化率」ということもある。)としている。この反応転化率は、反応器本体80に単位時間当たりに流入するガス中の一酸化炭素ガスのモル流量(入口COモル流量)と、後述するように反応器本体80の気相部82から単位時間当たりに抜き出される気体排出分中の一酸化炭素ガスのモル流量(出口COモル流量)とから、百分率で算出される。すなわち、反応転化率は、以下の式(4)によって求められる。
反応転化率=
[(入口COモル流量−出口COモル流量)/入口COモル流量]×100
・・・(4)
なお、前記反応器の気相部から排出される気体排出分に含まれる、反応器本体80内で未反応であった合成ガスを再利用するために、気体排出分を冷却して凝縮する液体成分から分離されたガス成分を反応器にリサイクルして、再度反応に供することが通常行われる。その場合は、前記入口COモル流量は、新たに供給される合成ガスと前記リサイクルされるガスとから構成される反応器入口ガス中の一酸化炭素ガスのモル流量をいう。
スラリーを冷却するための媒体としては、前記のような冷却水に限られず、例えば、C4〜C10の直鎖、分岐鎖及び環状のアルカン、オレフィン、低分子量シラン、シリルエーテル、シリコンオイルなどを使用することができる。
また、触媒粒子の平均粒径は特に限定されないが、スラリーの流動性の観点から、40〜150μm程度であることが好ましい。
液分離槽85bは、第1冷却器85aの出口に第1配管85cを介して接続され、沸点が約110℃を超える液体炭化水素を沸点が約110℃よりも低い気体成分から分離するとともに、該気体成分を第2気液分離ユニット86側に排出する。
なお、第2配管86cには温度センサ(図示せず)が設けられており、これによって第2冷却器86aの出口温度が連続的に監視されるようになっている。
第1精留塔40は、配管41に接続して配設されたもので、配管41を経て供給される重質液体炭化水素、すなわち外部型触媒分離器34から導出された液体炭化水素と、第1導出管85d、第2導出管86d、さらに配管89を通って供される軽質液体炭化水素、すなわち第1気液分離槽85b、第2気液分離槽86bから導出された液体炭化水素とを蒸留し、沸点に応じて各留分に分離する。
合成反応システム1には、天然ガス田または天然ガスプラントなどの外部の天然ガス供給源(図示せず)から、炭化水素原料としての天然ガス(主成分がCH4)が供給される。前記合成ガス合成ユニット3は、この天然ガスを改質して合成ガス(一酸化炭素ガスと水素ガスを主成分とする混合ガス)を製造する。
なお、FT合成ユニット5における通常運転では、この反応転化率は50%〜90%程度であり、合成ガスの供給を開始するスタートアップ時やその他の非定常的な運転時でない限り、通常は反応転化率が20%以下になることはない。
また、排出管88により排出される気体成分の少なくとも一部は、フレアガス等として焼却されてもよい。
FT合成ユニット5のスタートアップにおいては、原料ガス(合成ガス)を反応器30に供給する前段階として、通常、スラリーを保持した反応器30の系内に窒素ガスを循環させスラリーの流動を確保する。この段階ではFT合成反応は進行していないが、スラリーを構成する液体炭化水素に含まれる重質炭化水素の一部が気化し、反応器本体80の塔頂から抜出管83により排出される窒素ガスを主成分とする気体排出分に同伴する。スタートアップ時のスラリーを構成する液体炭化水素としては、一般的に、軽質炭化水素を殆ど含まない重質炭化水素を用いるため、液体炭化水素から気化し、抜出管83から排出される軽質炭化水素の量は少なく、したがって、前記冷却器で凝縮する軽質液体炭化水素の量は少ない。このため、この窒素ガスを循環させる運転においては、ワックスが冷却器に付着しやすい。このワックスの付着を防止するために、この窒素ガスの循環を行なう運転の期間に、軽質液体炭化水素供給配管91により第2気液分離槽86bに予め張り込んだ軽質液体炭化水素を接続配管87に供給してもよい。
上記期間内であれば、任意の期間に軽質液体炭化水素供給配管91により軽質液体炭化水素を接続配管87に供給してよく、例えば運転開始当初は前記軽質液体炭化水素の供給は行なわず、冷却器86aの出口温度を監視し、該温度の上昇が見られた段階で前記軽質液体炭化水素の供給を開始してもよい。あるいは、窒素ガスの循環を行なう段階において前記軽質液体炭化水素の供給を開始し、その後合成ガスの供給を開始し、反応転化率を増加させ、反応転化率が20%に達するまで継続して前記軽質液体炭化水素の供給を行なってもよい。このような実施態様とすることにより、最も確実に冷却器へのワックスの付着を防止できる。あるいは、反応転化率が例えば10%に達した段階で、前記軽質液体炭化水素の供給を停止してもよい。なお、場合により、反応転化率が20%を超える段階においても、前記軽質液体炭化水素の供給を継続してもよいが、一般的には、反応転化率が20%を超えると、前記軽質液体炭化水素の供給を停止しても、冷却器へのワックスの付着は生じなくなる。これは、FT合成反応による軽質炭化水素の生成が増加し、前記冷却器内で凝縮し、該冷却器を流通する軽質液体炭化水素の量が増加し、「洗い流し」効果が十分となるためと推定される。
このように構成しても、曇り点が第2冷却器86aの出口温度よりも低い軽質炭化水素を、第2冷却器86aの上流側に供給することができるため、第2冷却器86a内のワックスの付着を防止することができ、また付着したワックスを除去することができる。
また、軽質液体炭化水素供給配管91の末端を、気液分離装置86の第2気液分離装置86(最後段の気液分離ユニット)の直前に位置する接続配管87に接続しているので、これによって軽質液体炭化水素供給配管91を比較的短くして装置の大型化を抑えることができる。
また、前記実施形態においては、液体燃料合成システム1を用いて本発明の製造方法を実施する形態について述べたが、本発明は少なくとも水素ガス及び一酸化炭素ガスを主成分とする合成ガスと触媒粒子を含むスラリーとの接触によって炭化水素を合成する、炭化水素の製造方法に適用されるものである。
原料として合成ガス製造ユニットから供給される合成ガス(CO:H2モル比=1:2)を気泡塔型スラリー床反応器30に供給し、反応温度を180℃〜190℃として運転を行い、一酸化炭素が反応器30を通過する際の一酸化炭素の反応転化率を5〜10%とした。
以上のように、気泡塔型スラリー床反応器30において一酸化炭素の反応転化率が低い運転を行なった際に、第2冷却器86aの上流側に所定の液体炭化水素を流通させることにより、該第2冷却器86aの冷却効率を通常運転と同等に保つことができることが明らかとなった。
なお、合成ガスを窒素ガスに置換し、該窒素ガスを反応系内に循環させる際に、同様にナフサ留分を第2冷却器86aの上流に供給する運転を行なった場合にも、同様の効果が得られる。
Claims (4)
- 触媒粒子と液体炭化水素とを含むスラリーを内部に保持し、前記スラリーの上部に気相部を有する気泡塔型スラリー床反応器を用いたフィッシャー・トロプシュ合成反応により、炭化水素を製造する炭化水素の製造装置において、
前記反応器の前記気相部から抜き出された前記反応器内の条件において気体状である炭化水素を冷却して該炭化水素の一部を液化させて気液分離を行う、冷却器と気液分離槽とからなる気液分離ユニットを有する気液分離装置を備えてなり、
前記気液分離装置の最後段の気液分離ユニットより下流側のラインであって、内部を曇り点が前記最後段の気液分離ユニットにおける冷却器の出口温度よりも低い軽質液体炭化水素が流通する下流側軽質液体炭化水素ラインと、前記気液分離装置の最後段の気液分離ユニットより上流側の上流側ラインとの間に、前記下流側軽質液体炭化水素ライン内の前記軽質液体炭化水素を前記上流側ラインに供給する軽質液体炭化水素供給ラインを設け、
前記下流側軽質液体炭化水素ラインと前記軽質液体炭化水素供給ラインとの接続位置には、前記上流側ラインへの前記軽質液体炭化水素の供給または停止を行う切換弁が設けられ、
前記切換弁は、前記気泡塔型スラリー床反応器における反応転化率、または前記出口温度に基づいて制御され、
前記上流側ラインが、前記気液分離装置の最後段の気液分離ユニットの直前に位置するラインであることを特徴とする炭化水素の製造装置。 - 前記下流側軽質液体炭化水素ラインが、前記気液分離装置の最後段の気液分離ユニットに接続して該気液分離ユニットから液体炭化水素を導出するラインであることを特徴とする請求項1記載の炭化水素の製造装置。
- 触媒粒子と液体炭化水素とを含むスラリーを内部に保持し、前記スラリーの上部に気相部を有する気泡塔型スラリー床反応器を用いたフィッシャー・トロプシュ合成反応により、炭化水素を製造する炭化水素の製造方法において、
冷却器と気液分離槽とからなる気液分離ユニットを有した気液分離装置により、前記反応器の前記気相部から抜き出された前記反応器内の条件において気体状である炭化水素を冷却して前記炭化水素の一部を液化させた後気液分離を行う、気液分離工程を備え、
前記反応器での反応が停止している間に、又は該反応器での一酸化炭素反応転化率が20%以下である間に、曇り点が、前記気液分離装置の最後段の気液分離ユニットにおける冷却器の出口温度よりも低い軽質液体炭化水素を、前記気液分離装置の最後段の気液分離ユニットより上流側の上流側ラインに供給し、
前記気泡塔型スラリー床反応器における反応転化率、または前記出口温度に基づいて、前記上流側ラインへの前記軽質液体炭化水素の供給または停止を行い、
前記軽質液体炭化水素を、前記気液分離装置の最後段の気液分離ユニットの直前に位置する配管に供給することを特徴とする炭化水素の製造方法。 - 前記軽質液体炭化水素として、前記気液分離装置の最後段の気液分離ユニットから導出される液体炭化水素を用いることを特徴とする請求項3記載の炭化水素の製造方法。
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