JP6362126B2 - メタノールプラント及びガソリン合成プラント - Google Patents

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Description

本発明は、天然ガスから合成ガスとされるメタノールを製造するメタノールプラント及びメタノールを原料としてガソリンを合成するプラントに関するものである。
メタノールプラントでは、原料（例えば、天然ガス）から合成ガス（例えば、メタノール）を製造している。天然ガスからメタノールを合成する場合、一般に、天然ガスを水蒸気改質して水素および一酸化炭素を含む改質ガスを生成し、このガスからメタノールを合成する。
天然ガスからメタノールやメタノール経由ガソリンを合成する場合、原料として天然ガスと水（淡水）を必要とする。しかし、これらのメタノールプラントは中東や北アフリカ等の砂漠の地域や北極等の地域では、淡水が非常に少ないという問題があった。
天然ガスからメタノールやメタノール経由ガソリンを合成する場合、淡水が必要となることから海水、またはかん水を淡水化することにより、海水、またはかん水から淡水を得ることが知られている。この淡水化を行うために、特許文献１には、海水、またはかん水を熱して蒸発（フラッシュ）させ、再び冷やして真水にする海水、またはかん水から淡水の生成装置が示されている。
特開平９−１１２７号公報
特許文献１に示されるような海水淡水化装置は、一般的に熱効率をよくするため減圧蒸留される。また、実際のプラントでは多数の減圧室を組み合わせている。この方式を多段フラッシュ蒸発方式という。この蒸発方式により大量の淡水を作り出すことができる。この蒸発法は、例えば、海水、またはかん水を９０℃近くまで加熱する必要があり、天然ガス等の化石燃料を大量に消費するという問題がある。また、多くの化石燃料を燃焼させることに伴い、二酸化炭素を発生させるという問題がある。
また、天然ガスからメタノールを合成する過程で排出された排熱は、水分を多く含む合成ガスを冷却して凝縮させていることから、クーリングファン等により冷却される。クーリングファンを各所に設けることから、多量のエネルギーを廃棄するという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、天然ガスからメタノールを製造する過程で排出された排熱を有効に利用することができるメタノールプラント及びガソリン合成プラントを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のメタノールプラントは以下の手段を採用する。
本発明のメタノールプラントは、原料からメタノールを製造する過程から排出される排熱を利用する熱交換器と、前記熱交換器において前記排熱を用いて海水、またはかん水から淡水を得る海水淡水化装置と、を備えることを特徴とする。
原料（例えば、天然ガス）から合成ガスとしてのメタノールを製造する工程で、排熱が発生する。この排熱を熱媒体に回収させる熱交換器を設け、熱交換器を流通する海水、またはかん水とメタノールへの製造過程にあるガスを熱交換させている。熱交換器により海水または、かん水に回収した排熱を海水淡水化装置へと供給することで、海水、またはかん水を淡水化させることができる。このように、海水淡水化装置の熱源に排熱を利用することで、海水淡水化装置に用いる燃料費をなくすことができる。
さらに、本発明にかかるメタノールプラントでは、前記排熱は、１００℃〜２００℃とされることを特徴とする。
熱交換器により回収する排熱は、１００℃〜２００℃とされている。この温度範囲の排熱は、従来であれば利用されずに捨てられていたが、海水、またはかん水を淡水化する際に有効に利用できることに着目し、この排熱を回収して海水、またはかん水を淡水化させる熱源とした。
さらに、本発明にかかるメタノールプラントでは、前記熱交換器は、前記メタノールの製造過程のうちのメタノール蒸留工程における、メタノール生成後の混合合成ガスの流れ方向に複数設けられ、前記混合ガスが、前記複数の熱交換器に通されることでその温度が低下し、前記混合ガスの流れ方向の下流側に流れるにつれて前記混合ガスの湿り度が増加し、前記混合ガスの流れ方向の下流側に設けられた前記熱交換器において、前記湿り度が高い前記混合ガスと熱交換させていることを特徴とする。
メタノールの製造過程にある合成ガスの流れ方向に、複数の熱交換器が設けられている。これらの熱交換器により海水、またはかん水とメタノールの製造過程にある合成ガスが熱交換される。メタノールの製造過程にある合成ガスが複数の熱交換器に通されることで、排熱が回収されて温度が低下する。合成ガス温度が低下した場合には、合成ガス中の水分の露点を下回るため、合成ガス流れ方向の下流側に流れるにつれてガスの湿り度が増加する。これにより、製造過程にある合成ガス流れ方向の下流側に設けられた熱交換器ほど、湿り度が高い合成ガスと熱交換させることができる。湿り度が０とされたドライガスと海水、またはかん水を熱交換する場合に比べて、熱交換器に設けられた伝熱管の濡れ性が増加して伝熱性を向上させることができる。したがって、メタノールの製造過程にあるガス流れ方向の下流側に近づくにつれて伝熱性を向上させることができる。これにより、排熱の回収効率を向上させることができる。また、熱交換効率を向上させることができるため、熱交換器を小型化することができる。
さらに、本発明にかかるメタノールプラントでは、前記海水淡水化装置は、前記排熱を用いた多段フラッシュ蒸発法により淡水を得ることを特徴とする。
合成ガス製造過程にあるガスから得られた排熱は、多段フラッシュ蒸発法を用いた海水淡水化装置へと供給している。これにより海水、またはかん水から淡水を得ることができる。海水、またはかん水を蒸発させる熱源を製造する必要がないため、燃料費をなくすことができる。
さらに、本発明にかかるメタノールプラントでは、前記メタノールは、前記淡水から作られる蒸気を用いて製造されることを特徴とする。
海水淡水化装置により得られた淡水は、原料からメタノールを製造する過程（例えば、メタノール合成）に供給される。これにより、排熱のみから製造された淡水をメタノール合成用のプロセス蒸気用の給水に用いることができる。
さらに、本発明にかかるメタノールプラントでは、前記過程は、前記メタノールからガソリンを製造する工程が設けられていることを特徴とする。
ガソリンを製造する工程では、メタノールの蒸留に用いられていた熱が不要となる。したがって、不要である蒸留系の排熱を利用することができる。
本発明のガソリン合成プラントは、原料からメタノールを製造するメタノールプラントと、前記メタノールからガソリンを製造する過程から排出される排熱を海水に回収させる熱交換器と、前記熱交換器において前記海水にて回収した前記排熱を用いて前記海水から淡水を得る海水淡水化装置と、を備え、前記熱交換器は、前記ガソリンの製造過程のうちの蒸留工程における、メタノール生成後の混合ガスの流れ方向に複数設けられ、前記混合ガスが、前記複数の熱交換器に通されることでその温度が低下し、前記混合ガスの流れ方向の下流側に流れるにつれて前記混合ガスの湿り度が増加し、前記混合ガスの流れ方向の下流側に設けられた前記熱交換器において、前記湿り度が高い前記混合ガスと熱交換させることを特徴とする。
メタノールを蒸留する蒸留系は、ガソリン合成の場合、不要である。したがって、蒸留系で使用していた排熱を海水淡水化装置へと供給することができる。これにより、メタノールプラントに比べて多量の淡水を製造することができる。また、メタノール合成に必要とされる水を供給するだけでなく、水源の乏しい周辺地域へと供給することができる。
本発明によれば、原料（例えば、天然ガス）から合成ガスとしてのメタノールを製造する工程で、排熱が発生する。この排熱を海水に回収させる熱交換器を設け、熱交換器を流通する海水、またはかん水とメタノールへの製造過程にあるガスを熱交換させている。熱交換器により海水に回収した排熱を海水淡水化装置へと供給することで、海水、またはかん水を淡水化させることができる。このように、海水淡水化装置の熱源に排熱を利用することで、海水淡水化装置に用いる燃料費をなくすことができる。
本発明の第１実施形態に係るメタノールプラントの製造工程を示したブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る海水淡水化装置が適用されるメタノールプラントを示した概略図である。 図２のメタノールプラントに適用される海水淡水化装置の概略構成が示される側断面図である。 本発明の第２実施形態に係るメタノールプラントを示した概略図である。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係るメタノールプラントにおけるメタノールの製造工程を図１に示す。
まず、メタノールの製造プラントに原料ガス（例えば、天然ガス）を投入する（原料ガス投入工程Ｓ１）。原料ガス投入工程Ｓ１にて投入された燃料ガスのうち後述の改質工程Ｓ２に不要な物質（例えば硫黄等）が脱硫装置（図示せず）により除去される。脱硫装置にて不要な物質が除去された原料ガスはリフォーマ（図示せず）と呼ばれる改質器に投入される。
リフォーマに投入された原料ガスは主にメタンであり、水蒸気と共に供給され燃料（例えば、天然ガス）の燃焼排ガスで加熱されることで主に下式のように改質反応し、一酸化炭素と水素が発生する（改質工程Ｓ２）。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
リフォーマは上述のとおり燃焼排ガスの排ガスの熱を利用して加熱されている。
また、以下の反応により二酸化炭素も生成する。
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２
改質工程Ｓ２で発生した一酸化炭素及び水素の混合ガスをリフォーマより取り出して圧縮を行う。圧縮した混合ガスを後述するメタノール合成器２（図２参照）に投入し下式のようにメタノール合成を行う（メタノール合成工程Ｓ３）。
ＣＯ＋２Ｈ２→ＣＨ３ＯＨ
ＣＯ２＋３Ｈ２→ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ
必要に応じてメタノール合成工程Ｓ３で合成されたメタノールを脱水反応させて例えば、ジメチルエーテルを生成する図示しないジメチルエーテル合成工程を有してもよい。また、ガソリンを合成するＭＴＧ（Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｔｏ Ｇａｓｏｌｉｎｅ）合成工程Ｓ５を有していてもよい。メタノール合成が行われたメタノールは例えば、精留塔（図示せず）などで蒸留される（蒸留工程Ｓ４）。蒸留されたメタノールは、タンク１により貯留される。
混合ガスを合成するメタノール合成工程Ｓ３（図１参照）において、図２で示すように、圧縮された混合ガスを流通する混合ガス供給配管７は、メタノール合成器２の底部に接続されている。メタノール合成器２の図示されない合成触媒にて合成されたメタノールと水蒸気の混合ガスが生成される。生成後の混合ガスが流れる配管８は、メタノール合成器２により合成された混合ガスと、メタノール合成器２へと供給される前の混合ガスを熱交換するメタノールセパレータ３の内部を挿通するように設けられている。また、混合ガス流れ方向の下流側には、配管８が接続されるメタノール合成工程Ｓ３（図１参照）から排出される排熱を海水６１（図３参照）または、かん水（以下、海水として説明する。）に回収させる熱交換器４が設けられている。排熱温度は、例えば、１００℃〜２００℃とされる。熱交換器４内で混合ガスは、熱交換器４のシェル側を通るように設けられる。熱交換器４の混合ガス出口に接続された配管８は、気液分離器５に接続される。気液分離器５には、混合ガスを分離したものをそれぞれ、流通する配管５ａ，５ｂが設けられる。また、熱交換器４には海水淡水化装置６に接続される伝熱管６２が設けられている。メタノール合成工程Ｓ３には、例えば、海水淡水化装置６で生成された淡水から作られる水蒸気が用いられる。
次に、図３を用いて海水淡水化装置６を説明する。海水淡水化装置６としては、メタノール合成工程Ｓ３から排出された排熱を用いた多段フラッシュ蒸発法が用いられる。フラッシュ蒸発とは、温度の高い液体の圧力を急激に飽和圧力以下に下げて蒸気を発生させる蒸発法である。海水淡水化装置６には、海水６１を淡水化する海水淡水化装置本体６ａと、淡水化される海水６１を海水淡水化装置本体６ａに供給する伝熱管６２と、伝熱管６２内を流れる海水６１を搬送するポンプ６０とが設けられている。
海水淡水化装置本体６ａは、海水６１を収容するように形成された容器とされ、本実施形態では隔壁６６によって３つの処理室６６ａ，６６ｂ，６６ｃに区画されている。各処理室６６ａ，６６ｂ，６６ｃには、蒸気中の液滴を捕獲するデミスタ６５と、蒸気中の液滴が回収された蒸気を留めておくコンデンサ室８０とが設けられている。
伝熱管６２は、各処理室６６ａ，６６ｂ，６６ｃのコンデンサ室８０を通るように設けられており、処理室６６ａ，６６ｂ，６６ｃ（同図において右方から）の順に海水６１が流されるようになっている。伝熱管６２の下流側には熱交換器４が設けられており、各コンデンサ室８０を通過した後の海水６１が熱交換器４にて加熱されるようになっている。
隔壁６６により構成される各処理室６６ａ，６６ｂ，６６ｃは、エジェクター６７が設けられている。エジェクター６７の内部で発生する負圧空間（図示せず）に、各処理室６６ａ，６６ｂ，６６ｃの水蒸気が吸引されることで減圧される。また、コンデンサ室８０の下部には、淡水を抜き出す配管６８が接続されている。配管６８は、ポンプ６３の吸入側に接続され、図示されない外部へと送り出される。
熱交換器４は、配管８と接続されている。配管８内には、混合ガスが流されている。また、熱交換器４により海水６１を加熱する際に生じたドレンを抜き出すポンプ７０が設けられている。また、各処理室６６ａ，６６ｂ，６６ｃの最終段にあたる６６ｃには、蒸発しきれない海水を抜き出す循環ポンプ６９が設けられている。
次に上記構成のメタノールプラントのメタノール合成工程Ｓ３の動作について説明する。
図２に示すように、気液分離器５に投入された混合ガスには、反応せずに残った二酸化炭素および水素が含まれている。一酸化炭素、二酸化炭素および水素を気液分離器５に投入することで、メタノール及び水は液体として、一酸化炭素、二酸化炭素及び水素は気体として分離される。気液分離器５で分離された一酸化炭素、二酸化炭素及び水素は、圧縮機（図示せず）で圧縮された後に、メタノール合成器２に投入される配管７の内部を流通する一酸化炭素、二酸化炭素及び水素の混合ガスに混入される。一方、気液分離器５で分離されたメタノールと水の混合液体は、精留塔（図示せず）に送られ、精留塔にて水とメタノールの混合液からメタノールだけが取り出される。
気液分離器５により分離される前の混合ガスは、熱交換器４により、伝熱管６２を流通する海水６１と熱交換される。海水６１は、混合ガスにより加熱され、図３に示すように、海水淡水化装置６に接続された熱交換器４内を挿通する伝熱管６２内に供給される。
熱交換器４により伝熱管６２内を流通する海水６１が加熱される。加熱された海水６１は、エジェクター６７により減圧された海水淡水化装置６内へと供給される。この時、海水淡水化装置６内は海水６１の水蒸気飽和圧力以下とされる。そのため、供給された海水６１は沸騰し、蒸気となって蒸発する。海水６１の蒸気は、デミスタ６５により液滴が捕獲される。デミスタ６５により、液滴が捕獲された後の蒸気は、コンデンサ室８０を挿通するように設けられた伝熱管６２の外面で凝縮して蒸留水（淡水）が生成される。例えば、メタノール生産量２５００ｔ／ｄの場合、１００℃以上の排熱を利用し利用可能な排熱合計が３１．５×１０６ｋｃａｌ／ｈの場合、淡水は４６７ｔ／ｈで生成される。また、生成した淡水は、ポンプ６３によって抜き出される。
海水淡水化装置６の内部に残った海水６１は、循環ポンプ６９により、冷えた状態の海水６１を海水淡水化装置６へと供給するポンプ６０側へと返送される。
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
天然ガスから合成ガスとしてのメタノールを製造する工程（例えば、メタノール合成工程Ｓ３）で、排熱が発生する。この排熱を海水６１に回収させる熱交換器４を設け、熱交換器４を流通する海水６１とメタノールへの製造過程にある混合ガスを熱交換させている。熱交換器４によりに回収した混合ガスの排熱を海水淡水化装置６へと供給することで、海水６１を淡水化させることができる。このように、海水淡水化装置６の熱源に排熱を利用することで、海水淡水化装置６に用いる燃料費をなくすことができる。
熱交換器４により回収する排熱は、１００℃〜２００℃とされている。この温度範囲の排熱は、従来であれば利用されずに捨てられていたが、海水６１を淡水化する際に有効に利用できることに着目し、この排熱を回収して海水６１を淡水化させる熱源として利用することとした。したがって、混合ガスを海水６１により冷却することができる。また、海水６１を混合ガスにより加熱することができる。これにより、クーリングファンなどの冷却設備が不要となるため、設備を稼働するエネルギー等のコストを削減することができる。
混合ガスから得られた排熱は、多段フラッシュ蒸発法を用いた海水淡水化装置６へと供給している。これにより海水６１から淡水を得ることができる。海水を蒸発させる熱源（例えば、加熱蒸気）を製造する必要がないため、燃料費なくすことができる。また、燃料（例えば、化石燃料）を燃焼させる必要がないため、海水淡水化工程で二酸化炭素の発生を防ぐことができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図４を用いて説明する。
本実施形態は、第１実施形態に示した熱交換器４を、ＭＴＧ合成工程Ｓ５を有するメタノールプラントの蒸留工程Ｓ４に設けるようにしたものである。したがって、第１実施形態と同様の構成には同一符号を付しその説明を省略する。
メタノールプラント（ガソリン合成プラント）がＭＴＧ合成工程Ｓ５を有する場合、メタノール蒸留工程Ｓ４を必要としない箇所が存在する。図４に示すように、混合ガスが流通する配管２２が蒸留塔リボイラ２０ａに接続されている。各蒸留塔リボイラ２０ａ〜２０ｄにより、混合ガスを蒸留させる熱源を蒸留塔（図示せず）へと供給している。配管２２には、例えば、蒸留塔リボイラ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが設けられている。各蒸留リボイラ２０ａ〜２０ｄの上部には、蒸留された混合ガスが流入する配管２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが設けられている。また、各蒸留塔リボイラ２０ａ〜２０ｄの底部には、混合ガスが凝縮したドレンを排出する排出配管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄが設けられている。各蒸留塔リボイラ２０ａ〜２０ｃの側部には、混合ガスが流され、上流側に位置する熱交換器４ｂ〜４ｄを流通するように設けられる。
本実施形態のようにメタノールプラントが、ＭＴＧ合成工程Ｓ５を有する場合、第１実施形態にて説明したメタノール蒸留工程Ｓ４に代えてＭＴＧ合成工程Ｓ５が設けられる。このことから、ＭＴＧ合成工程Ｓ５の蒸留塔リボイラ２０ａ〜２０ｄに用いられる排熱を回収する熱交換器４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが設けられている。熱交換器４ａ〜４ｄには、海水淡水化装置６へと接続される伝熱管６２が挿通するように設けられている。
各蒸留塔リボイラ２０ａ〜２０ｄで蒸留塔（図示せず）の加熱に利用されない排熱は、各熱交換器４ａ〜４ｄにより回収される。回収された排熱は、海水淡水化装置６（図３参照）へと供給される。また、各配管２２ａ〜２２ｄを流れる混合ガスの流れ方向の下流側になるほど、混合ガス温度が低下する。ガス温度が低下した場合には、ガス中のいくつかの成分の露点を下回るため、ガス流れ方向の下流側に流れるにつれてガスの湿り度が増加する。
本実施形態によれば、ＭＴＧ合成工程Ｓ５で不要となった排熱を熱交換器４ａ〜４ｄにより回収することができる。この排熱を海水淡水化装置６へと供給することで、排熱を有効に用いることができる。したがって、海水６１（図３参照）を加熱するために必要とされていた燃料費をなくすことができる。
さらに、本実施形態によれば、メタノールを蒸留するメタノール蒸留工程Ｓ４は、ＭＴＧ合成工程Ｓ５を有する場合、不要である。したがって、メタノール蒸留工程Ｓ４で使用していた排熱を海水淡水化装置６へと供給することができる。これにより、メタノール蒸留工程Ｓ４を有するメタノールプラントに比べて多量の淡水を製造することができる。また、メタノール合成工程Ｓ３に必要とされる淡水を供給するだけでなく、水源の乏しい周辺地域へと供給することができる。また、ＭＴＧ合成工程Ｓ５を有する場合、例えば、メタノール生産量が２５００ｔ／ｄで、このメタノールをガソリンに転換した場合、利用可能な排熱合計が５９．７×１０６ｋｃａｌ／ｈとなり、淡水の生成量は８８６ｔ／ｈとされる。
さらに、本実施形態によれば、ＭＴＧ合成工程Ｓ５にあるガス流れ方向の下流側に設けられた熱交換器４（例えば、熱交換器４ｄ）ほど、湿り度が高いガスと熱交換させることができる。湿り度が０とされたドライガスと海水６１を熱交換する場合に比べて、各熱交換器４ａ〜４ｄに設けられた伝熱管６２の濡れ性が増加して伝熱性を向上させることができる。したがって、ＭＴＧ合成工程Ｓ５にあるガス流れ方向の下流側に近づくにつれて伝熱性を向上させることができる。これにより、排熱の回収効率を向上させることができる。また、熱交換効率を向上させることができるため、熱交換器４ａ〜４ｄを小型化することができる。
１ タンク
２ メタノール合成器
３ メタノールセパレータ
４ 熱交換器
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 熱交換器
５ 気液分離器
５ａ，５ｂ 配管
６ 海水淡水化装置
７ 混合ガス供給管
８ 配管
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 蒸留塔リボイラ
６２ 伝熱管

Claims (6)

  1. 原料からメタノールを製造する過程から排出される排熱を海水に回収させる熱交換器と、
    前記熱交換器において前記海水にて回収した前記排熱を用いて前記海水から淡水を得る海水淡水化装置と、
    を備え、
    前記熱交換器は、前記メタノールの製造過程のうちのメタノール蒸留工程における、メタノール生成後の混合ガスの流れ方向に複数設けられ、
    前記混合ガスが、前記複数の熱交換器に通されることでその温度が低下し、前記混合ガスの流れ方向の下流側に流れるにつれて前記混合ガスの湿り度が増加し、
    前記混合ガスの流れ方向の下流側に設けられた前記熱交換器において、前記湿り度が高い前記混合ガスと熱交換させることを特徴とするメタノールプラント。
  2. 前記排熱は、１００℃〜２００℃とされることを特徴とする請求項１に記載のメタノールプラント。
  3. 前記海水淡水化装置は、前記排熱を用いた多段フラッシュ蒸発法により前記淡水を得ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のメタノールプラント。
  4. 前記メタノールは、前記淡水から作られる蒸気を用いて製造されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のメタノールプラント。
  5. 前記過程は、前記メタノールからガソリンを製造する工程が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のメタノールプラント。
  6. 原料からメタノールを製造するメタノールプラントと、
    前記メタノールからガソリンを製造する過程から排出される排熱を海水に回収させる熱交換器と、
    前記熱交換器において前記海水にて回収した前記排熱を用いて前記海水から淡水を得る海水淡水化装置と、
    を備え、
    前記熱交換器は、前記ガソリンの製造過程のうちの蒸留工程における、メタノール生成後の混合ガスの流れ方向に複数設けられ、
    前記混合ガスが、前記複数の熱交換器に通されることでその温度が低下し、前記混合ガスの流れ方向の下流側に流れるにつれて前記混合ガスの湿り度が増加し、
    前記混合ガスの流れ方向の下流側に設けられた前記熱交換器において、前記湿り度が高い前記混合ガスと熱交換させることを特徴とするガソリン合成プラント。
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