JPWO2009113613A1 - 炭化水素化合物の合成反応システム、及び粉化粒子の除去方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2008年3月14日に出願された特願2008−66154について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
また、液体燃料製品の製造工程において使用する触媒が、粉化粒子に基づいて劣化することも無いため、液体燃料製品を製造する装置のメンテナンスも容易に行うことができ、且つ、前記装置を長時間安定的に連続して運転することができる。
さらに、分離器において分離された炭化水素化合物に含まれる触媒粒子や粉化粒子の量は、反応器と分離器との間で循環するスラリーの流量の影響を受けるが、濾過器はこの循環部分に含まれないため、濾過器においては、前述したスラリー流量に影響されずに炭化水素化合物の濾過を実施することができる。
このように構成した場合には、分離器から取り出された炭化水素化合物を複数の濾過器に分割して供給することができるため、分離器から取り出される炭化水素化合物に粉化粒子が多量に含まれていても、十分に除去することが可能となる。
そして、バルブにより供給管路の開閉を切り替えて炭化水素化合物を濾過する濾過器を交換することで、炭化水素化合物の濾過を継続的に行うことができる。
このように差圧を計測する計器を設けることで、濾過器を通過する炭化水素化合物の流れに対する濾過器の抵抗を計測することができる。この抵抗の大きさは、濾過器において捕捉された粉化粒子の量が多くなる程大きくなるため、濾過器の洗浄時期を的確に把握することができる。
なお、前述したように、複数の濾過器を備えると共に全ての濾過器において同時に炭化水素化合物を濾過しないように、バルブにより各供給管路を適宜開閉している場合には、炭化水素化合物の濾過に使用する濾過器の交換時期を的確に把握することができ、継続的な炭化水素化合物の濾過を良好な状態で行うことができる。
この構成においては、炭化水素化合物が濾過容器の内側から排出管路側に向かうようにフィルタ内を通過することで、炭化水素化合物を濾過することができる。
さらに、前記洗浄手段が前記排出管路に接続されると共に、当該排出管路を介して前記フィルタに洗浄用流体を供給する洗浄流体供給部を備える場合には、洗浄用流体が排出管路側から濾過容器の内側に向かうようにフィルタ内を通過することができる。すなわち、洗浄用流体は、フィルタ内において炭化水素化合物が通過する方向とは逆向きに流れるため、粉化粒子を確実にフィルタから取り除くことができる。
また、洗浄用流体を不活性ガスとすることで、炭化水素化合物や粉化粒子との間で化学反応が生じることを防止できる。
このように孔の径寸法を設定することにより、フィルタにおいて確実に粉化粒子を捕捉することができる。
また、金網焼結フィルタは焼結して構成されているため、炭化水素化合物や洗浄用流体がフィルタを通過する際に、フィルタにかかる圧力が大きくても十分に耐えることができるため、同一のフィルタを長時間にわたって使用することができる。
すなわち、粒径がフィルタの孔径寸法よりも大きい粉化粒子は、フィルタにおいて直接捕捉することができ、結果として、フィルタの表面に粉化粒子からなる粒子層が形成されることになる。ここで、粒子層による実質的な孔径寸法は粉化粒子の平均粒径よりも十分に小さくなるため、粒径がフィルタの孔径寸法よりも小さい粉化粒子であっても、粒子層において確実に捕捉することができる。
また、洗浄工程を行うことで、粉化粒子を確実にフィルタから取り除くことができるため、同一のフィルタを繰り返し炭化水素化合物の濾過に使用することができる。
このように、複数のフィルタに対して濾過工程及び洗浄工程を同時に行うことで、炭化水素化合物の濾過を継続的に行うことができる。
なお、計測される差圧は、フィルタにおいて捕捉される粉化粒子の量が増加するほど大きくなる。したがって、この差圧が所定の閾値以上となった際に、フィルタに対して洗浄工程を実施することで、フィルタの洗浄時期を的確に把握し、フィルタにおける炭化水素化合物の濾過性能(効率)の低下を効率よく抑えることが可能となる。
また、前記粉化粒子の除去方法においては、前記閾値を0kPaよりも大きく、かつ、150kPa以下に設定することが特に好ましい。すなわち、前記差圧が前記閾値以上となった際に該当するフィルタによる濾過工程を停止することで、炭化水素化合物が気化することを抑えて、炭化水素化合物が目減りすることを防止できる。
30…気泡塔型反応器(気泡塔型炭化水素合成反応器)
36…分離器
91…濾過器
92…供給管路
93…排出管路
95…バルブ
98…差圧計
100…洗浄手段
101…ガス供給部(洗浄流体供給部)
911…濾過容器
912…フィルタ
図1に示すように、本実施形態にかかる液体燃料合成システム(炭化水素合成反応システム)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。この液体燃料合成システム1は、合成ガス生成ユニット3と、FT合成ユニット5と、製品精製ユニット7とから構成される。合成ガス生成ユニット3は、炭化水素原料である天然ガスを改質して一酸化炭素ガスと水素ガスを含む合成ガスを生成する。FT合成ユニット5は、生成された合成ガスからフィッシャー・トロプシュ合成反応(以下、「FT合成反応」という。)により液体炭化水素を生成する。製品精製ユニット7は、FT合成反応により生成された液体炭化水素を水素化・精製して液体燃料製品(ナフサ、灯油、軽油、ワックス等)を製造する。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)
この反応器本体80の下部においては、水素および一酸化炭素を主成分とする合成ガスがスラリー中に噴射される。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流れる。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接触反応により、液体炭化水素の合成反応(FT合成反応)が行われる。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合成反応を起こす。
分離器36と複数の濾過器91とは、分離器36側から出て途中で分岐する供給管路92によって個別に接続されており、分離器36からの液体炭化水素はこの供給管路92を介して各濾過器91に導入することができるようになっている。また、複数の濾過器91と第1精留塔40とは、各濾過器91側から途中で集約される排出管路93によって接続されており、各濾過器91において濾過された液体炭化水素を第1精留塔40に移送できるようになっている。
そして、濾過ユニット90は、炭化水素化合物が濾過器91によって濾過される過程において濾過器91の上流側と下流側との差圧を計測する差圧計98も備えている。具体的に、濾過器91に流入する前の液体炭化水素の圧力は、供給管路92が分岐する前の位置において計測され、濾過器91から排出された後の液体炭化水素の圧力は、排出管路93が集約された後の位置において計測される。この差圧計98においては、濾過器91を通過する液体炭化水素の流れに対する濾過器91の抵抗を計測することができる。この抵抗の大きさは、濾過器91において捕捉される粉化粒子の量が多くなるほど大きくなる。
濾過容器911は、供給管路92に接続されて分離器36からの液体炭化水素を内部に導入できるように構成されている。各フィルタ912は、濾過容器911の内部に配されており、濾過容器911内の液体炭化水素を通過させることで濾過して、粉化粒子を捕捉する役割を果たす。そして、このフィルタ912には排出管路93が接続されており、フィルタ912において濾過された液体炭化水素を直接濾過容器911の外側に排出することができる。
このフィルタ912は、例えば金網焼結フィルタによって構成されている。金網焼結フィルタは、金網を複数枚重ね合わせて真空中で高温焼結したものであり、金網のメッシュの大きさや積層枚数に応じて当該金網焼結フィルタに形成される孔径の大きさを調整することができる。ここで、金網焼結フィルタに形成される孔の径寸法は、液体炭化水素は通過するが粉化粒子がフィルタ912を通過しない大きさに形成されていればよく、濾過器91に導入される液体炭化水素の流量や、当該液体炭化水素に含まれる粉化粒子の大きさに応じて変化させればよい。例えば、粉化粒子の大きさが小さい場合には、孔の径寸法を当該粉化粒子の大きさよりも小さくすればよい。
その結果、フィルタ912を通過した液体炭化水素に含まれる粉化粒子の濃度が、孔の径寸法に関わらず、測定下限値(4wt.ppm)以下まで減少した。また、フィルタ912を通過した液体炭化水素に含まれる粉化粒子の粒径は測定できない程度に小さく、大きなものでも8μm以下であることが判明した。
なお、フィルタ912の孔径10μmの場合でも、フィルタ912を通過した液体炭化水素に含まれる粉化粒子の粒径が上記孔径よりも小さい8μm以下となるのは、粒径がフィルタ912の孔径よりも大きい粉化粒子が、フィルタ912の表面において捕捉されていることが考えられる。すなわち、粒径が10μm以上の粉化粒子がフィルタ912の表面において捕捉されると、フィルタ912の表面に粉化粒子からなる粒子層が形成される。ここで、粒子層による実質的な孔径の寸法は、フィルタ912の孔の径寸法よりも十分に小さくなるため、粒径がフィルタ912の孔の径寸法よりも小さい粉化粒子であっても、この粒子層において確実に捕捉することができる。
そして、フィルタ912を通過して内部に到達した不活性ガスは、濾過容器911の上部に接続されたガス排出管路103から外部に排出することができる。また、フィルタ912から取り除かれた粉化粒子は、濾過容器911の下端に接続された粒子排出管路104を介して外部に排出することができる。なお、ガス供給管路102、ガス排出管路103及び粒子排出管路104には、これらを開閉するバルブ105,106,107がそれぞれ設けられているため、これらが液体炭化水素の濾過を阻害することは無い。
また、気泡塔型反応器30からは、未反応の合成ガスと、合成された炭化水素のガス分とが気液分離器38に導入される。気液分離器38は、これらのガスを冷却して、一部の凝縮分の液体炭化水素を分離して第1精留塔40に導入する。一方、気液分離器38で分離されたガス分については、未反応の合成ガス(COとH2)は、気泡塔型反応器30の底部に再投入されてFT合成反応に再利用される。また、製品対象外である炭素数が少ない(C4以下)炭化水素ガスを主成分とするフレアガスは、外部の燃焼設備(図示せず。)に導入されて、燃焼された後に大気放出される。
粉化粒子を除去する際には、濾過ユニット90において、供給管路92を介して濾過容器911内に導入された液体炭化水素を、濾過容器911の内側から排出管路93側に向かうフィルタ912の一方向に通過させ、当該フィルタ912において液体炭化水素に含まれる粉化粒子を捕捉する(濾過工程)。
また、濾過ユニット90においては、供給元栓バルブ94及び排出元栓バルブ97により濾過器91の前後の供給管路92及び排出管路93を閉じることで、フィルタ912に付着した粉化粒子を除去することができる(洗浄工程)。具体的に、この洗浄工程においては、ガス供給部101から不活性ガスを吹き出し、排出管路93側から濾過容器911の内側に向かうようにフィルタ912内を通過させる。すなわち、フィルタ912に対して、濾過工程において液体炭化水素を通過させる一方向とは逆向きに不活性ガスを通過させる。これにより、粉化粒子がフィルタ912から取り除かれ、濾過容器911の下端側に下降する。なお、濾過容器911の下端に到達した粉化粒子は、バルブ107を開くことで粒子排出管路104を介して外部に排出することができる。
濾過工程から洗浄工程に切り替える差圧の閾値は、例えば150kPaとすることが好ましい。これは、当該差圧が150kPa以上となると、排出管路93において液体炭化水素が気化してしまい、結果として、液体燃料製品の原料が目減りしてしまうためである。
この場合には、供給元栓バルブ94及び排出元栓バルブ97は開いておき、さらに、一の濾過器91A,91Bの前後のバルブ95A,95B,96A,96Bを開いておくと同時に、他の濾過器91C,91Dの前後のバルブ95C,95D,96C,96Dを閉めておけばよい。これにより、一の濾過器91A,91Bには、分離器36からの液体炭化水素が導入され、当該液体炭化水素を濾過し、濾過された液体炭化水素を第1精留塔40に移送することができる。また、他の濾過器91C,91Dには、液体炭化水素が導入されないため、フィルタ912に付着した粉化粒子を除去することができる。
さらに、一の濾過器91A,91Bにより濾過工程を実施している際には、差圧計98により一の濾過器91A,91B前後における差圧を計測し、その計測結果が所定の閾値以上となった際にバルブ95A,95B,96A,96Bを閉じ、一の濾過器91A,91Bに対して洗浄工程を実施する。また、これと同時に、バルブ95C,95D,96C,96Dを開いて他の濾過器91C,91Dにより濾過工程を実施する。
また、WAX留分水素化分解反応器50等のように液体燃料製品の製造に際して使用する触媒が、粉化粒子に基づいて劣化することも無いため、液体炭化水素を使用して液体燃料製品を製造する製品精製ユニット7(装置)の洗浄も容易で且つ長時間安定的に連続運転を行うことができる。
さらに、分離器36において分離された液体炭化水素に含まれる触媒粒子や粉化粒子の量は、反応器30と分離器36との間で循環するスラリーの流量の影響を受けるが、濾過器91はこの循環部分に含まれないため、濾過器91においては、前述したスラリー流量に影響されずに液体炭化水素の濾過を実施することができる。
さらに、バルブ95A〜95D,96A〜96Dにより供給管路92及び排出管路93の分岐部分の開閉を切り替えて液体炭化水素を濾過する濾過器91を交換すると共に、濾過工程と洗浄工程とを同時に実施することで、液体炭化水素の濾過を継続的に行うことができる。特に、差圧計により濾過ユニット90の前後における液体炭化水素の差圧を計測することで、切り替え時期を的確に把握することができるため、液体炭化水素の継続的な濾過を良好な状態で行うことができる。
例えば、1つの濾過器91(一の濾過器)のみで濾過工程を行うと同時に、残りの複数の濾過器91(他の濾過器)に対して洗浄工程を実施し、1つの濾過器91が濾過工程から洗浄工程に切り替えられた際には洗浄工程を実施している複数の濾過器91の1つを濾過工程に切り替えてもよい。また、例えば、1つの濾過器91(他の濾過器)だけに対して洗浄工程を実施すると同時に、残りの複数の濾過器91(一の濾過器)により濾過工程を行い、1つの濾過器91が濾過工程から洗浄工程に切り替えられた際には洗浄工程を実施していた1つの濾過器91を濾過工程に切り替えてもよい。
また、粉化粒子をフィルタ912から取り除く洗浄用流体は、窒素・アルゴン等の不活性ガスに限らず、例えば、液化炭化水素や(触媒粒子)粉化粒子と化学反応しない液体であってもよい。この液体としては、例えば第1精留塔40において分離・精製された液体炭化水素の各留分、水素化反応器50,52,54において水素化分解・水素化精製された液体炭化水素を含む生成物、気液分離器56,58,60において分離された液体炭化水素、第2精留塔70において分離・精製された灯油・軽油等の液体燃料製品であってもよい。
さらに、フィルタ912に付着した粉化粒子を除去する洗浄手段100としては、ガス供給部101が挙げられているが、例えばフィルタ912を振動させて粉化粒子をフィルタ912から振るい落とす振動手段であっても良い。この場合でも、上記実施形態と同様に、フィルタ912を濾過容器911から取外すことなく、フィルタ912から粉化粒子を除去することができる。
さらに、複数の濾過器91は、分離器36及び第1精留塔40に対して並列に配されることに限らず、例えば、分離器36と第1精留塔40との間で直列に配されても良い。この場合には、例えば、分離器36側の濾過器91におけるフィルタ912の孔径を大きくしておき、第1精留塔40側の濾過器91においては孔径を小さくしても良い。この構成では、粉化粒子の大きさに応じて粉化粒子が複数の段階に分けて除去されるため、各濾過器91において粉化粒子による目詰まりが生じにくくなり、フィルタ912を洗浄・交換することなく、長時間にわたって使用することが可能となる。
また、濾過ユニット90は、複数の濾過器91を備えて構成されているが、液体炭化水素の濾過を継続的に行わない場合には、例えば濾過器91を1つだけ備えて構成されてもよい。
さらに、上記実施形態においては、液体燃料合成システム1について述べたが、本発明は少なくとも水素及び一酸化炭素を主成分とする合成ガスとスラリーとの化学反応によって炭化水素化合物を合成する炭化水素合成反応システムに適用することができる。なお、炭化水素合成反応システムは、例えばFT合成ユニット5を主たる構成としたものであってもよいし、気泡塔型反応器30、分離器36及び濾過ユニット90や濾過器91を主に備えたものであってもよい。
なお、分離器36は、気泡塔型反応器30の外部に設置されるとしたが、例えば気泡塔型反応器30内部に含まれてもよい。すなわち、気泡塔型反応器30において、スラリーに含まれる液体炭化水素がスラリーから分離されてもよい。
本発明によれば、液体燃料製品の製造工程に使用する炭化水素化合物への粉化粒子の混入抑制を図ることができ、液体燃料製品の品質低下を防止することが可能となる。
Claims (15)
- 水素及び一酸化炭素を主成分とする合成ガスと、液体中に固体の触媒粒子を懸濁させてなるスラリーとの化学反応によって炭化水素化合物を合成する反応器と;
前記スラリーから前記炭化水素化合物を分離する分離器と;
前記分離器から取り出された前記炭化水素化合物を濾過し、粉化した触媒粒子を捕捉する濾過器と;
を備える炭化水素化合物の合成反応システム。 - 前記濾過器が複数設けられ、
前記分離器と各濾過器とが、それぞれ前記炭化水素化合物を前記分離器から各濾過器に供給する供給管路によって個別に接続されている請求項1に記載の炭化水素化合物の合成反応システム。 - 前記供給管路の各分岐部分には、これを開閉して各濾過器に対する前記炭化水素化合物の供給を個別に切り替えるバルブが設けられている請求項2に記載の炭化水素化合物の合成反応システム。
- 一の濾過器が前記炭化水素化合物を濾過すると同時に、他の濾過器が前記炭化水素化合物を濾過しないように、前記供給管路の各分岐部分が前記バルブによってそれぞれ開閉される請求項3に記載の炭化水素化合物の合成反応システム。
- 前記炭化水素化合物が前記濾過器によって濾過される過程において前記濾過器の上流側と下流側との差圧を計測する差圧計を備える請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の炭化水素化合物の合成反応システム。
- 前記濾過器は、前記供給管路に接続される濾過容器と、該濾過容器内に配されて前記炭化水素化合物を濾過するフィルタとを備え、
当該フィルタには、濾過された前記炭化水素化合物を前記濾過容器の外側に排出する排出管路が接続されている請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の炭化水素化合物の合成反応システム。 - 前記濾過器は、前記フィルタに付着した前記粉化した触媒粒子を除去する洗浄手段を備える請求項6に記載の炭化水素化合物の合成反応システム。
- 前記洗浄手段が、前記排出管路に接続されると共に、当該排出管路を介して前記フィルタに洗浄用流体を供給する洗浄流体供給部を備える請求項7に記載の炭化水素化合物の合成反応システム。
- 前記洗浄用流体が不活性ガスである請求項8に記載の炭化水素化合物の合成反応システム。
- 前記フィルタが、金網を複数枚重ね合わせて焼結した金網焼結フィルタからなり、
当該金網焼結フィルタに形成される孔の径寸法が、前記粉化した触媒粒子の平均粒径以下である請求項6から請求項9のいずれか一項に記載の炭化水素化合物の合成反応システム。 - 前記フィルタが、金網を複数枚重ね合わせて焼結した金網焼結フィルタからなり、
当該金網焼結フィルタに形成される孔の径寸法が、0μmよりも大きく、かつ、10μm以下である請求項6から請求項9のいずれか一項に記載の炭化水素化合物の合成反応システム。 - 水素及び一酸化炭素を主成分とする合成ガスと、液体中に固体の触媒粒子を懸濁させてなるスラリーとの化学反応によって合成された炭化水素化合物を前記スラリーから取り出した後に実施される、粉化した触媒粒子の除去方法であって:
前記炭化水素化合物を、濾過器に具備されるフィルタの一方向に通過させて、粉化した触媒粒子を捕捉する濾過工程と;
前記フィルタに前記一方向とは逆向きに洗浄用流体を通過させて、前記フィルタから前記粉化した触媒粒子を除去する洗浄工程と;
を備える粉化粒子の除去方法。 - 前記フィルタが、これに通過させる前記炭化水素化合物に対して複数並列に配され、
一のフィルタにおいて前記濾過工程が行われる際には、他のフィルタに対して前記メンテナンス工程が同時に行われ、また、前記他のフィルタにおいて前記濾過工程が行われる際には、一のフィルタに対して前記洗浄工程が同時に行われると請求項12に記載の粉化粒子の除去方法。 - 前記濾過工程を実施している前記フィルタに対して、当該フィルタに流入する前の前記炭化水素化合物の圧力と、濾過されて前記フィルタから排出された前記炭化水素化合物の圧力との差圧を計測し、
当該差圧の計測結果が、所定の閾値以上となった際に、前記フィルタにおいて実施する工程を前記濾過工程から前記洗浄工程に切り替える請求項12又は請求項13に記載の粉化粒子の除去方法。 - 前記閾値は、0kPaよりも大きく、かつ、150kPa以下である請求項14に記載の粉化粒子の除去方法。
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