JPWO2010038395A1 - 液体燃料合成方法及び液体燃料合成装置 - Google Patents

Abstract

一酸化炭素ガス及び水素ガス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を反応器の中で反応させて液体燃料を合成する合成工程と、前記反応器に高さが異なるように設けられた複数の供給手段から前記合成ガスを前記反応器に供給する合成ガス供給工程とを含む。

Description

本発明は、天然ガス等の炭化水素原料から液体燃料を合成するための液体燃料合成方法及び液体燃料合成装置に関する。
本願は、２００８年０９月３０日に日本出願された特願２００８−２５３２１３に基づいて優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、天然ガスから液体燃料を合成するための方法の一つとして、天然ガスを改質して一酸化炭素ガス（ＣＯ）と水素ガス（Ｈ_２）とを主成分とする合成ガスを生成し、この合成ガスを原料ガスとしてフィッシャー・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合成し、さらにこの液体炭化水素を水素化および精製することで、ナフサ（粗ガソリン）、灯油、軽油、ワックス等の液体燃料製品を製造するＧＴＬ（Ｇａｓ Ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄｓ：液体燃料合成）技術が開発されている。

ＦＴ合成反応工程では、反応装置の一つとして、例えば気泡塔型スラリー床式反応器と呼ばれる反応装置が用いられる。この気泡塔型スラリー床式反応器は触媒と媒体油とからなるスラリーが塔型の容器内部に収容される構成になっており、反応器の底部には分散板が設けられている。ＦＴ合成反応工程では、合成ガスがこの反応器の底部から分散板を介して気泡となって反応器内に供給され、反応器内の下部から上部へとスラリー内を通過し、懸濁状態の中で合成反応を起こすことになる。

特表２００７−５３３６６２号公報

しかしながら、上記のＦＴ合成反応工程では、反応器の底部から供給された合成ガスはスラリーの下部から上部へと通過する過程で徐々に合成反応を起こし、その分圧が減少していくことになる。このため、スラリーの下部に比べてスラリーの上部では合成反応の反応速度が低下してしまい、液体燃料の生産効率が低くなってしまうという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、液体燃料を効率的に合成することが可能な液体燃料合成方法及び液体燃料合成装置を提供することを目的とする。

本発明に係る液体燃料合成方法は、一酸化炭素ガス及び水素ガス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を反応器の中で反応させて液体燃料を合成する合成工程と前記反応器に高さが異なるように設けられた複数の供給手段から前記合成ガスを前記反応器に供給する合成ガス供給工程とを含む。

また、本発明に係る液体燃料合成装置は、一酸化炭素ガス及び水素ガス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を反応させて液体燃料を合成する反応器と、前記反応器に高さの異なるように設けられ、前記合成ガスを前記反応器に供給する複数の供給手段とを備える。

本発明によれば、合成ガスが、反応器に高さの異なるように設けられた複数の供給手段から反応器に供給されるため、反応器の底部のみから合成ガスが供給される場合に比べて、反応器の上部においても十分な分圧の合成ガスを行き渡らせることができる。これにより、反応器全体おいて均一に合成反応を行わせることができるので、液体燃料を効率的に合成することが可能となる。なお、本発明においては、反応器全体に均一に合成ガスを供給して液体燃料を効率的に合成することができるため、反応器自体を小型化することもできる。

上記の液体燃料合成方法及び上記の液体燃料合成装置において、前記複数の供給手段の設置高さおよび個数が、前記反応器内の合成ガスの分圧が一定になるように決められていてもよい。
前記複数の供給手段は、前記反応器の底部に設けられた第１供給手段と、当該第１供給手段よりも高い位置に設けられた複数の第２供給手段とを有していてもよい。
前記各第２供給手段は、前記反応器の横断面上に設けられた複数の供給口を有していてもよい。
この場合、反応器の横断面方向においても複数の供給口から合成ガスが反応器に供給されることになるため、反応器全体における合成ガスの分圧をより均一にすることができる。

前記各第２供給手段から供給される前記合成ガスの流量を個別に調整してもよい。
この場合、例えば反応器の周囲の環境に応じて、前記各第２供給手段から供給される前記合成ガスの流量を個別に調整できるため、柔軟な処理が可能となる。
前記各第２供給手段から供給される前記合成ガスの流量は、前記反応器のガス空塔速度に基づいて決定されてもよい。予め決定する手段としては、例えば実験やシミュレーションを行っておき、当該実験又はシミュレーションの結果に基づいて前記各第２供給手段から供給される前記合成ガスの流量を決定することができる。
前記第２供給手段は、前記反応器の中心を通るように設けられた基幹部と、当該基幹部に接続され、前記反応器と同心円の環状に形成され、それぞれ径の異なる複数の環状配管とを備え、前記複数の供給口が、前記複数の内部配管に形成されているものでもよい。また、前記第２供給手段は、前記反応器の中心を通るように設けられた基幹部と、当該基幹部から水平に延びる複数の分岐部とを備え、前記複数の供給口が、前記複数の分岐部に形成されているものでもよい。

上記の液体燃料合成方法の前記合成ガス供給工程では、前記合成工程において未反応であった前記合成ガスを循環させて前記反応器に供給してもよい。この場合、未反応の合成ガスを再利用することができるため、炭化水素原料を効率的に利用することができる。

前記合成ガス供給工程では、前記合成工程において前記反応器のガス空塔速度が０．０４ｍ／ｓ〜０．３ｍ／ｓの範囲内となるように前記合成ガスを供給してもよく、さらに、前記反応器のガス空塔速度が０．１ｍ／ｓ〜０．２ｍ／ｓの範囲内となるように前記合成ガスを供給してもよい。

本発明によれば、液体燃料を効率的に合成することが可能となる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る液体燃料合成システムの全体構成を示す概略図。 図２は、同実施形態に係る気泡塔型反応器の構成を示す概略図。 図３Ａは、同実施形態に係る気泡塔型反応器の構成を示す横断面図。 図３Ｂは、同実施形態に係る気泡塔型反応器の構成を示す横断面図。 図３Ｃは、同実施形態に係る気泡塔型反応器の構成を示す横断面図。 図４は、本発明の第２実施形態に係る気泡塔型反応器の構成を示す概略図。

［第１実施形態］
以下に添付図面を参照しながら、本発明の第１実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

まず、図１を参照して、本実施形態に係るＧＴＬ（Ｇａｓ Ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄｓ）プロセスを実行する液体燃料合成システム１の全体構成及び工程について説明する。図１は、本実施形態にかかる液体燃料合成システム１の全体構成を示す概略図である。

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ＦＴ合成反応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。

まず、合成ガス生成ユニット３について説明する。合成ガス生成ユニット３は、例えば、脱硫反応器１０と、改質器１２と、排熱ボイラー１４と、気液分離器１６および１８と、脱炭酸装置２０と、水素分離装置２６とを主に備える。脱硫反応器１０は、水添脱硫装置等で構成されて原料である天然ガスから硫黄成分を除去する。改質器１２は、脱硫反応器１０から供給された天然ガスを改質して、一酸化炭素ガス（ＣＯ）と水素ガス（Ｈ_２）とを主成分として含む合成ガスを生成する。排熱ボイラー１４は、改質器１２にて生成した合成ガスの排熱を回収して高圧スチームを発生する。気液分離器１６は、排熱ボイラー１４において合成ガスとの熱交換により加熱された水を気体（高圧スチーム）と液体とに分離する。気液分離器１８は、排熱ボイラー１４にて冷却された合成ガスから凝縮分を除去し気体分を脱炭酸装置２０に供給する。脱炭酸装置２０は、気液分離器１８から供給された合成ガスから吸収液を用いて炭酸ガスを除去する吸収塔２２と、当該炭酸ガスを含む吸収液から炭酸ガスを放散させて再生する再生塔２４とを有する。水素分離装置２６は、脱炭酸装置２０により炭酸ガスが分離された合成ガスから、当該合成ガスに含まれる水素ガスの一部を分離する。ただし、上記脱炭酸装置２０は場合によっては設けないこともある。

このうち、改質器１２は、例えば、下記の化学反応式（１）、（２）で表される水蒸気・炭酸ガス改質法により、二酸化炭素と水蒸気とを用いて天然ガスを改質して、一酸化炭素ガスと水素ガスとを主成分とする高温の合成ガスを生成する。なお、この改質器１２における改質法は、上記水蒸気・炭酸ガス改質法の例に限定されず、例えば、水蒸気改質法、酸素を用いた部分酸化改質法（ＰＯＸ）、部分酸化改質法と水蒸気改質法の組合せである自己熱改質法（ＡＴＲ）、炭酸ガス改質法などを利用することもできる。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２ ・・・（１）
ＣＨ_４＋ＣＯ_２→２ＣＯ＋２Ｈ_２ ・・・（２）
また、水素分離装置２６は、脱炭酸装置２０又は気液分離器１８と気泡塔型反応器３０とを接続する主配管から分岐した分岐ライン上に設けられる。この水素分離装置２６は、例えば、圧力差を利用して水素の吸着と脱着を行う水素ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ：圧力変動吸着）装置などで構成できる。この水素ＰＳＡ装置は、並列配置された複数の吸着塔（図示せず。）内に吸着剤（ゼオライト系吸着剤、活性炭、アルミナ、シリカゲル等）を有しており、各吸着塔で水素の加圧、吸着、脱着（減圧）、パージの各工程を順番に繰り返すことで、合成ガスから分離した純度の高い水素ガス（例えば９９．９９９％程度）を、連続して供給することができる。

なお、水素分離装置２６における水素ガス分離方法としては、上記水素ＰＳＡ装置のような圧力変動吸着法の例に限定されず、例えば、水素吸蔵合金吸着法、膜分離法、或いはこれらの組合せなどであってもよい。

水素吸蔵合金法は、例えば、冷却／加熱されることで水素を吸着／放出する性質を有する水素吸蔵合金（ＴｉＦｅ、ＬａＮｉ_５、ＴｉＦｅ_{０．７〜０．９}Ｍｎ_{０．３〜０．１}、又はＴｉＭｎ_１．５など）を用いて、水素ガスを分離する手法である。水素吸蔵合金が収容された複数の吸着塔を設け、各吸着塔において、水素吸蔵合金の冷却による水素の吸着と、水素吸蔵合金の加熱による水素の放出とを交互に繰り返すことで、合成ガス内の水素ガスを分離・回収することができる。

また、膜分離法は、芳香族ポリイミド等の高分子素材の膜を用いて、混合ガス中から膜透過性に優れた水素ガスを分離する手法である。この膜分離法は、相変化を伴わないため、運転に必要なエネルギーが小さくて済み、ランニングコストが安い。また、膜分離装置の構造が単純でコンパクトなため、設備コストが低く設備の所要面積も小さくて済む。さらに、分離膜には駆動装置がなく、安定運転範囲が広いため、保守管理が容易であるという利点がある。

次に、ＦＴ合成ユニット５について説明する。ＦＴ合成ユニット５は、例えば、気泡塔型反応器３０と、気液分離器３４と、分離器３６と、気液分離器３８と、第１精留塔４０とを主に備える。気泡塔型反応器３０は、上記合成ガス生成ユニット３で生成された合成ガス、即ち、一酸化炭素ガスと水素ガスとをＦＴ合成反応させて液体炭化水素を生成する。気液分離器３４は、気泡塔型反応器３０内に配設された伝熱管３２内を流通して加熱された水を、水蒸気（中圧スチーム）と液体とに分離する。分離器３６は、気泡塔型反応器３０の中央部に接続され、触媒と液体炭化水素生成物を分離処理する。気液分離器３８は、気泡塔型反応器３０の頂部に接続され、未反応合成ガス及び気体炭化水素生成物を冷却処理する。第１精留塔４０は、気泡塔型反応器３０から分離器３６、気液分離器３８を介して供給された液体炭化水素を蒸留し、沸点に応じて各留分に分離・精製する。

このうち、気泡塔型反応器３０は、合成ガスから液体炭化水素を合成する反応器の一例であり、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。この気泡塔型反応器３０は、例えば、塔型の容器内部に触媒と媒体油とからなるスラリーが貯留された気泡塔型スラリー床式反応器で構成される。この気泡塔型反応器３０は、ＦＴ合成反応により合成ガスから液体炭化水素を生成する。詳細には、気泡塔型反応器３０に供給された合成ガスは、触媒と媒体油からなるスラリー内を通過し、懸濁状態の中で下記化学反応式（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。

このＦＴ合成反応は発熱反応であるため、気泡塔型反応器３０は内部に伝熱管３２が配設された熱交換器型になっており、冷媒として例えば水（ＢＦＷ：Ｂｏｉｌｅｒ Ｆｅｅｄ Ｗａｔｅｒ）を供給し、上記ＦＴ合成反応の反応熱を、スラリーと水との熱交換により中圧スチームとして回収できるようになっている。

最後に、製品精製ユニット７について説明する。製品精製ユニット７は、例えば、ＷＡＸ留分水素化分解反応器５０と、灯油・軽油留分水素化精製反応器５２と、ナフサ留分水素化精製反応器５４と、気液分離器５６，５８，６０と、第２精留塔７０と、ナフサ・スタビライザー７２とを備える。ＷＡＸ留分水素化分解反応器５０は、第１精留塔４０の底部に接続されている。灯油・軽油留分水素化精製反応器５２は、第１精留塔４０の中央部に接続されている。ナフサ留分水素化精製反応器５４は、第１精留塔４０の上部に接続されている。気液分離器５６，５８，６０は、これら水素化反応器５０，５２，５４のそれぞれに対応して設けられている。第２精留塔７０は、気液分離器５６，５８から供給された液体炭化水素を沸点に応じて分離・精製する。ナフサ・スタビライザー７２は、気液分離器６０及び第２精留塔７０から供給されたナフサ留分の液体炭化水素を精留して、ブタンおよびブタンより軽い成分はフレアガスとして排出し、炭素数５以上の成分は製品のナフサとして分離・回収する。

次に、以上のような構成の液体燃料合成システム１により、天然ガスから液体燃料を合成する工程（ＧＴＬプロセス）について説明する。

液体燃料合成システム１には、天然ガス田又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ＣＨ_４）が供給される。上記合成ガス生成ユニット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。

具体的には、まず、上記天然ガスは、水素分離装置２６によって分離された水素ガスとともに脱硫反応器１０に供給される。脱硫反応器１０は、当該水素ガスを用いて天然ガスに含まれる硫黄分を例えばＺｎＯ触媒で水添脱硫する。このようにして天然ガスを予め脱硫しておくことにより、改質器１２及び気泡塔型反応器３０等で用いられる触媒の活性が硫黄により低下することを防止できる。

このようにして脱硫された天然ガス（二酸化炭素を含んでもよい。）は、二酸化炭素供給源（図示せず。）から供給される二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスと、排熱ボイラー１４で発生した水蒸気とが混合された上で、改質器１２に供給される。改質器１２は、例えば、水蒸気・炭酸ガス改質法により、二酸化炭素と水蒸気とを用いて天然ガスを改質して、一酸化炭素ガスと水素ガスとを主成分とする高温の合成ガスを生成する。このとき、改質器１２には、例えば、改質器１２が備えるバーナー用の燃料ガスと空気とが供給されており、当該バーナーにおける燃料ガスの燃焼熱により、吸熱反応である上記水蒸気・炭酸ガス改質反応に必要な反応熱がまかなわれている。

このようにして改質器１２で生成された高温の合成ガス（例えば、９００℃、２．０ＭＰａＧ）は、排熱ボイラー１４に供給され、排熱ボイラー１４内を流通する水との熱交換により冷却（例えば４００℃）されて、排熱回収される。このとき、排熱ボイラー１４において合成ガスにより加熱された水は気液分離器１６に供給され、この気液分離器１６から気体分が高圧スチーム（例えば３．４〜１０．０ＭＰａＧ）として改質器１２または他の外部装置に供給され、液体分の水が排熱ボイラー１４に戻される。

一方、排熱ボイラー１４において冷却された合成ガスは、凝縮液分が気液分離器１８において分離・除去された後、脱炭酸装置２０の吸収塔２２、又は気泡塔型反応器３０に供給される。吸収塔２２は、貯留している吸収液内に、合成ガスに含まれる炭酸ガスを吸収することで、当該合成ガスから炭酸ガスを除去する。この吸収塔２２内の炭酸ガスを含む吸収液は、再生塔２４に送出され、当該炭酸ガスを含む吸収液は例えばスチームで加熱されてストリッピング処理され、放散された炭酸ガスは、再生塔２４から改質器１２に送られて、上記改質反応に再利用される。

このようにして、合成ガス生成ユニット３で生成された合成ガスは、上記ＦＴ合成ユニット５の気泡塔型反応器３０に供給される。このとき、気泡塔型反応器３０に供給される合成ガスの組成比は、ＦＴ合成反応に適した組成比（例えば、Ｈ_２：ＣＯ＝２：１（モル比））に調整されている。なお、気泡塔型反応器３０に供給される合成ガスは、脱炭酸装置２０と気泡塔型反応器３０とを接続する配管に設けられた圧縮機（図示せず。）により、ＦＴ合成反応に適切な圧力（例えば３．６ＭＰａＧ程度）まで昇圧される。

また、上記脱炭酸装置２０により炭酸ガスが分離された合成ガスの一部は、水素分離装置２６にも供給される。水素分離装置２６は、上記のように圧力差を利用した吸着、脱着（水素ＰＳＡ）により、合成ガスに含まれる水素ガスを分離する。当該分離された水素は、ガスホルダー（図示せず。）等から圧縮機（図示せず。）を介して、液体燃料合成システム１内において水素を利用して所定反応を行う各種の水素利用反応装置（例えば、脱硫反応器１０、ＷＡＸ留分水素化分解反応器５０、灯油・軽油留分水素化精製反応器５２、ナフサ留分水素化精製反応器５４など）に連続して供給する。

次いで、上記ＦＴ合成ユニット５は、上記合成ガス生成ユニット３によって生成された合成ガスから、ＦＴ合成反応により、液体炭化水素を合成する。

具体的には、上記脱炭酸装置２０において炭酸ガスを分離された合成ガスは、気泡塔型反応器３０に流入され、気泡塔型反応器３０内に貯留された触媒スラリー内を通過する。この際、気泡塔型反応器３０内では、上述したＦＴ合成反応により、当該合成ガスに含まれる一酸化炭素と水素ガスとが反応して、炭化水素が生成される。さらに、この合成反応時には、気泡塔型反応器３０の伝熱管３２内に水を流通させることで、ＦＴ合成反応の反応熱を除去し、この熱交換により加熱された水が気化して水蒸気となる。この水蒸気は、気液分離器３４で液化した水が伝熱管３２に戻されて、気体分が中圧スチーム（例えば１．０〜２．５ＭＰａＧ）として外部装置に供給される。

このようにして、気泡塔型反応器３０で合成された液体炭化水素は、気泡塔型反応器３０の中央部から取り出されて、分離器３６に送出される。分離器３６は、取り出されたスラリー中の触媒（固形分）と、液体炭化水素生成物を含んだ液体分とを分離する。分離された触媒は、その一部を気泡塔型反応器３０に戻され、液体分は第１精留塔４０に供給される。また、気泡塔型反応器３０の塔頂からは、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Ｈ_２）は、気泡塔型反応器３０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（Ｃ_４以下）炭化水素ガスを主成分とする排ガス（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。

次いで、第１精留塔４０は、上記のようにして気泡塔型反応器３０から分離器３６、気液分離器３８を介して供給された液体炭化水素（炭素数は多様）を加熱して、沸点の違いを利用して分留し、ナフサ留分（沸点が約１５０℃より低い）と、灯油・軽油留分（沸点が約１５０〜３５０℃）と、ＷＡＸ留分（沸点が約３５０℃より高い）とに分離・精製する。この第１精留塔４０の底部から取り出されるＷＡＸ留分の液体炭化水素（主としてＣ_２１以上）は、ＷＡＸ留分水素化分解反応器５０に移送され、第１精留塔４０の中央部から取り出される灯油・軽油留分の液体炭化水素（主としてＣ_１１〜Ｃ_２０）は、灯油・軽油留分水素化精製反応器５２に移送され、第１精留塔４０の上部から取り出されるナフサ留分の液体炭化水素（主としてＣ_５〜Ｃ_１０）は、ナフサ留分水素化精製反応器５４に移送される。

ＷＡＸ留分水素化分解反応器５０は、第１精留塔４０の底部から供給された炭素数の多いＷＡＸ留分の液体炭化水素（概ねＣ_２１以上）を、上記水素分離装置２６から供給された水素ガスを利用して水素化分解して、炭素数をＣ_２０以下に低減する。この水素化分解反応では、触媒と熱を利用して、炭素数の多い炭化水素のＣ−Ｃ結合を切断して、炭素数の少ない低分子量の炭化水素を生成する。このＷＡＸ留分水素化分解反応器５０により、水素化分解された液体炭化水素を含む生成物は、気液分離器５６で気体と液体とに分離され、そのうち液体炭化水素は、第２精留塔７０に移送され、気体分（水素ガスを含む。）は、灯油・軽油留分水素化精製反応器５２及びナフサ留分水素化精製反応器５４に移送される。

灯油・軽油留分水素化精製反応器５２は、第１精留塔４０の中央部から供給された炭素数が中程度である灯油・軽油留分の液体炭化水素（概ねＣ_１１〜Ｃ_２０）を、水素分離装置２６からＷＡＸ留分水素化分解反応器５０を介して供給された水素ガスを用いて、水素化精製する。この水素化精製反応では、主に側鎖状飽和炭化水素を得るために、上記液体炭化水素を異性化し、上記液体炭化水素の不飽和結合に水素を付加して飽和させる。この結果、水素化精製された液体炭化水素を含む生成物は、気液分離器５８で気体と液体に分離され、そのうち液体炭化水素は、第２精留塔７０に移送され、気体分（水素ガスを含む。）は、上記水素化反応に再利用される。

ナフサ留分水素化精製反応器５４は、第１精留塔４０の上部から供給された炭素数が少ないナフサ留分の液体炭化水素（概ねＣ_１０以下）を、水素分離装置２６からＷＡＸ留分水素化分解反応器５０を介して供給された水素ガスを用いて、水素化精製する。この結果、水素化精製された液体炭化水素を含む生成物は、気液分離器６０で気体と液体に分離され、そのうち液体炭化水素は、ナフサ・スタビライザー７２に移送され、気体分（水素ガスを含む。）は、上記水素化反応に再利用される。

次いで、第２精留塔７０は、上記のようにしてＷＡＸ留分水素化分解反応器５０及び灯油・軽油留分水素化精製反応器５２から供給された液体炭化水素を蒸留して、炭素数がＣ_１０以下の炭化水素（沸点が約１５０℃より低い）と、灯油（沸点が約１５０〜２５０℃）と、軽油（沸点が約２５０〜３５０℃）と、ＷＡＸ留分水素化分解反応器５０からの未分解ＷＡＸ留分（沸点約３５０℃より高い）とに分離・精製する。第２精留塔７０の下部からは軽油が取り出され、中央部からは灯油が取り出される。一方、第２精留塔７０の塔頂からは、炭素数がＣ_１０以下の炭化水素が取り出されて、ナフサ・スタビライザー７２に供給される。

さらに、ナフサ・スタビライザー７２では、上記ナフサ留分水素化精製反応器５４及び第２精留塔７０から供給された炭素数がＣ_１０以下の炭化水素を蒸留して、製品としてのナフサ（Ｃ_５〜Ｃ_１０）を分離・精製する。これにより、ナフサ・スタビライザー７２の下部からは、高純度のナフサが取り出される。一方、ナフサ・スタビライザー７２の塔頂からは、製品対象外である炭素数が所定数以下（Ｃ_４以下）の炭化水素を主成分とする排ガス（フレアガス）が排出される。

以上、液体燃料合成システム１の工程（ＧＴＬプロセス）について説明した。かかるＧＴＬプロセスにより、天然ガスを、高純度のナフサ（Ｃ_５〜Ｃ_１０）、灯油（Ｃ_１１〜Ｃ_１５）及び軽油（Ｃ_１６〜Ｃ_２０）等のクリーンな液体燃料に、容易且つ経済的に転換することができる。さらに、本実施形態では、改質器１２において上記水蒸気・炭酸ガス改質法を採用しているので、原料となる天然ガスに含有されている二酸化炭素を有効に利用し、かつ、上記ＦＴ合成反応に適した合成ガスの組成比（例えば、Ｈ_２：ＣＯ＝２：１（モル比））を改質器１２の１回の反応で効率的に生成することができ、水素濃度調整装置などが不要であるという利点がある。

次に、気泡塔型反応器３０の構成を説明する。図２は、気泡塔型反応器３０の構成を模式的に示す図である。図２では、説明の便宜上、一部の構成要素については図示を省略してある。

図２に示すように、気泡塔型反応器３０は、底部に分散板３０ａを有しており、内部にスラリー３０ｓが収容されている。気泡塔型反応器３０には、供給配管Ｔ１〜Ｔ１１が接続されている。合成ガスは、供給配管Ｔ１〜Ｔ１１を介して気泡塔型反応器３０に供給される。

供給配管Ｔ１は、気泡塔型反応器３０の底部の分散板３０ａに接続されている。供給配管Ｔ１の上流は、例えば上記の圧縮機（不図示）が設置された配管に接続されている。供給配管Ｔ１を流通する合成ガスは、当該分散板３０ａを介して気泡塔型反応器３０の内部に供給される。分散板３０ａが本発明の第１供給手段となり、この分散板３０ａと供給配管Ｔ１とが接続される位置を接続位置Ｐ１とする。合成ガスの供給時には、供給配管Ｔ１には常に合成ガスが流通する。

供給配管Ｔ２〜Ｔ１１は、供給配管Ｔ１の上方の位置で気泡塔型反応器３０の側部に接続されている。供給配管Ｔ２〜Ｔ１１は、それぞれ異なる高さで気泡塔型反応器３０に接続され、当該供給配管Ｔ２〜Ｔ１１により気泡塔型反応器３０に１０段階の高さ位置から合成ガスを供給できる。供給配管Ｔ２〜Ｔ１１は、例えば高さ方向にほぼ等間隔で接続されている。本実施形態では、供給配管Ｔ２が気泡塔型反応器３０の側部のうち最も低い位置に接続されており、供給配管Ｔ１１が最も高い位置に接続されている。

供給配管Ｔ２〜Ｔ１１の先端は、それぞれ気泡塔型反応器３０内に設けられた内部配管３０ｃに接続されている。供給配管Ｔ２〜Ｔ１１に接続されたそれぞれの内部配管３０ｃは、当該供給配管Ｔ２〜Ｔ１１とほぼ同一の高さ位置を保持するように設けられている。よって、各内部配管３０ｃは、供給配管Ｔ２〜Ｔ１１と同様、高さ方向にほぼ等間隔で配置されている。合成ガスは、供給配管Ｔ２〜Ｔ１１及び当該内部配管３０ｃを介して、気泡塔型反応器３０に収容されるスラリー３０ｓ内に供給される。

図３Ａ〜図３Ｃは、気泡塔型反応器３０のうち内部配管３０ｃが設けられる位置の横断面を模式的に示す図である。図３Ａ〜図３Ｃは、それぞれ内部配管３０ｃの構成例を示している。図３Ａ〜図３Ｃに示すように、それぞれ内部配管３０ｃは、複数のガス供給口３０ｅを有している。複数のガス供給口３０ｅは、それぞれ高さ方向の位置が同一となるように設けられている。それぞれ内部配管３０ｃは、気泡塔反応器３０の平面視中心を通るように設けられた基幹部に接続されている。供給配管Ｔ２〜Ｔ１１から供給された合成ガスは、基幹部３０ｄを介して当該ガス供給口３０ｅから気泡塔型反応器３０内に供給される。つまり、各内部配管３０ｃについて当該複数のガス供給口３０ｅが設けられる高さは、本発明では第２供給手段Ｐ２〜Ｐ１１が設けられる高さ（図２参照）である。したがって、本実施形態では、複数の第２供給手段が、高さ方向に１０段配置され、ガス供給口３０ｅを有する内部配管３０ｃが高さ方向に１０段配置されている。

図３Ａに示す内部配管３０ｃは、平面視で環状に形成されており、気泡塔型反応器３０と同心に複数設けられている。各内部配管３０ｃに沿うように環状に沿うように、複数のガス供給口３０ｅが設けられている。つまり、当該複数のガス供給口３０ｅは気泡塔型反応器３０の横断面形状である円筒形状に沿うように複数設けられる。

図３Ｂに示す構成では、基幹部３０ｄに平面視で直交する方向に複数の分岐部３０ｆが設けられている。つまり、複数の分岐部３０ｆは、基幹部３０ｄから水平に延びている。分岐部３０ｆは平面視櫛歯状に形成されており、ガス供給口３０ｅは平面視櫛歯状に設けられた各分岐部３０ｆに沿って複数設けられている。また、基幹部３０ｄにおいてもガス供給口３０ｅが複数設けられている。

図３Ｃに示す構成では、基幹部３０ｄが気泡塔型反応器３０の平面視中央部まで設けられており、当該中央部から気泡塔型反応器３０の外周へ向けて径方向に分岐部３０ｇが放射状に形成されている。ガス供給口３０ｅは、当該分岐部３０ｇに沿って複数設けられている。

図３Ａ〜図３Ｃに示すガス供給口３０ｅの形状及び配置については、例えば気泡塔型反応器３０の底部に設けられる分散板３０ｂにおけるガス供給部分の形状と同様であってもよい。高さ方向に対してそれぞれの位置に設けられた各内部配管３０ｃのそれぞれは、図３Ａ〜図３Ｃに示す構成のいずれであってもよい。各内部配管３０ｃの全部が同一の構成であってもよいし、それぞれ異なる構成であってもよい。

図２に示すように供給配管Ｔ２〜Ｔ１１には、それぞれ開度を調節可能なバルブ３０ｂが取り付けられている。バルブ３０ｂの開度を調節することにより、上記ガス供給口３０ｅから供給される合成ガスの流量を調整できる。バルブ３０ｂの開度をゼロにする（バルブ３０ｂを閉状態にする）ことにより、当該供給配管による合成ガスの供給を遮断できる。各供給配管Ｔ２〜Ｔ１１におけるバルブ３０ｂの開度は、例えば不図示の制御装置等によってそれぞれ独立して制御可能となっている。

気泡塔型反応器３０の塔頂部には、流通管Ｔ１２が接続されている。流通管Ｔ１２は、未反応の合成ガスと、合成された炭化水素のガス分とを流通させる配管である。流通管Ｔ１２は、気液分離器３８に接続されている。気液分離器３８には、流通管Ｔ１３が接続されている。流通管Ｔ１３は、気液分離器３８によって分離された合成ガスを流通させる配管であり、上記の供給配管Ｔ２〜Ｔ１１に接続されている。気泡塔型反応器３０における未反応の合成ガスは、流通管Ｔ１２、気液分離器３８及び流通管Ｔ１３を流通し、供給配管Ｔ２〜Ｔ１１を介して気泡塔型反応器３０に再投入され、ＦＴ合成反応に再利用される。このように、供給配管Ｔ２〜Ｔ１１には、未反応の合成ガスが流通する。

なお、当該供給配管Ｔ２〜Ｔ１１に接続された流通管Ｔ１３が供給配管Ｔ１にも接続されていてもよい。このような構成とする場合、例えば流通管Ｔ１３にバルブ（不図示）などを取り付けておくようにしてもよい。この構成によれば、当該バルブの開度を調節することで、例えば供給配管Ｔ１に供給する合成ガスの流量を調節したり、流通管Ｔ１３と供給配管Ｔ１との接続の切り替えを行わせたりすることができる。

上記の気泡塔型反応器３０を用いて液体燃料を合成する場合には、合成ガス生成ユニット３によって生成された合成ガスを供給配管Ｔ１から気泡塔型反応器３０に供給すると同時に、供給配管Ｔ２〜Ｔ１１からも当該合成ガスを気泡塔型反応器３０に供給する（合成ガス供給工程）。気泡塔型反応器３０に供給された合成ガスは、当該気泡塔型反応器３０に収容されたスラリー３０ｓ内を通過し、上述したＦＴ合成反応が起きる（合成工程）。当該ＦＴ合成反応により、合成ガスに含まれる一酸化炭素と水素ガスとが反応して、液体炭化水素が生成される。

本実施形態では、供給工程において、供給配管Ｔ１を介する経路から合成ガスが供給されると共に、供給配管Ｔ２〜Ｔ１１を介する経路からも未反応の合成ガスが供給される。
各供給配管Ｔ２〜Ｔ１１に接続される内部配管３０ｃが気泡塔型反応器３０内のスラリー３０ｓの収容高さに対して均等に配置されているため、合成ガスはスラリー３０ｓ内に対して高さ方向に均一に供給される。また、ガス供給口３０ｅが平面視で気泡塔型反応器３０内部断面の全体に亘って形成されているため、合成ガスの分圧が平面方向においてもより均一となる。高さ方向及び平面方向にそれぞれ均一に供給された合成ガスは、合成工程において、スラリー３０ｓの当該高さ方向及び平面方向の全体に亘って均一に合成反応を起こす。

上記合成ガス供給工程では、供給配管Ｔ２〜Ｔ１１に取り付けられたバルブ３０ｂの開度を調節することにより、合成工程における気泡塔型反応器３０のガス空塔速度が好ましくは０．０４ｍ／ｓ〜０．３ｍ／ｓの範囲、より好ましくは０．１ｍ／ｓ〜０．２ｍ／ｓの範囲となるように合成ガスの流量を調整する。気泡塔型反応器３０のガス空塔速度が０．０４ｍ／ｓよりも小さくなると、スラリー３０ｓ内の下方に触媒粒子が沈降することによる、前記反応器内部における触媒の滞留が起こり、合成反応の反応効率が著しく低下してしまう。また、当該ガス空塔速度が０．３ｍ／ｓを超えて大きくなると、スラリー３０ｓ内の合成ガスが反応器３０内に収容されるスラリー３０ｓの容積に対して多くなりすぎ、伝熱効率が低下し、反応熱を除去するための冷却効率が悪化してしまう。本実施形態では、気泡塔型反応器３０のガス空塔速度の値を上記０．０４ｍ／ｓ〜０．３ｍ／ｓの範囲内に設定することにより、このような悪影響を回避することとしている。また、当該範囲内のうち、特に０．１ｍ／ｓ〜０．２ｍ／ｓの範囲内とすることにより、反応速度をより高くすることができ、合成反応をより効率的に行わせることができる。

供給配管Ｔ２〜Ｔ１１のうちどの供給配管を使用して合成ガスを供給するかは、気泡塔型反応器３０のガス空塔速度に基づいて予め決定しておく。例えば、まず気泡塔型反応器３０の底部のみから合成ガスを供給した場合における、スラリー３０ｓの下部から上部にかけての反応に伴うガス空塔速度の減少量を求める。次に、シミュレーションや実験等を行うことにより、当該ガス空塔速度の減少分を補って気泡塔型反応器３０内でガス空塔速度を均一することができるような最適な条件を求める。

この最適条件としては、例えば、供給配管Ｔ２〜Ｔ１１の選択や、当該選択した供給配管Ｔ２〜Ｔ１１から供給する合成ガスの流量の設定などが挙げられる。予め行うシミュレーション又は実験においては、供給配管を選択すると共に、当該選択された供給配管からの合成ガスの供給量（流量）の最適値についても併せて求めておくことが好ましい。当該最適条件を求める際の前提としては、例えば合成工程における気泡塔型反応器３０のガス空塔速度が上記０．０４ｍ／ｓ〜０．３ｍ／ｓの範囲内、より好ましくは０．１ｍ／ｓ〜０．２ｍ／ｓの範囲内に収まることなどが挙げられる。

上記シミュレーション又は実験に基づいて選択される供給配管及び合成ガスの流量については、例えば供給配管Ｔ２〜Ｔ１１の全てを用いて合成ガスを供給する場合や、供給配管Ｔ２〜Ｔ１１の一部を用いて供給する場合など、供給配管の組み合わせとしては複数のパターンが想定されうる。また、供給配管の組み合わせに応じて、当該供給配管から供給する合成ガスの流量のパターンについても複数パターンが想定されうる。これら選択される供給配管及び合成ガスの流量については、複数のパターンを予め求めておき、状況に応じて複数のパターンを使い分けるようにすることができる。シミュレーション及び実験の具体的な結果については、別途実施例の欄において説明する。

以上のように、本実施形態によれば、合成ガスが高さの異なる複数の供給手段Ｐ１〜Ｐ１１から気泡塔型反応器３０に供給されるため、気泡塔型反応器３０の底部のみから合成ガスが供給される場合に比べて、気泡塔型反応器の合成ガスの分圧がより均一になる。これにより、合成反応の反応速度を気泡塔型反応器３０全体で均一にすることができ、液体燃料を効率的に合成することが可能となる。なお、本実施形態においては、気泡塔型反応器３０全体に均一に合成ガスを供給して液体燃料を効率的に合成することができるため、当該気泡塔型反応器３０自体を小型化することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。上記実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。本実施形態では、供給配管Ｔ２〜Ｔ１１及び流通管Ｔ１３の構成が第１実施形態とは異なっているため、この点を中心に説明する。

図４は、本実施形態に係る気泡塔型反応器３０の構成を模式的に示す図である。
同図に示すように、本実施形態では、供給配管Ｔ１〜Ｔ１１が例えば上記の圧縮機（不図示）が設置された配管から分岐するように設けられている。また、気液分離器３８で分離された未反応の合成ガスを流通させる流通管Ｔ１３が供給配管Ｔ１のみに接続されている。

この構成により、供給配管Ｔ２〜Ｔ１１には圧縮機から直接合成ガスが流通し、当該供給配管Ｔ２〜Ｔ１１を介して気泡塔型反応器３０の供給手段Ｐ２〜Ｐ１１に当該合成ガスが供給されることになる。各供給配管Ｔ２〜Ｔ１１に取り付けられたバルブ３０ｂの開度を調節することにより、未反応の合成ガスの流量を適宜調節することができ、所望量の合成ガスを各供給手段Ｐ２〜Ｐ１１に供給することができる。

次に、本発明の実施例を説明する。本実施例では、上記実施形態で行われたシミュレーションの結果として、気泡塔型反応器３０に対して合成ガスを供給する供給配管Ｔ１〜Ｔ１１及び流通管Ｔ１３の選択のパターンと当該選択された供給配管の流量との組み合わせについて説明する。本実施例では、流通管Ｔ１３が供給配管Ｔ１に接続された第１実施形態の気泡塔型反応器３０を例に挙げて説明する。

表１は、供給配管Ｔ１〜Ｔ１１の選択のパターンと、当該供給配管Ｔ１〜Ｔ１１及び流通管Ｔ１３から気泡塔型反応器３０に供給される合成ガスの流量との組み合わせを示す表である。同表では、流通管Ｔ１３を介して未反応の合成ガスが供給される前の供給配管Ｔ１の流量を１００としたときの割合によって、各供給配管の流量を表示している。

同表に示すように、従来の構成は、表中の比較例のように、気泡塔型反応器３０の底部のみから合成ガスを供給している構成となっている。これに対して、本発明の実施例１〜４は、気泡塔型反応器３０の側部からも供給配管Ｔ２〜Ｔ１１を介して合成ガスを供給する構成である。

例えば実施例１は、供給配管Ｔ２〜Ｔ１１の全ての供給配管から合成ガスを供給するときの流量の例である。この場合、Ｔ１１において最も多くの割合の流量で供給し、気泡塔型反応器３０に対して下方の供給配管に至るにつれて徐々に流量の割合を小さくして供給している。

また、例えば実施例２〜実施例４に示すように、供給配管Ｔ２〜Ｔ１１のうち一部の供給配管から合成ガスを供給することもできる。例えば実施例２は、供給配管Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６、Ｔ８、Ｔ９及びＴ１１の６つの供給配管を用いて合成ガスを供給する例である。この場合、実施例１に比べて用いられる供給配管の数が少なくなっており、その分各供給配管から供給される合成ガスの流量が大きくなっている。実施例２においても、合成ガス供給に用いる６つの供給配管のうち最も上方の供給配管Ｔ１１において最も多くの流量で供給し、下方に至るにつれて徐々に流量を小さくして供給している。

また、例えば実施例３は、供給配管Ｔ４、Ｔ８及びＴ１１の３つの供給配管を用いて合成ガスを供給する例である。この場合、実施例２に比べて用いられる供給配管の数が更に少なくなっており、各供給配管から供給される合成ガスの流量がその分大きくなっている。実施例３においては、合成ガス供給に用いる３つの供給配管のうち最も上方の供給配管Ｔ１１においては最も少ない流量で供給し、高さ方向の中間に位置する供給配管Ｔ８において最も多い流量で供給している。

また、例えば実施例４は、供給配管Ｔ４及びＴ８の２つの供給配管を用いて合成ガスを供給する例である。この場合、上記各実施例に比べて用いられる供給配管の数が少なく、各供給配管から供給される合成ガスの流量がその分大きくなっている。実施例４においては、合成ガス供給に用いる２つの供給配管からは同一の流量で合成ガスを供給している。

これらの各実施例に示す合成ガスの流量の割合は、上記第１実施形態の構成を備えた気泡塔型反応器３０だけではなく、例えば第２実施形態の構成についても適用してもよい。

このように、表１に示される実施例１〜実施例４のように供給配管を選択し、当該選択した供給配管からの流量を設定することにより、気泡塔型反応器３０での合成反応をより効率的に行わせることができる。

本発明に係る液体燃料合成方法及び液体燃料合成装置によれば、液体燃料を効率的に合成することが可能となる。

１…液体燃料合成システム、
３…合成ガス生成ユニット、
５…ＦＴ合成ユニット、
７…製品精製ユニット、
３０…気泡塔型反応器、
３０ａ…分散板、
３０ｂ…バルブ、
３０ｃ…内部配管、
３０ｄ…基幹部、
３０ｅ…ガス供給口、
３０ｆ、３０ｇ…分岐部、
Ｔ１〜Ｔ１１…供給配管、
Ｔ１３…流通管、
Ｐ１〜Ｐ１１…供給手段（第１供給手段、第２供給手段）

Claims (14)

1. 一酸化炭素ガス及び水素ガス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を反応器の中で反応させて液体燃料を合成する合成工程と、
   前記反応器に高さが異なるように設けられた複数の供給手段から前記合成ガスを前記反応器に供給する合成ガス供給工程と、
   を含む液体燃料合成方法。
2. 前記複数の供給手段は、
   前記反応器の底部に設けられた第１供給手段と、
   当該第１供給手段よりも高い位置に設けられた複数の第２供給手段と、
   を備え、
   前記第１供給手段及び前記第２供給手段から前記合成ガスを前記反応器に供給する請求項１に記載の液体燃料合成方法。
3. 前記各第２供給手段は、前記反応器の横断面上に設けられた複数の供給口から前記反応器内に前記合成ガスを供給する請求項２に記載の液体燃料合成方法。
4. 前記各第２供給手段から供給される前記合成ガスの流量を個別に調整する請求項２または請求項３に記載の液体燃料合成方法。
5. 前記各第２供給手段から供給される前記合成ガスの流量は、前記反応器のガス空塔速度に基づいて決定される請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の液体燃料合成方法。
6. 前記合成ガス供給工程では、前記合成工程において未反応であった前記合成ガスを循環させて前記反応器に供給する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の液体燃料合成方法。
7. 前記合成ガス供給工程では、前記合成工程において前記反応器のガス空塔速度が０．０４ｍ／ｓ〜０．３ｍ／ｓの範囲内となるように前記合成ガスを供給する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の液体燃料合成方法。
8. 前記合成ガス供給工程では、前記合成工程において前記反応器のガス空塔速度が０．１ｍ／ｓ〜０．２ｍ／ｓの範囲内となるように前記合成ガスを供給する請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の液体燃料合成方法。
9. 一酸化炭素ガス及び水素ガス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を反応させて液体燃料を合成する反応器と、
   前記反応器に高さの異なるように設けられ、前記合成ガスを前記反応器に供給する複数の供給手段と
   を備える液体燃料合成装置。
10. 前記複数の供給手段の設置高さおよび個数が、前記反応器内の合成ガスの分圧が一定になるように決められている請求項９に記載の液体燃料合成装置。
11. 前記複数の供給手段は、
    前記反応器の底部に設けられた第１供給手段と、
    当該第１供給手段よりも高い位置に設けられた第２供給手段と、
    を含む請求項９または１０に記載の液体燃料合成装置。
12. 前記第２供給手段は、前記反応器の横断面に設けられた複数の供給口を有する請求項１１に記載の液体燃料合成装置。
13. 前記第２供給手段は、
    前記反応器の中心を通るように設けられた基幹部と、
    当該基幹部に接続され、前記反応器と同心円の環状に形成され、それぞれ径の異なる複数の環状配管と、
    を備え、
    前記複数の供給口が、前記複数の内部配管に形成されている請求項１２に記載の液体燃料合成装置。
14. 前記第２供給手段は、
    前記反応器の中心を通るように設けられた基幹部と、
    当該基幹部から水平に延びる複数の分岐部と、
    を備え、
    前記複数の供給口が、前記複数の分岐部に形成されている請求項１２に記載の液体燃料合成装置。

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