WO2021106132A1 - メタノール製造設備及びメタノール製造方法 - Google Patents

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WO2021106132A1
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methanol
gas
synthetic
reactor
synthesis
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立花　晋也
享 鎌田
香織 吉田
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三菱重工エンジニアリング株式会社
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    • C07C31/02—Monohydroxylic acyclic alcohols
    • C07C31/04—Methanol

Definitions

  • This disclosure relates to a methanol production facility and a methanol production method.
  • reaction formulas (1) and (3) are exothermic reactions, whereas the reaction formula (2) is an endothermic reaction, and the total of the reaction formulas (1) to (3) is an exothermic reaction. Therefore, it is important to lower the reaction temperature from the viewpoint of improving the synthetic conversion rate of methanol as the reaction temperature is lowered and the durability of the methanol synthesis catalyst. On the other hand, from the viewpoint of reaction rate, it is desirable that the reaction temperature is high. Therefore, it is necessary to proceed with the synthesis reaction of methanol at an appropriate temperature.
  • Patent Document 1 describes an apparatus for synthesizing methanol using synthetic gas as a raw material.
  • This device includes two methanol synthesis reactors, that is, a first synthesis reactor and a second synthesis reactor. Methanol is synthesized by the synthetic gas reacting in each reactor while sequentially flowing through the first synthetic reactor and the second synthetic reactor.
  • the first synthetic reactor is a water-cooled reactor and the second synthetic reactor is a gas-cooled reactor.
  • the amount of methanol synthesized in the first-stage first synthetic reactor is relatively larger than that in the second-stage second synthetic reactor. Therefore, by using the first synthetic reactor as a water-cooled reactor, it is relative.
  • the cooling capacity of the first synthetic reactor having a large calorific value can be increased, and the reaction temperature in each reactor can be appropriately controlled.
  • At least one embodiment of the present disclosure is the cost of producing methanol in a methanol production facility and a methanol production method including a first-stage water cooling reactor and a second-stage gas cooling reactor.
  • the purpose is to enable the reduction of.
  • the methanol production facility is a methanol production facility that synthesizes methanol from a synthetic gas containing at least carbon dioxide and hydrogen as a raw material, and supplies the synthetic gas to the syngas production facility.
  • Syngas for the purpose a first synthetic reactor which is a water-cooled reactor connected to the synthetic gas supply line and synthesizes methanol using the synthetic gas as a raw material, and the first synthetic reactor.
  • the outflow gas containing the unreacted gas that was not used in the synthesis reaction of the generated syngas and the methanol is connected to the outflow gas flow line and the outflow gas flow line that flows after flowing out from the first synthesis reactor, and the outflow.
  • a second synthetic reactor which is a gas cooling reactor in which methanol is synthesized from the unreacted gas in the gas, and a part of the synthetic gas flowing through the synthetic gas supply line are transferred to the outflow gas flow line. It is equipped with a bypass line for supplying.
  • the methanol production method is a methanol production method for synthesizing methanol from a synthetic gas containing at least carbon dioxide and hydrogen as a raw material, and is a preparation step for preparing the synthetic gas and using the synthetic gas as a raw material.
  • the first synthesis step includes a second synthesis step of synthesizing methanol using the methanol synthesized in the synthesis step and an outflow gas containing unreacted gas that was not used in the synthesis reaction of methanol as a raw material, and the first synthesis step involves a methanol synthesis reaction.
  • the heat generated by the above is cooled by heat exchange with cooling water, and in the second synthesis step, the heat generated by the methanol synthesis reaction is cooled by heat exchange with a cooling gas.
  • the first synthesis is performed by allowing a part of the syngas supplied to the first synthesis reactor to be supplied to the second synthesis reactor by bypassing the first synthesis reactor.
  • the amount of methanol synthesized in the second synthetic reactor can be increased while suppressing the amount of methanol synthesized in the reactor.
  • the first synthetic reactor can be designed to be small, so that the production cost of methanol can be reduced.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along the line IV-IV of FIG. It is sectional drawing of another structure of the 2nd synthesis reactor of the methanol production facility which concerns on one Embodiment of this disclosure.
  • the methanol production facility 1 is connected to a syngas supply line 2 for supplying synthetic gas to the methanol production facility 1 and a syngas supply line 2.
  • the first synthesis is a first synthesis reactor 3 in which methanol is synthesized from syngas as a raw material, and a effluent gas containing unreacted gas synthesized in the first synthesis reactor 3 and not used in the synthesis reaction of methanol.
  • An outflow gas flow line 4 that flows out after flowing out from the reactor 3, a second synthetic reactor 5 that is connected to the outflow gas flow line 4 and in which methanol is synthesized from unreacted gas in the outflow gas, and a synthetic gas. It is provided with a bypass line 6 for supplying a part of the synthetic gas flowing through the supply line 2 to the outflow gas flow line 4.
  • the synthetic gas is a gas containing at least carbon dioxide and hydrogen.
  • the syngas contains at least carbon monoxide, a small amount of carbon dioxide, and hydrogen. ..
  • the gas containing carbon dioxide and hydrogen may be a synthetic gas.
  • carbon dioxide recovered from the combustion gas discharged from the combustion apparatus of an arbitrary plant and hydrogen obtained by electrolysis of water can be mixed to obtain a synthetic gas.
  • the synthetic gas supply line 2 is provided with a synthetic gas compressor 11 for boosting the synthetic gas produced by the synthetic gas production apparatus A.
  • the synthetic gas production apparatus A may be a reforming apparatus for reforming natural gas, or an apparatus for mixing carbon dioxide and hydrogen obtained by an arbitrary method. ..
  • the second synthetic reactor 5 is connected to a final outflow gas flow line 7 through which the final outflow gas flowing out of the second synthetic reactor 5 flows.
  • the downstream end of the final outflow gas flow line 7 is connected to the gas-liquid separation device 8.
  • An extraction line 9 for extracting the separated liquid component (mainly crude methanol) is connected to the bottom of the gas-liquid separation device 8, and a synthetic gas supply line at the downstream end is connected to the top of the gas-liquid separation device 8.
  • the upstream end of the recycling line 10 connected to 2 is connected.
  • the final effluent gas flow line 7 is provided with a cooling device 12 for cooling the final effluent gas.
  • the methanol production facility 1 may be provided with a heat exchanger 13 for heat exchange between the synthetic gas flowing through the synthetic gas supply line 2 and the final effluent gas flowing through the final effluent gas flow line 7.
  • the recycling line 10 is provided with a recycling gas compressor 14 for boosting the recycling gas circulating in the recycling line 10.
  • the bypass line 6 branches from the syngas supply line 2 on the downstream side of the position where the downstream end of the recycling line 10 is connected to the syngas supply line 2.
  • the bypass line 6 may branch from the syngas supply line 2 on the upstream side of the position where the downstream end of the recycling line 10 is connected to the syngas supply line 2.
  • the methanol production facility 1 may be provided with a synthetic gas flow rate control device 40 that controls the flow rate of the synthetic gas flowing through the bypass line 6.
  • the syngas flow rate control device 40 includes a flow rate adjusting valve 41 provided on the bypass line 6. By providing the flow rate adjusting valve 41 in the bypass line 6, the ratio of the synthetic gas bypassing the first synthetic reactor 3 can be controlled.
  • the synthetic gas flow rate control device 40 includes a concentration sensor 42 for detecting the concentration of carbon dioxide in the synthetic gas, and a control device 43 to which the flow rate adjusting valve 41 and the concentration sensor 42 are electrically connected. You can also. With this configuration, the ratio of the synthetic gas bypassing the first synthetic reactor 3 can be automatically controlled according to the carbon dioxide concentration in the synthetic gas.
  • the first synthetic reactor 3 is a water-cooled reactor.
  • the cooling water used in the first synthetic reactor 3 is not particularly limited, and any cooling water can be used.
  • boiler water supplied to the boiler 20 can be used.
  • a cooling water outflow line 22 connected to the boiler 20 is provided.
  • the second synthetic reactor 5 is a gas cooling reactor.
  • the cooling gas used in the second synthetic reactor 5 is not particularly limited, and any gas can be used as the cooling gas.
  • a part of the synthetic gas flowing through the synthetic gas supply line 2 may be used.
  • the upstream end is a cooling gas supply line 15 that branches off from the syngas supply line 2 on the upstream side of the heat exchanger 13 and the downstream end is connected to the second synthetic reactor 5, and the upstream end is the second.
  • a cooling gas outflow line 16 is provided which is connected to the syngas reactor 5 and whose other end joins the syngas supply line 2 on the upstream side of the heat exchanger 13.
  • the merging position of the cooling gas outflow line 16 and the synthetic gas supply line 2 is on the downstream side of the position where the cooling gas supply line 15 branches from the synthetic gas supply line 2.
  • FIG. 3 shows an example of the configuration of the second synthetic reactor 5.
  • the second synthetic reactor 5 is housed in the internal space 30 so as to surround the container 31 in which the internal space 30 is formed, the plurality of double tubes 32 provided in the internal space 30, and each double tube 32. It is provided with a methanol synthesis catalyst 33.
  • the type of the methanol synthesis catalyst 33 is not particularly limited, but for example, a copper-zinc type or a noble metal type catalyst can be used. By using an appropriate methanol synthesis catalyst 33, the cost of producing methanol can be improved.
  • the outflow gas is drawn to flow into the internal space 30 from the top to the bottom.
  • the methanol synthesis catalyst 33 housed in the internal space 30 includes an upstream end face 33a, which is an upstream end face in the direction in which the synthetic gas flows in the internal space 30, and a downstream end face 33b, which is a downstream end face.
  • the outflow gas flow line 4 is connected to the container 31 on the upstream side of the upstream end surface 33a.
  • the final outflow gas flow line 7 is connected to the container 31 on the downstream side of the downstream end surface 33b.
  • One end of the double pipe 32 is located downstream of the downstream end surface 33b in the direction in which the synthetic gas flows through the internal space 30, and the other end of the double pipe 32 is the upstream end surface 33a and the downstream end surface 33b. It is located between and.
  • the double pipe 32 has an outer pipe 34 having a closed end located between the upstream end surface 33a and the downstream end surface 33b, and an inner pipe 35 provided inside the outer pipe 34.
  • the other end of the outer pipe 34 communicates with the cooling gas supply line 15 connected to the container 31 via the internal space 30.
  • One end of the inner pipe 35 communicates with the cooling gas outflow line 16 connected to the container 31 via the internal space 30, and the other end of the inner pipe 35 is open in the outer pipe 34.
  • the cooling gas that is, the synthetic gas that has flowed into the container 31 via the cooling gas supply line 15 flows into the inside of the outer pipe 34, and enters the inner pipe 35 from the other end of the inner pipe 35 that opens in the outer pipe 34. After flowing into the inner pipe 35 and flowing out of the container 31, it flows out of the container 31 and flows through the cooling gas outflow line 16.
  • the double pipe 32 provided in the internal space 30 may have a cylindrical shape as shown in FIG. 4 or a plate shape as shown in FIG.
  • FIGS. 3 to 5 show the configurations of the second synthetic reactor 5, these configurations may be applied to the first synthetic reactor 3 (see FIG. 1).
  • the outflow gas flow line 4, the final outflow gas flow line 7, the cooling gas supply line 15, and the cooling gas outflow line 16 are referred to as a synthetic gas supply line 2 (see FIG. 1) and an outflow gas flow line 4, respectively.
  • the cooling water supply line 21 (see FIG. 1) and the cooling water outflow line 22 (see FIG. 1) will be read as the description of the configuration of the first synthetic reactor 3.
  • the first synthetic reactor 3 and the second synthetic reactor 5 are not limited to the configuration in which the double tube 32 as described above is provided inside, but any configuration such as a shell-and-tube type reactor or the like is used. Can be a reactor of.
  • the synthetic gas produced by the synthetic gas production apparatus A is pressurized by the synthetic gas compressor 11 to flow through the synthetic gas supply line 2.
  • the synthetic gas flowing through the synthetic gas supply line 2 flows into the first synthetic reactor 3, and carbon dioxide and hydrogen react with each other in the presence of the methanol synthesis catalyst 33 (see FIG. 3), or one in the synthetic gas.
  • carbon oxide is contained, carbon monoxide also reacts with hydrogen to synthesize methanol.
  • the heat generated by the methanol synthesis reaction is cooled by the boiler supply water supplied from the boiler 20 via the cooling water supply line 21, and the reaction temperature in the first synthesis reactor 3 is adjusted.
  • the boiler supply water used for adjusting the reaction temperature in the first synthetic reactor 3 is returned to the boiler 20 via the cooling water outflow line 22.
  • the outflow gas flowing out from the first synthetic reactor 3 flows through the outflow gas flow line 4 and flows into the second synthetic reactor 5.
  • the second synthesis reactor 5 unreacted components in the effluent gas react in the presence of the methanol synthesis catalyst 33 (see FIG. 3) to synthesize methanol.
  • the second synthetic reactor 5 also generates heat due to the methanol synthesis reaction, but a part of the synthetic gas flowing through the synthetic gas supply line 2 is supplied to the second synthetic reactor 5 via the cooling gas supply line 15.
  • the synthetic gas cools the heat generated by the methanol synthesis reaction and regulates the reaction temperature in the second synthetic reactor 5.
  • the outflow gas that has flowed into the internal space 30 of the container 31 of the second synthesis reactor 5 flows into the methanol synthesis catalyst 33 from the upstream end face 33a, and while receiving the catalytic action, methanol synthesis proceeds toward the downstream end face 33b. Flow out from the methanol synthesis catalyst 33 via the downstream end face 33b.
  • the gas that has flowed out of the methanol synthesis catalyst 33 that is, the synthesized methanol gas and the unreacted gas that has not been used in the methanol synthesis reaction, flows out from the internal space 30 and flows through the final outflow gas flow line 7 as the final outflow gas.
  • the methanol synthesis catalyst 33 there is a region on the upstream end surface 33a side where the double pipe 32 does not exist, and there is no cooling action by the synthetic gas flowing through the double pipe 32 in this region. Therefore, the outflow gas flowing into the methanol synthesis catalyst 33 from the upstream end surface 33a is not cooled in the region where the double pipe 32 does not exist, so that the temperature rises due to the heat generated by the methanol synthesis reaction.
  • the effluent gas reaches the location where the double pipe 32 exists, the effluent gas exchanges heat with the synthetic gas flowing through the double pipe 32 until it flows out from the methanol synthesis catalyst 33 via the downstream end surface 33b. It is cooled by.
  • the cooling action by the synthetic gas is not particularly necessary. During this time, the temperature of the outflow gas rises to a temperature suitable for the methanol synthesis reaction. When the temperature of the outflow gas rises sufficiently while the outflow gas flows from the upstream end face 33a to the downstream end face 33b, heat exchange of heat exchange with the synthetic gas flowing through the double pipe 32 starts. Therefore, the reaction temperature in the second synthetic reactor 5 is appropriately adjusted.
  • the synthetic gas used for adjusting the reaction temperature in the second synthetic reactor 5 is returned to the synthetic gas supply line 2 via the cooling gas outflow line 16.
  • the synthetic gas returned to the synthetic gas supply line 2 via the cooling gas outflow line 16 has a higher temperature than the synthetic gas flowing through the synthetic gas supply line 2 by adjusting the reaction temperature in the second synthetic reactor 5. There is. Therefore, the temperature of the synthetic gas flowing through the synthetic gas supply line 2 rises due to the mixing of the synthetic gas returned to the synthetic gas supply line 2 via the cooling gas outflow line 16. Further, when the heat exchanger 13 is provided, the temperature of the synthetic gas is also raised by heat exchange with the final outflow gas, so that the temperature of the synthetic gas flowing through the synthetic gas supply line 2 further rises.
  • the synthetic gas flowing into the first synthetic reactor 3 becomes a temperature closer to the temperature suitable for the methanol synthesis reaction than in the case where the temperature is not raised until the synthetic gas flows into the first synthetic reactor 3. Therefore, the methanol synthesis reaction in the first synthetic reactor 3 can be promoted.
  • the final effluent gas spilled from the second synthetic reactor 5 is further cooled by the cooling device 12 or, if the heat exchanger 13 is provided, by the heat exchanger 13 while flowing through the final effluent gas flow line 7. It flows into the gas-liquid separator 8.
  • the methanol contained in the final effluent gas is liquefied. Therefore, in the gas-liquid separation device 8, the liquefied methanol and the gas component are separated.
  • the liquefied methanol is withdrawn as crude methanol from the gas-liquid separation device 8 via the extraction line 9, and is supplied to a purification device (not shown) to produce high-purity methanol.
  • the gas component in the gas-liquid separation device 8 flows out from the gas-liquid separation device 8 as recycled gas, is boosted by the recycled gas compressor 14, flows through the recycling line 10, and is returned to the synthetic gas supply line 2. Since the recycled gas is mainly an unreacted gas that has not been used in the methanol synthesis reaction, it is supplied to the first synthetic reactor 3 together with the syngas from the syngas production apparatus A and used again as a raw material for methanol synthesis. Will be done.
  • a part of the synthetic gas flowing through the synthetic gas supply line 2 can be supplied to the outflow gas flow line 4 via the bypass line 6. That is, a part of the synthetic gas flowing through the synthetic gas supply line 2 can be supplied to the second synthetic reactor 5 by bypassing the first synthetic reactor 3.
  • the ratio of the synthetic gas bypassing the first synthetic reactor 3 by adjusting the opening degree of the flow rate adjusting valve 41. Can be controlled.
  • the synthetic gas flow rate control device 40 further includes a concentration sensor 42 for detecting the concentration of carbon dioxide in the synthetic gas, and a control device 43 to which the flow rate adjusting valve 41 and the concentration sensor 42 are electrically connected. In this case, the ratio of the synthetic gas bypassing the first synthetic reactor can be controlled according to the concentration of carbon dioxide in the synthetic gas.
  • a gas-cooled reactor is more suitable for enlarging the reactor itself than a water-cooled reactor. Therefore, by increasing the size of the second synthesis reactor 5 which is a gas cooling reactor and increasing the amount of the methanol synthesis catalyst 33, the amount of methanol synthesis in the second synthesis reactor 5 can be increased. , The amount of methanol synthesized in the second synthetic reactor 5 can be increased while suppressing the amount of methanol synthesized in the first synthetic reactor 3. As a result, the first synthetic reactor 3 can be designed to be small, so that the production cost of methanol can be reduced.
  • the amount of methanol synthesized in the second synthetic reactor 5 can be increased according to the concentration of carbon dioxide in the synthetic gas, so that the concentration of carbon dioxide in the synthetic gas can be increased. Even when the value is high, deterioration of the production cost of methanol can be suppressed.
  • Example 1 An example of the mass balance when producing methanol in the methanol production facility 1 having the configuration of FIG. 1 is shown in Table 1 below as Example 1.
  • the fluid 1 is a synthetic gas from the synthetic gas production apparatus A
  • the fluid 2 is a synthetic gas flowing into the first synthetic reactor 3
  • the fluid 3 flows out from the first synthetic reactor 3 and is bypassed.
  • the fluid 4 is the recycled gas outflowing from the gas-liquid separation device 8
  • the fluid 5 is the crude methanol extracted from the gas-liquid separation device 8.
  • the fluid 6 is the final outflow gas that has flowed out of the second synthetic reactor 5 and has not been cooled by the heat exchanger 13, and the fluid 7 is the synthetic gas that flows through the bypass line 6.
  • the synthetic amounts of methanol in the first synthetic reactor 3 and the second synthetic reactor 5 are 64 ton / hr and 66 ton / hr, respectively, and the flow rate of crude methanol (fluid 5) is 128 ton. / Hr.
  • the conversion rate of methanol on a carbon basis is 97.5%.
  • Example 2 An example of the mass balance when synthesizing methanol with a synthetic gas containing carbon dioxide and hydrogen as main components and not containing carbon monoxide in the methanol production facility 1 having the configuration shown in FIG. 1 is shown in Table 2 below as Example 2.
  • Each of the fluids 1 to 7 of the second embodiment is the same fluid as the fluids 1 to 7 of the first embodiment.
  • the synthetic amounts of methanol in the first synthetic reactor 3 and the second synthetic reactor 5 are 47 ton / hr and 78 ton / hr, respectively, and the flow rate of crude methanol (fluid 5) is 124 ton. / Hr.
  • the conversion rate of methanol on a carbon basis is 94.6%.
  • Table 3 below shows an example of the mass balance when producing methanol in the methanol production facility in which the bypass line 6 is removed from the configuration of FIG. 1 and the other configurations are the same as those of FIG. 1 as Comparative Example 1.
  • each of the fluids 1 to 6 is the same fluid as the fluids 1 to 6 of the first embodiment, and the fluid 7 does not exist in the comparative example 1.
  • the synthetic amounts of methanol in the first synthetic reactor 3 and the second synthetic reactor 5 are 110 ton / hr and 18 ton / hr, respectively, and the flow rate of crude methanol (fluid 5) is 128 ton. / Hr.
  • the conversion rate of methanol on a carbon basis is 97.3%.
  • Example 1 in the methanol production facility not provided with the bypass line 6 the amount of methanol synthesized in the first synthesis reactor 3 is about 6 times the amount of methanol synthesized in the second synthesis reactor 5. Therefore, the first synthetic reactor 3 cannot be designed to be small.
  • Example 1 in the methanol production facility 1 provided with the bypass line 6 a part of the synthetic gas supplied to the first synthetic reactor 3 is bypassed by the first synthetic reactor 3 to perform the second synthetic reaction. It is supplied to the vessel 5.
  • the amounts of methanol synthesized in each of the first synthetic reactor 3 and the second synthetic reactor 5 are substantially the same.
  • the amount of methanol synthesized in the second synthetic reactor 5 can be increased while suppressing the amount of methanol synthesized in the first synthetic reactor 3.
  • the first synthetic reactor 3 can be designed to be small, so that the production cost of methanol can be reduced.
  • Example 2 in the methanol production facility 1 provided with the bypass line 6 methanol is synthesized from a synthetic gas containing carbon dioxide and hydrogen and not containing carbon monoxide.
  • the higher the carbon dioxide concentration in the synthetic gas the slower the reaction rate of the methanol synthesis reaction, so the amount of methanol synthesis catalyst required tends to be larger than when methanol is synthesized from a synthetic gas with a low carbon dioxide concentration. is there.
  • the ratio of the synthetic gas that bypasses the first synthetic reactor 3 can be controlled according to the carbon dioxide concentration in the synthetic gas.
  • the second synthesis reactor 5 which is a gas-cooled reactor, is enlarged to increase the size of the methanol synthesis catalyst 33.
  • the amount of methanol synthesized in the second synthetic reactor 5 can be increased according to the concentration of carbon dioxide in the synthetic gas, so that even when the concentration of carbon dioxide in the synthetic gas is high, Deterioration of the production cost of methanol can be suppressed.
  • the methanol production facility is A methanol production facility (1) that synthesizes methanol from a synthetic gas containing at least carbon dioxide and hydrogen as a raw material.
  • the first synthetic reactor (3) which is a water-cooled reactor connected to the synthetic gas supply line (2) and in which methanol is synthesized from the synthetic gas as a raw material, Flowing outflow gas that flows after the outflow gas containing methanol synthesized in the first synthetic reactor (3) and unreacted gas not used in the synthesis reaction of methanol flows out from the first synthetic reactor (3).
  • a second synthetic reactor (5) which is a gas cooling reactor connected to the effluent gas flow line (4) and in which methanol is synthesized from the unreacted gas in the effluent gas
  • a bypass line (6) for supplying a part of the synthetic gas flowing through the synthetic gas supply line (2) to the outflow gas flow line (4) is provided.
  • the first synthesis is performed by allowing a part of the syngas supplied to the first synthesis reactor to be supplied to the second synthesis reactor by bypassing the first synthesis reactor.
  • the amount of methanol synthesized in the second synthetic reactor can be increased while suppressing the amount of methanol synthesized in the reactor.
  • the first synthetic reactor can be designed to be small, so that the production cost of methanol can be reduced.
  • the methanol production facility according to another aspect is the methanol production facility according to [1].
  • a synthetic gas flow rate control device (40) for controlling the flow rate of the synthetic gas flowing through the bypass line (6) is provided.
  • the ratio of the synthetic gas bypassing the first synthetic reactor can be controlled according to the carbon dioxide concentration in the synthetic gas. Since the gas-cooled reactor is more suitable for increasing the size of the reactor itself than the water-cooled reactor, the size of the second synthesis reactor, which is a gas-cooled reactor, is increased to increase the amount of the methanol synthesis catalyst.
  • the amount of methanol synthesized in the second synthetic reactor can be increased according to the concentration of carbon dioxide in the synthetic gas. Therefore, even when the concentration of carbon dioxide in the synthetic gas is high, methanol can be produced. Deterioration of cost can be suppressed.
  • the methanol production facility according to still another aspect is the methanol production facility according to [1] or [2].
  • the cooling gas in the second synthetic reactor (5) is a part of the synthetic gas flowing through the synthetic gas supply line (2).
  • the production cost of methanol can be improved as compared with the case where a gas different from the synthetic gas used in the methanol production facility is prepared as the cooling gas in the second synthetic reactor. it can.
  • the methanol production facility according to still another aspect is the methanol production facility according to any one of [1] to [3].
  • a copper-zinc-based or precious metal-based methanol synthesis catalyst (23) is contained in the first synthetic reactor (3) and the second synthetic reactor (5), respectively.
  • the production cost of methanol can be improved by using an appropriate methanol synthesis catalyst.
  • the method for producing methanol is A method for producing methanol that synthesizes methanol from a synthetic gas containing at least carbon dioxide and hydrogen as a raw material.
  • Methanol is synthesized from a part of the synthetic gas extracted in the extraction step and an outflow gas containing methanol synthesized in the first synthesis step and an unreacted gas not used in the synthesis reaction of methanol as raw materials.
  • the heat generated by the methanol synthesis reaction is cooled by heat exchange with cooling water
  • the heat generated by the methanol synthesis reaction is cooled by heat exchange with a cooling gas.
  • a part of the synthetic gas used in the first synthesis step is extracted and supplied together with the effluent gas as a raw material of the second synthesis step to synthesize methanol in the first synthesis step.
  • the amount of methanol synthesized in the second synthesis step can be increased while suppressing the amount.
  • the reactor used in the first synthesis step can be designed to be small, so that the production cost of methanol can be reduced.

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Abstract

少なくとも二酸化炭素及び水素を含む合成ガスを原料としてメタノールを合成するメタノール製造設備は、メタノール製造設備に合成ガスを供給するための合成ガス供給ラインと、合成ガス供給ラインに接続され、合成ガスを原料としてメタノールが合成される、水冷却反応器である第１合成反応器と、第１合成反応器において合成されたメタノール及びメタノールの合成反応に使用されなかった未反応ガスを含む流出ガスが第１合成反応器から流出した後に流通する流出ガス流通ラインと、流出ガス流通ラインに接続され、流出ガス中の未反応ガスを原料としてメタノールが合成される、ガス冷却反応器である第２合成反応器と、合成ガス供給ラインを流通する合成ガスの一部を流出ガス流通ラインに供給するためのバイパスラインとを備える。

Description

メタノール製造設備及びメタノール製造方法
　本開示は、メタノール製造設備及びメタノール製造方法に関する。
　天然ガスを原料としてメタノールを製造する場合、まずは天然ガスを改質して、一酸化炭素と少量の二酸化炭素と水素とを含む合成ガスを製造する。その後、メタノール合成触媒下でこの合成ガスを反応させてメタノールを合成する。メタノールの合成反応は以下の反応式（１）～（３）で表される。
　　ＣＯ＋２Ｈ２⇔ＣＨ３ＯＨ　・・・（１）
　　ＣＯ２＋Ｈ２⇔ＣＯ＋Ｈ２Ｏ　・・・（２）
　　ＣＯ２＋３Ｈ２⇔ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ　・・・（３）
　反応式（１）及び（３）は発熱反応であるのに対し反応式（２）は吸熱反応であり、反応式（１）～（３）のトータルでは発熱反応となる。このため、反応温度が低いほどメタノールの合成転化率は向上することと、メタノール合成触媒の耐久性の観点とから、反応温度を低くすることが重要である。一方で、反応速度の観点からは反応温度が高い方が望ましい。したがって、適正な温度でメタノールの合成反応を進行させる必要がある。
　合成ガスを原料としてメタノールを合成する装置が特許文献１に記載されている。この装置は、２つのメタノール合成反応器、すなわち第１合成反応器と第２合成反応器とを備えている。合成ガスが第１合成反応器及び第２合成反応器を順次流通しながら各反応器で反応して、メタノールが合成される。この装置において、第１合成反応器は水冷却反応器であり、第２合成反応器はガス冷却反応器である。通常、１段目の第１合成反応器におけるメタノールの合成量は相対的に２段目の第２合成反応器よりも大きいので、第１合成反応器を水冷却反応器とすることにより、相対的に発熱量の大きい第１合成反応器の冷却能力を高めることができ、各反応器における反応温度を適切に制御することができる。
米国特許第８６２９１９１号明細書
　しかしながら、第１合成反応器におけるメタノールの合成量は相対的に２段目の第２合成反応器よりも大きいことから、第１合成反応器のサイズを小さく設計することができないので、メタノール製造設備のコストが大きくなるといった問題点があった。
　上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、１段目の水冷却反応器と２段目のガス冷却反応器とを備えるメタノール製造設備及びメタノール製造方法において、メタノールの製造コストの低減を可能とすることを目的とする。
　上記目的を達成するため、本開示に係るメタノール製造設備は、少なくとも二酸化炭素及び水素を含む合成ガスを原料としてメタノールを合成するメタノール製造設備であって、前記メタノール製造設備に前記合成ガスを供給するための合成ガス供給ラインと、前記合成ガス供給ラインに接続され、前記合成ガスを原料としてメタノールが合成される、水冷却反応器である第１合成反応器と、前記第１合成反応器において合成されたメタノール及びメタノールの合成反応に使用されなかった未反応ガスを含む流出ガスが前記第１合成反応器から流出した後に流通する流出ガス流通ラインと、前記流出ガス流通ラインに接続され、前記流出ガス中の前記未反応ガスを原料としてメタノールが合成される、ガス冷却反応器である第２合成反応器と、前記合成ガス供給ラインを流通する前記合成ガスの一部を前記流出ガス流通ラインに供給するためのバイパスラインとを備える。
　また、本開示に係るメタノール製造方法は、少なくとも二酸化炭素及び水素を含む合成ガスを原料としてメタノールを合成するメタノール製造方法であって、前記合成ガスを準備する準備ステップと、前記合成ガスを原料としてメタノールを合成する第１合成ステップと、前記第１合成ステップに使用される前記合成ガスの一部を抜き出す抜き出しステップと、前記抜き出しステップで抜き出された前記合成ガスの一部と、前記第１合成ステップにおいて合成されたメタノール及びメタノールの合成反応に使用されなかった未反応ガスを含む流出ガスとを原料としてメタノールを合成する第２合成ステップとを含み、前記第１合成ステップでは、メタノール合成反応による発熱を冷却水との熱交換によって冷却し、前記第２合成ステップでは、メタノール合成反応による発熱を冷却用のガスとの熱交換によって冷却する。
　本開示のメタノール製造設備によれば、第１合成反応器に供給する合成ガスの一部を、第１合成反応器をバイパスして第２合成反応器に供給可能にすることにより、第１合成反応器におけるメタノールの合成量を抑制しながら第２合成反応器におけるメタノールの合成量を増加することができる。これにより、第１合成反応器を小さく設計することができるので、メタノールの製造コストの低減が可能となる。
本開示の一実施形態に係るメタノール製造設備の構成図である。 本開示の別の実施形態に係るメタノール製造設備の構成図である。 本開示の一実施形態に係るメタノール製造設備の第２合成反応器の構成の断面模式図である。 図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面模式図である。 本開示の一実施形態に係るメタノール製造設備の第２合成反応器の別の構成の断面模式図である。
　以下、本開示の実施の形態によるメタノール製造設備及びメタノール製造方法について、図面に基づいて説明する。係る実施の形態は、本開示の一態様を示すものであり、この開示を限定するものではなく、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。
＜本開示のメタノール製造設備の構成＞
　図１に示されるように、本開示の一実施形態に係るメタノール製造設備１は、メタノール製造設備１に合成ガスを供給するための合成ガス供給ライン２と、合成ガス供給ライン２に接続され、合成ガスを原料としてメタノールが合成される第１合成反応器３と、第１合成反応器３において合成されたメタノール及びメタノールの合成反応に使用されなかった未反応ガスを含む流出ガスが第１合成反応器３から流出した後に流通する流出ガス流通ライン４と、流出ガス流通ライン４に接続され、流出ガス中の未反応ガスを原料としてメタノールが合成される第２合成反応器５と、合成ガス供給ライン２を流通する合成ガスの一部を流出ガス流通ライン４に供給するためのバイパスライン６とを備えている。
　ここで、合成ガスとは、少なくとも二酸化炭素及び水素を含むガスである。例えば、天然ガスをスチームリフォーミング又はドライリフォーミングによって改質した改質ガスが合成ガスの場合には、この合成ガスには、一酸化炭素と少量の二酸化炭素と水素とが少なくとも含まれている。また、二酸化炭素と水素とを含むガスが合成ガスであってもよい。この場合には、例えば、任意のプラントの燃焼装置から排出される燃焼ガスから回収した二酸化炭素と、水の電気分解によって得られた水素とを混合させて合成ガスを得ることができる。
　合成ガス供給ライン２には、合成ガス製造装置Ａで製造された合成ガスを昇圧するための合成ガス圧縮機１１が設けられている。上記の例で言えば、合成ガス製造装置Ａは、天然ガスを改質する改質装置であってもよいし、任意の方法で得られた二酸化炭素及び水素を混合する装置であってもよい。
　第２合成反応器５には、第２合成反応器５から流出する最終流出ガスが流通する最終流出ガス流通ライン７が接続されている。最終流出ガス流通ライン７の下流端は、気液分離装置８に接続されている。気液分離装置８の底部には、分離された液体成分（主に粗メタノール）を抜き出すための抜出ライン９が接続され、気液分離装置８の頂部には、下流端が合成ガス供給ライン２に接続されたリサイクルライン１０の上流端が接続されている。最終流出ガス流通ライン７には、最終流出ガスを冷却する冷却装置１２が設けられている。メタノール製造設備１には、合成ガス供給ライン２を流通する合成ガスと最終流出ガス流通ライン７を流通する最終流出ガスとを熱交換させるための熱交換器１３を設けることもできる。
　リサイクルライン１０には、リサイクルライン１０を流通するリサイクルガスを昇圧するためリサイクルガス圧縮機１４が設けられている。図１の構成では、バイパスライン６は、リサイクルライン１０の下流端が合成ガス供給ライン２に接続される位置よりも下流側で合成ガス供給ライン２から分岐しているが、図２の構成のように、バイパスライン６は、リサイクルライン１０の下流端が合成ガス供給ライン２に接続される位置よりも上流側で合成ガス供給ライン２から分岐してもよい。
　メタノール製造設備１には、必須の構成ではないが、バイパスライン６を流通する合成ガスの流量を制御する合成ガス流量制御装置４０を設けてもよい。合成ガス流量制御装置４０は、バイパスライン６に設けられた流量調整弁４１を備えている。バイパスライン６に流量調整弁４１を設けることで、第１合成反応器３をバイパスする合成ガスの比率を制御することができる。また、合成ガス流量制御装置４０は、合成ガス中の二酸化炭素の濃度を検出するための濃度センサ４２と、流量調整弁４１及び濃度センサ４２が電気的に接続された制御装置４３とを備えることもできる。この構成により、合成ガス中の二酸化炭素濃度に応じて、第１合成反応器３をバイパスする合成ガスの比率を自動で制御することができる。
　図１及び２のいずれの構成においても、第１合成反応器３は水冷却反応器である。第１合成反応器３で使用される冷却水は特に限定するものではなく、任意の冷却水を使用することができるが、例えば、ボイラ２０に給水されるボイラ給水を使用することができる。この場合、上流端がボイラ２０に接続されるとともに下流端が第１合成反応器３に接続される冷却水供給ライン２１と、上流端が第１合成反応器３に接続されるとともに下流端がボイラ２０に接続される冷却水流出ライン２２とが設けられている。
　一方、第２合成反応器５はガス冷却反応器である。第２合成反応器５で使用される冷却ガスは特に限定するものではなく、任意のガスを冷却ガスとして使用することができるが、例えば、合成ガス供給ライン２を流通する合成ガスの一部を使用することができる。この場合は、上流端が熱交換器１３よりも上流側で合成ガス供給ライン２から分岐するとともに下流端が第２合成反応器５に接続される冷却ガス供給ライン１５と、上流端が第２合成反応器５に接続されるとともに他端が熱交換器１３よりも上流側で合成ガス供給ライン２に合流する冷却ガス流出ライン１６とが設けられている。尚、冷却ガス流出ライン１６と合成ガス供給ライン２との合流位置は、冷却ガス供給ライン１５が合成ガス供給ライン２から分岐する位置よりも下流側である。冷却用のガスとして合成ガスの一部を使用することにより、メタノール製造設備１で使用する合成ガスとは別のガスを準備する場合に比べて、メタノールの製造コストを向上することができる。
　図３には、第２合成反応器５の構成の一例が示されている。第２合成反応器５は、内部空間３０が形成された容器３１と、内部空間３０に設けられた複数の二重管３２と、各二重管３２を取り囲むようにして内部空間３０に収容されたメタノール合成触媒３３とを備えている。メタノール合成触媒３３の種類は特に限定しないが、例えば、銅－亜鉛系又は貴金属系の触媒を使用することができる。適切なメタノール合成触媒３３を使用することにより、メタノールの製造コストを向上することができる。
　図３では、内部空間３０に上から下向きに流出ガスが流入するように描かれている。内部空間３０に収容されたメタノール合成触媒３３は、内部空間３０を合成ガスが流通する方向において上流側の端面である上流側端面３３ａと、下流側の端面である下流側端面３３ｂとを含んでいる。流出ガス流通ライン４は、上流側端面３３ａよりも上流側で容器３１に接続されている。最終流出ガス流通ライン７は、下流側端面３３ｂよりも下流側で容器３１に接続されている。二重管３２の一端は、内部空間３０を合成ガスが流通する方向において下流側端面３３ｂよりも下流側に位置するとともに、二重管３２の他端は、上流側端面３３ａと下流側端面３３ｂとの間に位置している。
　二重管３２は、上流側端面３３ａと下流側端面３３ｂとの間に位置する一端が閉じた外管３４と、外管３４の内部に設けられる内管３５とを有している。外管３４の他端は、容器３１に接続された冷却ガス供給ライン１５に内部空間３０を介して連通している。内管３５の一端は、容器３１に接続された冷却ガス流出ライン１６に内部空間３０を介して連通し、内管３５の他端は、外管３４内において開口している。これにより、冷却ガス供給ライン１５を介して容器３１に流入した冷却ガスすなわち合成ガスは、外管３４の内部に流入し、外管３４内において開口する内管３５の他端から内管３５内に流入し、内管３５を流通した後、容器３１から流出して冷却ガス流出ライン１６を流通するようになる。
　尚、内部空間３０に設けられる二重管３２は、図４に示されるような円柱形状であってもよく、図５に示されるようなプレート形状であってもよい。図３～５は第２合成反応器５の構成を示しているが、これらの構成を第１合成反応器３（図１参照）に適用してもよい。この場合、上記説明において、流出ガス流通ライン４、最終流出ガス流通ライン７、冷却ガス供給ライン１５及び冷却ガス流出ライン１６をそれぞれ、合成ガス供給ライン２（図１参照）、流出ガス流通ライン４、冷却水供給ライン２１（図１参照）及び冷却水流出ライン２２（図１参照）に読み替えることで、第１合成反応器３の構成の説明となる。
　尚、第１合成反応器３及び第２合成反応器５はそれぞれ、上記のような二重管３２を内部に設ける構成に限定するものではなく、シェルアンドチューブ型の反応器等、任意の構成の反応器とすることができる。
＜本開示のメタノール製造設備の動作＞
　図１に示されるように、合成ガス製造装置Ａで製造された合成ガスは、合成ガス圧縮機１１によって昇圧されることにより、合成ガス供給ライン２を流通する。合成ガス供給ライン２を流通する合成ガスは、第１合成反応器３に流入し、メタノール合成触媒３３（図３参照）の存在下で二酸化炭素と水素とが反応し、又は合成ガス中に一酸化炭素が含まれている場合には一酸化炭素も水素と反応して、メタノールが合成される。メタノール合成反応による発熱は、ボイラ２０から冷却水供給ライン２１を介して供給されるボイラ給水によって冷却されて、第１合成反応器３における反応温度が調節される。第１合成反応器３における反応温度の調節に使用されたボイラ給水は、冷却水流出ライン２２を介してボイラ２０に戻される。
　第１合成反応器３から流出した流出ガスは、流出ガス流通ライン４を流通して第２合成反応器５に流入する。第２合成反応器５において、メタノール合成触媒３３（図３参照）の存在下で流出ガス中の未反応成分が反応して、メタノールが合成される。第２合成反応器５においてもメタノール合成反応による発熱があるが、合成ガス供給ライン２を流通する合成ガスの一部が冷却ガス供給ライン１５を介して第２合成反応器５に供給されて、この合成ガスによってメタノール合成反応による発熱が冷却されて、第２合成反応器５における反応温度が調節される。
　具体的には、図３に示されるように。第２合成反応器５の容器３１の内部空間３０に流入した流出ガスは、上流側端面３３ａからメタノール合成触媒３３に流入し、その触媒作用を受けながらメタノール合成が進みつつ下流側端面３３ｂに向かって流れ、下流側端面３３ｂを介してメタノール合成触媒３３から流出する。メタノール合成触媒３３から流出したガス、すなわち合成されたメタノールガスとメタノール合成反応に使用されなかった未反応ガスは、内部空間３０から流出し、最終流出ガスとして最終流出ガス流通ライン７を流通する。
　メタノール合成触媒３３のうち上流側端面３３ａ側には二重管３２が存在しない領域が存在し、この領域では二重管３２を流通する合成ガスによる冷却作用はない。このため、上流側端面３３ａからメタノール合成触媒３３に流入した流出ガスは、二重管３２が存在しない領域では冷却されないので、メタノール合成反応の発熱により温度が上昇していく。二重管３２が存在する箇所に流出ガスが達すると、流出ガスは、下流側端面３３ｂを介してメタノール合成触媒３３から流出するまでの間、二重管３２を流通する合成ガスと熱交換することにより冷却される。
　流出ガスがメタノール合成触媒３３に流入してしばらくの間は、メタノール合成反応の発熱が生じ始めたばかりであるので、合成ガスによる冷却作用は特に必要ない。この間に、メタノール合成反応に適した温度まで流出ガスの温度が上昇する。流出ガスが上流側端面３３ａから下流側端面３３ｂに向かって流出ガスが流通する間に流出ガスの温度が十分上昇すると、二重管３２を流通する合成ガスと熱交換の熱交換が始まるようになるので、第２合成反応器５における反応温度が適切に調節される。
　図１に示されるように、第２合成反応器５における反応温度の調節に使用された合成ガスは、冷却ガス流出ライン１６を介して合成ガス供給ライン２に戻される。冷却ガス流出ライン１６を介して合成ガス供給ライン２に戻される合成ガスは、第２合成反応器５における反応温度の調節によって、合成ガス供給ライン２を流通する合成ガスよりも高い温度になっている。このため、合成ガス供給ライン２を流通する合成ガスは、冷却ガス流出ライン１６を介して合成ガス供給ライン２に戻される合成ガスの混入により、温度が上昇する。また、熱交換器１３が設けられる場合には、合成ガスは最終流出ガスとの熱交換によっても昇温されるので、合成ガス供給ライン２を流通する合成ガスの温度はさらに上昇する。これにより、第１合成反応器３に流入する合成ガスは、第１合成反応器３に流入するまでの間に昇温されない場合に比べて、メタノール合成反応に適した温度に近い温度になっているので、第１合成反応器３におけるメタノール合成反応を促進することができる。
　第２合成反応器５から流出した最終流出ガスは、最終流出ガス流通ライン７を流通する間に、冷却装置１２によって、又は熱交換器１３が設けられる場合にはさらに熱交換器１３によって冷却されて気液分離装置８に流入する。最終流出ガスを冷却することにより、最終流出ガスに含まれるメタノールが液化する。このため、気液分離装置８では、液化したメタノールと、ガス成分とが分離される。液化したメタノールは、気液分離装置８から抜出ライン９を介して粗メタノールとして抜き出され、図示しない精製装置に供給されて高純度のメタノールが製造される。
　一方、気液分離装置８内のガス成分は、リサイクルガスとして気液分離装置８から流出し、リサイクルガス圧縮機１４によって昇圧されてリサイクルライン１０を流通し、合成ガス供給ライン２に戻される。リサイクルガスは主に、メタノールの合成反応に使用されなかった未反応ガスであるので、合成ガス製造装置Ａからの合成ガスと共に第１合成反応器３に供給されて、メタノール合成の原料として再び使用される。
　尚、メタノール製造設備１では、合成ガス供給ライン２を流通する合成ガスの一部を、バイパスライン６を介して流出ガス流通ライン４に供給することができる。すなわち、合成ガス供給ライン２を流通する合成ガスの一部を、第１合成反応器３をバイパスして第２合成反応器５に供給することができる。
　合成ガス流量制御装置４０である流量調整弁４１がバイパスライン６に設けられている場合は、流量調整弁４１の開度を調整することにより、第１合成反応器３をバイパスする合成ガスの比率を制御できる。これにより、第１合成反応器３及び第２合成反応器５のそれぞれで合成されるメタノールの合成量の比率を制御することができる。また、合成ガス流量制御装置４０が、合成ガス中の二酸化炭素の濃度を検出するための濃度センサ４２と、流量調整弁４１及び濃度センサ４２が電気的に接続された制御装置４３とをさらに備える場合は、合成ガス中の二酸化炭素濃度に応じて、第１合成反応器をバイパスする合成ガスの比率を制御できる。
　通常、水冷却反応器に比べてガス冷却反応器の方が反応器自体を大型化するのに適している。このため、ガス冷却反応器である第２合成反応器５を大型化してメタノール合成触媒３３の量を増やしておくことにより、第２合成反応器５におけるメタノールの合成量を増加することができるので、第１合成反応器３におけるメタノールの合成量を抑制しながら第２合成反応器５におけるメタノールの合成量を増加することができる。これにより、第１合成反応器３を小さく設計することができるので、メタノールの製造コストの低減が可能となる。さらに、合成ガス流量制御装置４０を設けることにより、合成ガス中の二酸化炭素濃度に応じて、第２合成反応器５におけるメタノールの合成量を増加することができるので、合成ガス中の二酸化炭素濃度が高い場合でも、メタノールの製造コストの悪化を抑制することができる。
＜本開示のメタノール製造設備の実施例＞
（実施例１）
　図１の構成のメタノール製造設備１において、メタノールを製造する際の物質収支の一例を実施例１として下記表１に示す。尚、流体１は、合成ガス製造装置Ａからの合成ガスであり、流体２は、第１合成反応器３に流入する合成ガスであり、流体３は、第１合成反応器３から流出しバイパスライン６からの合成ガスと合流する前の流出ガスであり、流体４は、気液分離装置８から流出したリサイクルガスであり、流体５は、気液分離装置８から抜き出された粗メタノールであり、流体６は、第２合成反応器５から流出し熱交換器１３によって冷却される前の最終流出ガスであり、流体７は、バイパスライン６を流通する合成ガスである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１の物質収支の条件で第１合成反応器３及び第２合成反応器５のそれぞれにおけるメタノールの合成量は、６４ｔｏｎ／ｈｒ及び６６ｔｏｎ／ｈｒであり、粗メタノール（流体５）の流量は１２８ｔｏｎ／ｈｒである。カーボンベースでのメタノール転化率は９７．５％となる。
（実施例２）
　図１の構成のメタノール製造設備１において、二酸化炭素及び水素を主成分として一酸化炭素を含まない合成ガスでメタノールの合成を行う際の物質収支の一例を実施例２として下記表２に示す。実施例２の流体１～７のぞれぞれは実施例１の流体１～７と同じ流体である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２の物質収支の条件で第１合成反応器３及び第２合成反応器５のそれぞれにおけるメタノールの合成量は、４７ｔｏｎ／ｈｒ及び７８ｔｏｎ／ｈｒであり、粗メタノール（流体５）の流量は１２４ｔｏｎ／ｈｒである。カーボンベースでのメタノール転化率は９４．６％となる。
（比較例１）
　図１の構成からバイパスライン６を取り除きその他の構成は図１と同じであるメタノール製造設備において、メタノールを製造する際の物質収支の一例を比較例１として下記表３に示す。この場合、流体１～６のぞれぞれは実施例１の流体１～６と同じ流体であり、比較例１では流体７は存在しない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３の物質収支の条件で第１合成反応器３及び第２合成反応器５のそれぞれにおけるメタノールの合成量は、１１０ｔｏｎ／ｈｒ及び１８ｔｏｎ／ｈｒであり、粗メタノール（流体５）の流量は１２８ｔｏｎ／ｈｒである。カーボンベースでのメタノール転化率は９７．３％となる。
＜本開示のメタノール製造設備で得られる作用効果＞
　バイパスライン６が設けられていないメタノール製造設備における比較例１では、第１合成反応器３におけるメタノールの合成量が第２合成反応器５におけるメタノールの合成量の約６倍となっている。このため、第１合成反応器３を小さく設計することができない。一方で、バイパスライン６が設けられたメタノール製造設備１における実施例１では、第１合成反応器３に供給する合成ガスの一部を、第１合成反応器３をバイパスして第２合成反応器５に供給している。実施例１では、第１合成反応器３及び第２合成反応器５のそれぞれにおけるメタノールの合成量がほぼ同等となっている。すなわち、第１合成反応器３におけるメタノールの合成量を抑制しながら第２合成反応器５におけるメタノールの合成量を増加することができる。これにより、第１合成反応器３を小さく設計することができるので、メタノールの製造コストの低減が可能となる。
　また、バイパスライン６が設けられたメタノール製造設備１における実施例２では、二酸化炭素及び水素を含み一酸化炭素を含まない合成ガスからメタノールを合成している。合成ガス中の二酸化炭素濃度が高いほどメタノール合成反応の反応速度は遅くなるため、二酸化炭素濃度が低い合成ガスからメタノールを合成する場合に比べて、必要なメタノール合成触媒の量が多くなる傾向がある。これに対し、バイパスライン６が設けられたメタノール製造設備１では、合成ガス中の二酸化炭素濃度に応じて、第１合成反応器を３バイパスする合成ガスの比率を制御できる。水冷却反応器に比べてガス冷却反応器の方が反応器自体を大型化するのに適していることから、ガス冷却反応器である第２合成反応器５を大型化してメタノール合成触媒３３の量を増やしておくことにより、合成ガス中の二酸化炭素濃度に応じて、第２合成反応器５におけるメタノールの合成量を増加することができるので、合成ガス中の二酸化炭素濃度が高い場合でも、メタノールの製造コストの悪化を抑制することができる。
　上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
［１］一の態様に係るメタノール製造設備は、
　少なくとも二酸化炭素及び水素を含む合成ガスを原料としてメタノールを合成するメタノール製造設備（１）であって、
　前記メタノール製造設備（１）に前記合成ガスを供給するための合成ガス供給ライン（２）と、
　前記合成ガス供給ライン（２）に接続され、前記合成ガスを原料としてメタノールが合成される、水冷却反応器である第１合成反応器（３）と、
　前記第１合成反応器（３）において合成されたメタノール及びメタノールの合成反応に使用されなかった未反応ガスを含む流出ガスが前記第１合成反応器（３）から流出した後に流通する流出ガス流通ライン（４）と、
　前記流出ガス流通ライン（４）に接続され、前記流出ガス中の前記未反応ガスを原料としてメタノールが合成される、ガス冷却反応器である第２合成反応器（５）と、
　前記合成ガス供給ライン（２）を流通する前記合成ガスの一部を前記流出ガス流通ライン（４）に供給するためのバイパスライン（６）と
を備える。
　本開示のメタノール製造設備によれば、第１合成反応器に供給する合成ガスの一部を、第１合成反応器をバイパスして第２合成反応器に供給可能にすることにより、第１合成反応器におけるメタノールの合成量を抑制しながら第２合成反応器におけるメタノールの合成量を増加することができる。これにより、第１合成反応器を小さく設計することができるので、メタノールの製造コストの低減が可能となる。
［２］別の態様に係るメタノール製造設備は、［１］に記載のメタノール製造設備であって、
　前記バイパスライン（６）を流通する前記合成ガスの流量を制御する合成ガス流量制御装置（４０）を備える。
　合成ガス中の二酸化炭素濃度が高いほどメタノール合成反応の反応速度は遅くなる。このため、二酸化炭素濃度が低い合成ガスからメタノールを合成する場合に比べて、必要なメタノール合成触媒の量が多くなる傾向がある。これに対し、上記［２］の構成によれば、合成ガス中の二酸化炭素濃度に応じて、第１合成反応器をバイパスする合成ガスの比率を制御できる。水冷却反応器に比べてガス冷却反応器の方が反応器自体を大型化するのに適していることから、ガス冷却反応器である第２合成反応器を大型化してメタノール合成触媒の量を増やしておくことにより、合成ガス中の二酸化炭素濃度に応じて、第２合成反応器におけるメタノールの合成量を増加することができるので、合成ガス中の二酸化炭素濃度が高い場合でも、メタノールの製造コストの悪化を抑制することができる。
［３］さらに別の態様に係るメタノール製造設備は、［１］または［２］に記載のメタノール製造設備であって、
　前記第２合成反応器（５）における冷却用のガスは、前記合成ガス供給ライン（２）を流通する前記合成ガスの一部である。
　このような構成によれば、第２合成反応器における冷却用のガスとして、メタノール製造設備で使用する合成ガスとは別のガスを準備する場合に比べて、メタノールの製造コストを向上することができる。
［４］さらに別の態様に係るメタノール製造設備は、［１］～［３］のいずれかに記載のメタノール製造設備であって、
　前記第１合成反応器（３）及び前記第２合成反応器（５）にはそれぞれ、銅－亜鉛系又は貴金属系のメタノール合成触媒（２３）が収容されている。
　このような構成によれば、適切なメタノール合成触媒を使用することにより、メタノールの製造コストを向上することができる。
［５］一の態様に係るメタノール製造方法は、
　少なくとも二酸化炭素及び水素を含む合成ガスを原料としてメタノールを合成するメタノール製造方法であって、
　前記合成ガスを準備する準備ステップと、
　前記合成ガスを原料としてメタノールを合成する第１合成ステップと、
　前記第１合成ステップに使用される前記合成ガスの一部を抜き出す抜き出しステップと、
　前記抜き出しステップで抜き出された前記合成ガスの一部と、前記第１合成ステップにおいて合成されたメタノール及びメタノールの合成反応に使用されなかった未反応ガスを含む流出ガスとを原料としてメタノールを合成する第２合成ステップと
を含み、
　前記第１合成ステップでは、メタノール合成反応による発熱を冷却水との熱交換によって冷却し、前記第２合成ステップでは、メタノール合成反応による発熱を冷却用のガスとの熱交換によって冷却する。
　本開示のメタノール製造方法によれば、第１合成ステップに使用される合成ガスの一部を抜き出して、流出ガスとともに第２合成ステップの原料として供給することにより、第１合成ステップにおけるメタノールの合成量を抑制しながら第２合成ステップにおけるメタノールの合成量を増加することができる。これにより、第１合成ステップで使用される反応器を小さく設計することができるので、メタノールの製造コストの低減が可能となる。
１　メタノール製造設備
２　合成ガス供給ライン
３　第１合成反応器
４　流出ガス流通ライン
５　第２合成反応器
６　バイパスライン
３３　メタノール合成触媒
４０　合成ガス流量制御装置

Claims (5)

  1. 　少なくとも二酸化炭素及び水素を含む合成ガスを原料としてメタノールを合成するメタノール製造設備であって、
    　前記メタノール製造設備に前記合成ガスを供給するための合成ガス供給ラインと、
    　前記合成ガス供給ラインに接続され、前記合成ガスを原料としてメタノールが合成される、水冷却反応器である第１合成反応器と、
    　前記第１合成反応器において合成されたメタノール及びメタノールの合成反応に使用されなかった未反応ガスを含む流出ガスが前記第１合成反応器から流出した後に流通する流出ガス流通ラインと、
    　前記流出ガス流通ラインに接続され、前記流出ガス中の前記未反応ガスを原料としてメタノールが合成される、ガス冷却反応器である第２合成反応器と、
    　前記合成ガス供給ラインを流通する前記合成ガスの一部を前記流出ガス流通ラインに供給するためのバイパスラインと
    を備えるメタノール製造設備。
  2. 　前記バイパスラインを流通する前記合成ガスの流量を制御する合成ガス流量制御装置を備える、請求項１に記載のメタノール製造設備。
  3. 　前記第２合成反応器における冷却用のガスは、前記合成ガス供給ラインを流通する前記合成ガスの一部である、請求項１または２に記載のメタノール製造設備。
  4. 　前記第１合成反応器及び前記第２合成反応器にはそれぞれ、銅－亜鉛系又は貴金属系のメタノール合成触媒が収容されている、請求項１～３のいずれか一項に記載のメタノール製造設備。
  5. 　少なくとも二酸化炭素及び水素を含む合成ガスを原料としてメタノールを合成するメタノール製造方法であって、
    　前記合成ガスを準備する準備ステップと、
    　前記合成ガスを原料としてメタノールを合成する第１合成ステップと、
    　前記第１合成ステップに使用される前記合成ガスの一部を抜き出す抜き出しステップと、
    　前記抜き出しステップで抜き出された前記合成ガスの一部と、前記第１合成ステップにおいて合成されたメタノール及びメタノールの合成反応に使用されなかった未反応ガスを含む流出ガスとを原料としてメタノールを合成する第２合成ステップと
    を含み、
    　前記第１合成ステップでは、メタノール合成反応による発熱を冷却水との熱交換によって冷却し、前記第２合成ステップでは、メタノール合成反応による発熱を冷却用のガスとの熱交換によって冷却する、メタノール製造方法。
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