WO2024257434A1 - 合成燃料の製造装置及び製造方法 - Google Patents

合成燃料の製造装置及び製造方法 Download PDF

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G2/00—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon
    • C10G2/50—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon from carbon dioxide with hydrogen

Definitions

  • the present invention relates to a synthetic fuel manufacturing apparatus and method for producing a specific synthetic fuel, particularly jet fuel, by a direct FT synthesis reaction using a raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide.
  • a method for producing jet fuel using the Fischer-Tropsch (FT) synthesis reaction from synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide is known, for example as disclosed in Patent Document 1.
  • FT Fischer-Tropsch
  • a chemical reaction is used to synthesize alkanes from synthesis gas in a reactor filled with an FT catalyst for causing the FT synthesis reaction, and FT crude oil containing a variety of hydrocarbons is produced.
  • FT crude oil containing a variety of hydrocarbons is produced.
  • an FT catalyst is proposed for producing hydrocarbons with a carbon number of 5 or more at a high yield using a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide as the raw material gas.
  • This FT catalyst is composed of catalytic metals containing Fe (iron) and Zr (zirconium), Ga (gallium), and Na (sodium).
  • the above-mentioned FT catalyst does not provide sufficient selectivity for synthetic fuel suitable for jet fuel, specifically synthetic fuel containing hydrocarbons with 8 to 16 carbon atoms, in the synthetic fuel produced.
  • the inventors discovered that it is possible to increase the selectivity for hydrocarbons with a desired carbon number based on the relationship between the FT catalyst packed in the reactor and the flow rate and flow speed of the raw material gas supplied to the reactor, and thus completed the present invention.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and aims to provide a synthetic fuel production device and method that can obtain a specific synthetic fuel, particularly hydrocarbons with a high selectivity for jet fuel components, and produce jet fuel with a high yield.
  • the invention of claim 1 is a synthetic fuel production device (synthetic fuel production device 1 in this embodiment (hereinafter the same in this section)) for producing a specified synthetic fuel by a direct FT synthesis reaction using a raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide, and is equipped with a reactor 9 having a cylindrical reactor main body 9a and filled with a specified FT catalyst 20 for causing a direct FT synthesis reaction in the reactor main body, an adjustment unit (raw material gas flow rate adjustment unit 7 and/or composition adjustment units 5a, 5b) for adjusting the flow rate of the raw material gas supplied to the reactor, and a control means (control device 3) for controlling the linear velocity, which is the flow rate of the raw material gas per cross-sectional area of the reactor main body by controlling this adjustment unit, and the control means is characterized in that when the specified synthetic fuel is jet fuel, the linear velocity is controlled to 0.2 to 4.0 m/sec.
  • the reactor has a cylindrical reactor body, and this reactor body is filled with a specified FT catalyst for causing a direct FT synthesis reaction.
  • the control means controls an adjustment unit for adjusting the flow rate of the raw material gas supplied to the reactor.
  • the linear velocity which is the flow rate of the raw material gas per cross-sectional area of the reactor body, is controlled to 0.2 to 4.0 m/sec.
  • the invention according to claim 2 is the synthetic fuel production device according to claim 1, characterized in that the control means controls the linear velocity to 2.7 to 3.0 m/sec.
  • the linear velocity can be controlled to 2.7 to 3.0 m/sec by the control means, making it possible to obtain jet fuel component hydrocarbons with a higher selectivity.
  • the invention of claim 3 is a synthetic fuel manufacturing method for manufacturing a specified synthetic fuel by a direct FT synthesis reaction using a raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide, and is characterized by comprising a reactor preparation process for preparing a reactor 9 in which a cylindrical reactor body 9a is filled with an FT catalyst for causing a direct FT synthesis reaction, and a raw material gas supply process for supplying the raw material gas to the reactor so that the linear velocity, which is the flow rate of the raw material gas per cross-sectional area of the reactor body, is 0.2 to 4.0 m/sec when the specified synthetic fuel is jet fuel.
  • a reactor is prepared with a specified FT catalyst packed in the cylindrical reactor body (reactor preparation process).
  • the feed gas is supplied to the reactor so that the linear velocity, which is the flow rate of the feed gas per cross-sectional area of the reactor body, is 0.2 to 4.0 m/sec (feed gas supply process).
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic diagram of a synthetic fuel production apparatus to which a synthetic fuel production apparatus and production method according to an embodiment of the present invention are applied.
  • FIG. 2A is a diagram showing a reactor packed with an FT catalyst
  • FIG. 2B is a diagram for explaining the linear velocity of a raw material gas supplied to the reactor.
  • 1 is a graph showing the distillation properties of synthetic fuels obtained when the feed gas is supplied to a reactor at a high linear velocity and a low linear velocity.
  • 1 is a graph showing a hydrocarbon distribution indicating the relationship between the carbon number and weight of the hydrocarbons contained in a synthetic fuel, in which (a) shows the hydrocarbon distribution of a Jet-A1 standard jet fuel, (b) shows the hydrocarbon distribution of a synthetic fuel obtained at a low linear velocity, and (c) shows the hydrocarbon distribution of a synthetic fuel obtained at a high linear velocity.
  • 1 is a graph showing the relationship between the feed gas linear velocity and the jet fuel selectivity based on test results.
  • 1 is a graph showing the pore distribution, which indicates the relationship between pore size and pore volume, for two types of FT catalysts.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a synthetic fuel production apparatus to which a synthetic fuel production apparatus and production method according to one embodiment of the present invention is applied.
  • this synthetic fuel production apparatus 1 comprises a raw material gas supply section, a composition adjustment section, a compression section, a flow rate adjustment section, a preheating section, a catalytic reaction section, a cooling section, a gas-liquid separation section, and a collection section, which are connected via piping 2 and are controlled by a control device 3 (control means).
  • the raw material gas supply unit has an H2 supply unit 4a and a CO2 supply unit 4b, which supply hydrogen and carbon dioxide, respectively.
  • an H2 composition adjustment unit 5a and a CO2 composition adjustment unit 5b are provided downstream of the H2 supply unit 4a and the CO2 supply unit 4b, respectively.
  • these H2 composition adjustment units 5a and CO2 composition adjustment units 5b are controlled by the control device 3, and can adjust the flow rate of the raw material gas alone or in cooperation with a raw material gas flow rate adjustment unit 7 described later.
  • the compression section has a compressor 6, and is controlled by the control device 3 to pressurize the raw material gas to a predetermined pressure (e.g., 3 MPa).
  • the flow rate adjustment section has a raw material gas flow rate adjustment section 7, and is controlled by the control device 3 to adjust the flow rate of the raw material gas compressed by the compressor 6.
  • the preheating section has a preheating tube 8a and a preheater 8b, and the preheater 8b is controlled by the control device 3, so that the raw material gas passing through the preheating tube 8a connected to the piping 2 is heated to a predetermined temperature.
  • the catalytic reaction section has a reactor 9 and a temperature adjustment section 10.
  • the reactor 9 has a cylindrical reactor body 9a having a predetermined inner diameter, and the reactor body 9a is filled with the FT catalyst 20.
  • the preparation of the reactor 9 by filling the reactor body 9a with the FT catalyst 20 corresponds to the reactor preparation step in the synthetic fuel production method of the present invention, and this reactor preparation step may include a step of heating the inside of the reactor 9 to a predetermined temperature (such as a reaction temperature) using an inert gas or the like.
  • the FT catalyst 20 is for producing a plurality of types of hydrocarbons having different carbon numbers by causing a direct FT synthesis reaction in the raw material gas supplied to the reactor 9.
  • the FT catalyst 20 is similar to the FT catalyst disclosed in Japanese Patent Application No. 2022-052774 already filed by the present applicant, and specifically, is configured to contain Fe, Zr, Ga, and Na as metal catalysts.
  • the FT catalyst 20 is composed of a large number of pellets each having a predetermined size and shape, and each is configured to have a large number of pores. These pores have a specific surface area of about 30 m 2 /g and an average pore diameter of 10 to 100 nm.
  • the temperature adjustment unit 10 in the catalytic reaction section is controlled by the control device 3, and the direct FT synthesis reaction occurring in the reactor 9 is adjusted to a predetermined temperature (e.g., 380°C).
  • the raw material gas is kept at high pressure from the compression section to the catalytic reaction section described above, and as shown by the one-dot chain line in Figure 1, the raw material gas is heated from the preheating section to the catalytic reaction section.
  • the cooling section has a cooler 11, and the product discharged from the reactor 9 is cooled by controlling the cooler 11 with the control device 3.
  • the gas-liquid separation section has a gas-liquid separator 12, which separates the product that has been liquefied by cooling in the cooler 11 from the gaseous post-reaction gas that has not reacted or has not been liquefied.
  • a gas-liquid separator 12 which separates the product that has been liquefied by cooling in the cooler 11 from the gaseous post-reaction gas that has not reacted or has not been liquefied.
  • the collection section has a collection tank 13, which collects the liquid product separated by the gas-liquid separator 12.
  • the synthetic fuel production device 1 configured as described above, as shown below, by causing a direct FT synthesis reaction while controlling the linear velocity of the raw material gas supplied to the reactor 9 within a predetermined range, it is possible to obtain synthetic fuel containing hydrocarbons with a high selectivity for jet fuel components, and to produce jet fuel with a high yield.
  • Figure 3 shows the results of a distillation test of the synthetic fuel obtained by using the synthetic fuel production device 1 to supply raw material gas to the reactor 9 at a relatively low linear velocity (0.123 m/sec) and a relatively high linear velocity (2.88 m/sec) and causing a direct FT synthesis reaction under specified conditions (reactor temperature: 380°C, reactor pressure: 3 MPa), with the horizontal axis showing the distillate amount (wt%) and the vertical axis showing the distillate temperature (°C).
  • the distillate temperatures TH and TL in the figure respectively indicate the upper and lower limit distillation temperatures suitable for jet fuel components, and specifically, for example, the upper limit distillation temperature TH is 232°C and the lower limit distillation temperature TL is 157°C.
  • the selectivity of jet fuel was 20% in the synthetic fuel obtained by supplying the raw material gas to reactor 9 at a low linear velocity.
  • Figure 4 also shows the hydrocarbon distribution, which indicates the relationship between the carbon number and weight of the hydrocarbons contained in the synthetic fuel obtained at the low and high linear velocities described above, with the solid line indicating straight-chain hydrocarbons and the dashed line indicating aromatic hydrocarbons.
  • Figure 4(a) shows the hydrocarbon distribution of jet fuel of a specified standard (Jet-A1).
  • Jet-A1 jet fuel includes hydrocarbons with carbon numbers between 7 and 20, and in particular, the majority of hydrocarbons have carbon numbers between 8 and 16, which is in the range suitable for jet fuel (hereinafter referred to as the "Jet range").
  • the synthetic fuel obtained at low linear velocity contains hydrocarbons with carbon numbers between 3 and 13.
  • the synthetic fuel obtained at low linear velocity contains few hydrocarbons in the Jet range, and therefore is insufficient as hydrocarbons with the carbon number required for jet fuel components.
  • the synthetic fuel obtained at high linear velocity contains hydrocarbons with carbon numbers between 4 and 20, and in particular contains a large amount of hydrocarbons in the Jet range, which has carbon numbers between 8 and 16. This shows that the synthetic fuel obtained at high linear velocity contains a sufficient amount of hydrocarbons with the carbon numbers required for jet fuel components.
  • Figure 5 shows the relationship between the feed gas linear velocity and the Jet fuel selectivity based on the test results described above.
  • the maximum feed gas linear velocity in the test described above is 3.0
  • the Jet fuel selectivity for feed gas linear velocities of 3.0 to 4.0 m/sec is shown by a two-dot chain imaginary line.
  • the upper limit of the favorable linear velocity range in which the Jet fuel selectivity is 40% or more is set to 4.0 m/sec.
  • the graph in Figure 5 shows that the feed gas linear velocity at which a jet fuel selectivity of 40% or more and a relatively good jet fuel selectivity can be obtained is 0.2 to 4.0 m/sec (good linear velocity range).
  • the feed gas linear velocity at which a relatively high jet fuel selectivity of 50% or more can be obtained is 2.7 to 3.0 m/sec (best linear velocity range).
  • Figure 6 shows the pore distributions, which indicate the relationship between pore size and pore volume, for two types of FT catalysts, C1 and C2, both of which have a large number of pores.
  • the average pore size and median pore size of FT catalyst C1 are 31.5 and 38.6 nm, respectively
  • the average pore size and median pore size of FT catalyst C2 are 25.5 and 20.7 nm, respectively.
  • the pore distributions shown in Figure 6 were measured by a gas adsorption method using nitrogen.
  • the average diameter of the pores is 10 to 100 nm, which can improve the yield of higher hydrocarbons with 8 or more carbon atoms required for jet fuel. This is believed to be due to the following reasons. That is, if the average pore diameter is less than 10 nm, the raw material gas will have difficulty reaching deep into the pores in the FT catalyst 20, and there is a risk that the direct FT synthesis reaction will not be sufficiently promoted.
  • the average pore diameter of the FT catalyst 20 is 10 to 100 nm.
  • a raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide is supplied to the reactor 9 filled with the FT catalyst 20 at a linear velocity of 0.2 to 4.0 m/sec, which makes it possible to obtain hydrocarbons with a high selectivity for jet fuel components and produce jet fuel with a high yield.
  • the linear velocity is set to 2.7 to 3.0 m/sec, it is possible to obtain hydrocarbons of jet fuel components with a higher selectivity.
  • an FT catalyst 20 containing Fe, Zr, Ga, and Na is used to cause a direct FT synthesis reaction, but other catalysts can be used as long as they can cause a direct FT synthesis reaction in a raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide.
  • Synthetic fuel production device 2 Pipe 3 Control device (control means) 4a H2 supply unit 4b CO2 supply unit 5a H2 composition adjustment unit 5b CO2 composition adjustment unit 6 Compressor 7 Raw material gas flow rate adjustment unit (flow rate adjustment unit) 8a Preheating tube 8b Preheater 9 Reactor 9a Reactor main body 10 Temperature adjustment section 11 Cooler 12 Gas-liquid separator 13 Collection tank 20 FT catalyst

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Abstract

ジェット燃料成分の選択率が高い炭化水素を得ることができ、高い収率でジェット燃料を製造することができる合成燃料の製造装置及び製造方法を提供する。 水素と二酸化炭素を含む原料ガスを用い、ダイレクトＦＴ合成反応によって所定の合成燃料を製造するための合成燃料の製造装置１であって、筒状の反応器本体部９ａを有し、反応器本体部９ａにダイレクトＦＴ合成反応を生じさせるための所定のＦＴ触媒２０が充填された反応器９と、反応器９に供給される原料ガスの流量を調整するための原料ガス流量調整部７及び／又は組成調整部５ａ、５ｂと、これを制御することにより、反応器本体部９ａの横断面積当たりの原料ガスの流量である線速を制御する制御装置３と、を備え、制御装置３は、所定の合成燃料がジェット燃料であるときに、線速を、０．２～４．０ｍ／ｓｅｃに制御する。

Description

合成燃料の製造装置及び製造方法
　本発明は、水素と二酸化炭素を含む原料ガスを用い、ダイレクトＦＴ合成反応によって所定の合成燃料、特にジェット燃料を製造するための合成燃料の製造装置及び製造方法に関する。
　従来、水素と一酸化炭素を含む合成ガスから、ＦＴ（フィッシャー・トロプシュ：Ｆｉｓｃｈｅｒ－Ｔｒｏｐｓｃｈ）合成反応を用いたジェット燃料の製造方法として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。このジェット燃料の製造方法では、ＦＴ合成反応を生じさせるためのＦＴ触媒が充填された反応器内において、合成ガスからアルカンを合成する化学反応を利用して、多種の炭化水素を含むＦＴ粗油を生成する。そして、このＦＴ粗油に対し、複数の水素化処理、アルキル化処理及び芳香族化処理を組み合わせることによって、ジェット燃料に適した合成燃料の高収率化を図っている。
　また、近年、カーボンニュートラルの実現を目指して、合成ガスの一酸化炭素の代わりに二酸化炭素を用いてＦＴ合成を行うダイレクトＦＴ合成法の研究が行われている。本出願人がすでに出願した特願２０２２－０５２７７４号では、水素と二酸化炭素の混合ガスを原料ガスとして、炭素数が５以上の炭化水素を高収率で生成するためのＦＴ触媒を提案している。このＦＴ触媒は、触媒金属として、Ｆｅ（鉄）及びＺｒ（ジルコニウム）を含み、またＧａ（ガリウム）を含んだり、さらにＮａ（ナトリウム）を含んだりすることによって構成されている。
特許５８２６４８８号公報
　しかし、上記のＦＴ触媒では、製造された合成燃料において、ジェット燃料に適した合成燃料、具体的には炭素数が８～１６の炭化水素を含む合成燃料の選択率が不十分である。本発明者らは、鋭意研究を重ね、反応器に充填されるＦＴ触媒と、反応器に供給される原料ガスの流量や流速との関係に基づき、所望の炭素数を有する炭化水素の選択率を高めることができることを見い出し、本発明を完成するに至った。
　本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、所定の合成燃料、特にジェット燃料成分の選択率が高い炭化水素を得ることができ、高い収率でジェット燃料を製造することができる合成燃料の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、水素と二酸化炭素を含む原料ガスを用い、ダイレクトＦＴ合成反応によって所定の合成燃料を製造するための合成燃料の製造装置（本実施形態における（以下、本項において同じ）合成燃料製造装置１）であって、筒状の反応器本体部９ａを有し、反応器本体部にダイレクトＦＴ合成反応を生じさせるための所定のＦＴ触媒２０が充填された反応器９と、反応器に供給される原料ガスの流量を調整するための調整部（原料ガス流量調整部７及び／又は組成調整部５ａ、５ｂ、）と、この調整部を制御することにより、反応器本体部の横断面積当たりの原料ガスの流量である線速を制御する制御手段（制御装置３）と、を備え、制御手段は、所定の合成燃料がジェット燃料であるときに、線速を、０．２～４．０ｍ／ｓｅｃに制御することを特徴とする。
　この構成によれば、反応器が筒状の反応器本体部を有しており、この反応器本体部に、ダイレクトＦＴ合成反応を生じさせるための所定のＦＴ触媒が充填されている。また、制御手段により、反応器に供給される原料ガスの流量を調整するための調整部が制御される。そして、製造すべき所定の合成燃料がジェット燃料であるときに、反応器本体部の横断面積当たりの原料ガスの流量である線速が、０．２～４．０ｍ／ｓｅｃに制御される。上記範囲の線速で、原料ガスを反応器に供給することにより、所定の合成燃料、特にジェット燃料成分の選択率が高い炭化水素を得ることができ、高い収率でジェット燃料を製造することができる。
　請求項２に係る発明は、請求項１に記載の合成燃料の製造装置において、制御手段は、線速を、２．７～３．０ｍ／ｓｅｃに制御することを特徴とする。
　この構成によれば、制御手段により、上記線速を、２．７～３．０ｍ／ｓｅｃに制御することにより、より高い選択率でジェット燃料成分の炭化水素を得ることができる。
　請求項３に係る発明は、水素と二酸化炭素を含む原料ガスを用い、ダイレクトＦＴ合成反応によって所定の合成燃料を製造するための合成燃料の製造方法であって、筒状の反応器本体部９ａに、ダイレクトＦＴ合成反応を生じさせるためのＦＴ触媒が充填された反応器９を準備する反応器準備工程と、所定の合成燃料がジェット燃料であるときに、反応器本体部の横断面積当たりの原料ガスの流量である線速が、０．２～４．０ｍ／ｓｅｃになるように、原料ガスを反応器に供給する原料ガス供給工程と、を備えていることを特徴とする。
　この構成によれば、水素と二酸化炭素を含む原料ガスを用い、ダイレクトＦＴ合成反応によって所定の合成燃料を製造する場合、まず、筒状の反応器本体部に所定のＦＴ触媒が充填された反応器を準備する（反応器準備工程）。次いで、製造すべき所定の合成燃料がジェット燃料であるときに、反応器本体部の横断面積当たりの原料ガスの流量である線速が、０．２～４．０ｍ／ｓｅｃになるように、原料ガスを反応器に供給する（原料ガス供給工程）。上記範囲の線速で、原料ガスを反応器に供給することにより、所定の合成燃料、特にジェット燃料成分の選択率が高い炭化水素を含む合成燃料を製造することができる。
本発明の一実施形態による合成燃料の製造装置及び製造方法を適用した合成燃料製造装置を模式的に示す図である。 （ａ）はＦＴ触媒が充填された反応器を示す図であり、（ｂ）は反応器に供給される原料ガスの線速を説明するための図である。 原料ガスを高線速及び低線速で反応器に供給したときに得られた合成燃料の蒸留性状を示すグラフである。 合成燃料に含まれる炭化水素の炭素数と重さとの関係を表す炭化水素分布を示すグラフであり、（ａ）はＪｅｔ－Ａ１規格のジェット燃料、（ｂ）は低線速で得られた合成燃料、（ｃ）は高線速で得られた合成燃料の炭化水素分布を示す。 試験結果に基づく原料ガス線速とＪｅｔ燃料選択率との関係を表すグラフである。 ２種類のＦＴ触媒について、細孔径と細孔容積との関係を表す細孔分布をそれぞれ示すグラフである。
　以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による合成燃料の製造装置及び製造方法を適用した合成燃料製造装置を模式的に示している。同図に示すように、この合成燃料製造装置１は、原料ガス供給部、組成調整部、圧縮部、流量調整部、予熱部、触媒反応部、冷却部、気液分離部及び捕集部を備えており、これらが配管２を介して接続されるとともに、制御装置３（制御手段）によって制御されるようになっている。
　原料ガス供給部は、Ｈ２供給部４ａ及びＣＯ２供給部４ｂを有しており、これらがそれぞれ水素及び二酸化炭素を供給する。また、Ｈ２供給部４ａ及びＣＯ２供給部４ｂの下流側にはそれぞれ、Ｈ２組成調整部５ａ及びＣＯ２組成調整部５ｂが設けられている。これらが制御されることにより、原料ガスとして触媒反応部の後述する反応器９に供給されるＨ２及びＣＯ２の混合ガスの組成や混合割合が調整される。なお、これらのＨ２組成調整部５ａ及びＣＯ２組成調整部５ｂは、制御装置３によって制御されることにより、単独であるいは後述する原料ガス流量調整部７と協働して、原料ガスの流量を調整することが可能になっている。
　圧縮部は、圧縮機６を有しており、制御装置３によって制御されることにより、原料ガスが所定圧力（例えば３ＭＰａ）に加圧される。また、流量調整部は、原料ガス流量調整部７を有しており、制御装置３によって制御されることにより、圧縮機６で圧縮された原料ガスの流量が調整される。
　予熱部は、予熱管８ａ及び予熱ヒータ８ｂを有しており、制御装置３によって予熱ヒータ８ｂが制御されることにより、配管２に接続された予熱管８ａ内を通過する原料ガスが所定温度に加熱される。
　触媒反応部は、反応器９及び温度調整部１０を有している。図２（ａ）に示すように、反応器９は、所定の内径を有する円筒状の反応器本体部９ａを有しており、この反応器本体部９ａにＦＴ触媒２０が充填されている。なお、反応器本体部９ａにＦＴ触媒２０を充填する反応器９の準備は、本発明の合成燃料の製造方法における反応器準備工程に相当するが、この反応器準備工程には、不活性ガス等を用いて、反応器９内を所定温度（反応温度など）に加熱する工程を含んでもよい。
　上記のＦＴ触媒２０は、反応器９に供給された原料ガスに対し、ダイレクトＦＴ合成反応を生じさせることにより、炭素数が互いに異なる複数種類の炭化水素を生成するためのものである。また、ＦＴ触媒２０は、本出願人がすでに出願した特願２０２２－０５２７７４号において開示したＦＴ触媒と同様であり、具体的には、金属触媒として、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｇａ及びＮａを含んで構成されている。また、このＦＴ触媒２０は、各々が所定のサイズ及び形状を有する多数のペレット状のものから成り、各々が多数の細孔を有するように構成されている。これらの細孔は、比表面積が約３０ｍ２／ｇであり、細孔径の平均が１０～１００ｎｍになっている。
　また、触媒反応部における温度調整部１０は、制御装置３によって制御され、反応器９内で生じるダイレクトＦＴ合成反応が所定温度（例えば３８０℃）に調整される。
　図１の二点鎖線で示すように、合成燃料製造装置１のうち、上述した圧縮部から触媒反応部において、原料ガスが高圧に保持され、また、図１の一点鎖線で示すように、予熱部から触媒反応部において、原料ガスが加熱される。
　冷却部は、冷却機１１を有しており、制御装置３によって冷却機１１が制御されることにより、反応器９から搬出された生成物が冷却される。
　気液分離部は、気液分離機１２を有しており、この気液分離機１２により、冷却機１１で冷却されることで液化した生成物と、反応に至らずに残ったり、液化せずに残ったりした気体状の反応後ガスとが分離される。なお、上記の反応後ガスは、合成燃料製造装置１の外部に排出されるものの、他の精製処理や化学反応の原料ガスとして有効に再利用される。
　捕集部は、捕集タンク１３を有しており、この捕集タンク１３により、気液分離機１２で分離された液体状の生成物が捕集される。
　以上のように構成された合成燃料製造装置１では、以下に示すように、反応器９に供給される原料ガスの線速を所定範囲に制御しながら、ダイレクトＦＴ合成反応を生じさせることにより、ジェット燃料成分の選択率が高い炭化水素を含む合成燃料を得ることができ、高い収率でジェット燃料を製造することができる。
　上記の線速は、図２（ｂ）に示すように、反応器９の円筒状の反応器本体部９ａにおける内側の横断面積当たりの原料ガスの流量であり、下式により規定される。
　線速（ｍ／ｓｅｃ）＝原料ガス流量（ｍ３／ｓｅｃ）／横断面積（ｍ２）
　図３は、上記合成燃料製造装置１を用い、線速が比較的低い低線速（０．１２３ｍ／ｓｅｃ）及び比較的高い高線速（２．８８ｍ／ｓｅｃ）で原料ガスを反応器９に供給し、所定条件（反応器内温度：３８０℃、反応器内圧力：３ＭＰａ）下で、ダイレクトＦＴ合成反応を生じさせて、得られた合成燃料の蒸留試験を行ったときの試験結果であり、横軸に留出量（ｗｔ％）、縦軸に留出温度（℃）を示している。なお、同図の留出温度のＴＨ及びＴＬはそれぞれ、ジェット燃料成分として適した上限留出温度及び下限留出温度を示しており、具体的には例えば、上限留出温度ＴＨは２３２℃、下限留出温度ＴＬは１５７℃である。
　図３の二点鎖線で示すように、低線速で原料ガスを反応器９に供給して得られた合成燃料では、ジェット燃料の選択率が２０％であった。
　これに対し、図３の実線で示すように、高線速で原料ガスを反応器９に供給して得られた合成燃料では、低線速である場合に比べて、ジェット燃料の選択率が大幅に上昇し、５５％であった。
　また、図４は、上述した低線速及び高線速で得られた合成燃料に含まれる炭化水素の炭素数と重さとの関係を表す炭化水素分布を示しており、実線は直鎖の炭化水素であり、破線は芳香族の炭化水素を示している。なお、図４（ａ）は、参考のために、所定規格（Ｊｅｔ－Ａ１）のジェット燃料の炭化水素分布を示している。
　図４（ａ）に示すように、Ｊｅｔ－Ａ１のジェット燃料では、直鎖及び芳香族の炭化水素分布について、炭素数が７～２０の炭化水素が含まれ、特に炭素数が８～１６であって、ジェット燃料に適した範囲（以下「Ｊｅｔレンジ」という）の炭化水素が大部分であることがわかる。
　これに対し、図４（ｂ）に示すように、低線速で得られた合成燃料では、炭素数が３～１３の炭化水素が含まれている。同図（ａ）に示すＪｅｔ－Ａ１の炭化水素分布と比較して明らかなように、低線速で得られた合成燃料は、Ｊｅｔレンジに含まれる炭化水素が少なく、したがって、ジェット燃料成分に求められる炭素数の炭化水素としては不十分であることがわかる。
　一方、図４（ｃ）に示すように、高線速で得られた合成燃料では、炭素数が４～２０の炭化水素が含まれ、特に炭素数が８～１６のＪｅｔレンジに含まれる炭化水素が多いことがわかる。したがって、高線速で得られた合成燃料は、ジェット燃料成分に求められる炭素数の炭化水素を十分に備えていることがわかる。
　図５は、上述した試験結果に基づく原料ガス線速とＪｅｔ燃料選択率との関係を示している。なお、同図に示すグラフでは、上述した試験における原料ガス線速の最大値は３．０であり、３．０～４．０ｍ／ｓｅｃの原料ガス線速のＪｅｔ燃料選択率については、二点鎖線の仮想線で示している。また、原料ガス線速が４．０ｍ／ｓｅｃを上回ると、反応器９に供給される原料ガスの線速が過大となることで、ＦＴ触媒２０の粉体化（崩壊）により、ダイレクトＦＴ合成反応に悪影響を及ぼすおそれがあるため、Ｊｅｔ燃料選択率が４０％以上となる良好線速範囲の上限値を４．０ｍ／ｓｅｃとしている。
　図５に示すグラフから、Ｊｅｔ燃料選択率が４０％以上で、比較的良好なＪｅｔ燃料選択率が得られる原料ガス線速は、０．２～４．０ｍ／ｓｅｃ（良好線速範囲）であることがわかる。
　また、Ｊｅｔ燃料選択率が５０％以上で、比較的高いＪｅｔ燃料選択率が得られる原料ガス線速は、２．７～３．０ｍ／ｓｅｃ（最良線速範囲）であることがわかる。
　図６は、いずれも多数の細孔を有する２種類のＦＴ触媒Ｃ１及びＣ２について、細孔径と細孔容積との関係を表す細孔分布をそれぞれ示している。同図に示すように、ＦＴ触媒Ｃ１の平均細孔径及び中位細孔径はそれぞれ、３１．５及び３８．６ｎｍであり、ＦＴ触媒Ｃ２の平均細孔径及び中位細孔径はそれぞれ、２５．５及び２０．７ｎｍである。なお、図６に示す細孔分布については、窒素を用いたガス吸着法によって測定した。
　上記の２種類のＦＴ触媒Ｃ１及びＣ２を、上述した合成燃料製造装置１の反応器９に充填し、同一の原料ガス線速で原料ガスを反応器９に供給して得られた炭化水素を比較した。その結果、詳細なデータは省略するが、平均細孔径及び中位細孔径がいずれも大きいＦＴ触媒Ｃ１において、高沸点成分、すなわち炭素数が多い炭化水素を得られることが確認された。
　また、多数の細孔を有するＦＴ触媒２０としては、それらの細孔の平均径（平均細孔径）が１０～１００ｎｍであることが好ましく、それにより、ジェット燃料に必要な炭素数が８以上の高級炭化水素の収率向上を図ることができる。これは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、上記の平均細孔径が１０ｎｍを下回ると、原料ガスがＦＴ触媒２０における細孔に対し、奥深くまで到達しにくくなることで、ダイレクトＦＴ合成反応を十分に促進させることができないおそれがある。一方、上記の平均細孔径が１００ｎｍを上回ると、ＦＴ触媒２０の表面積が低減し、それに伴い、ＦＴ触媒２０に接する原料ガスの量も低減することで、ジェット燃料に必要な炭素数が８以上の高級炭化水素の収率を、それ以上向上させることができないおそれがある。以上のことから、上述したように、ＦＴ触媒２０の平均細孔径は、１０～１００ｎｍであることが好ましい。
　以上のように、本実施形態によれば、合成燃料としてジェット燃料を製造する場合、水素及び二酸化炭素を含む原料ガスを、ＦＴ触媒２０が充填された反応器９に、０．２～４．０ｍ／ｓｅｃの線速で供給することにより、ジェット燃料成分の選択率が高い炭化水素を得ることができ、高い収率でジェット燃料を製造することができる。また、上記線速を２．７～３．０ｍ／ｓｅｃとすることにより、より高い選択率でジェット燃料成分の炭化水素を得ることができる。
　なお、本発明は、説明した上記実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、ダイレクトＦＴ合成反応を生じさせるためのＦＴ触媒２０として、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｇａ及びＮａを含んで構成されるものを採用したが、水素及び二酸化炭素を含む原料ガスに対してダイレクトＦＴ合成反応を生じさせることが可能であれば、他の触媒を用いることも可能である。
　また、実施形態で示した合成燃料製造装置１の細部の構成などは、あくまで例示であり、本発明の趣旨の範囲内で適宜、変更することができる。
　１　　合成燃料製造装置
　２　　配管
　３　　制御装置（制御手段）
　４ａ　Ｈ２供給部
　４ｂ　ＣＯ２供給部
　５ａ　Ｈ２組成調整部
　５ｂ　ＣＯ２組成調整部
　６　　圧縮機
　７　　原料ガス流量調整部（流量調整部）
　８ａ　予熱管
　８ｂ　予熱ヒータ
　９　　反応器
　９ａ　反応器本体部
１０　　温度調整部
１１　　冷却機
１２　　気液分離機
１３　　捕集タンク
２０　　ＦＴ触媒

 

Claims (3)

  1. 　水素と二酸化炭素を含む原料ガスを用い、ダイレクトＦＴ合成反応によって所定の合成燃料を製造するための合成燃料の製造装置であって、
    　筒状の反応器本体部を有し、当該反応器本体部に前記ダイレクトＦＴ合成反応を生じさせるための所定のＦＴ触媒が充填された反応器と、
    　前記反応器に供給される前記原料ガスの流量を調整するための調整部と、
    　この調整部を制御することにより、前記反応器本体部の横断面積当たりの前記原料ガスの流量である線速を制御する制御手段と、
    　を備え、
    　前記制御手段は、前記所定の合成燃料がジェット燃料であるときに、前記線速を、０．２～４．０ｍ／ｓｅｃに制御することを特徴とする合成燃料の製造装置。
  2. 　前記制御手段は、前記線速を、２．７～３．０ｍ／ｓｅｃに制御することを特徴とする請求項１に記載の合成燃料の製造装置。
  3. 　水素と二酸化炭素を含む原料ガスを用い、ダイレクトＦＴ合成反応によって所定の合成燃料を製造するための合成燃料の製造方法であって、
    　筒状の反応器本体部に、前記ダイレクトＦＴ合成反応を生じさせるための所定のＦＴ触媒が充填された反応器を準備する反応器準備工程と、
    　前記所定の合成燃料がジェット燃料であるときに、前記反応器本体部の横断面積当たりの前記原料ガスの流量である線速が、０．２～４．０ｍ／ｓｅｃになるように、前記原料ガスを前記反応器に供給する原料ガス供給工程と、
    　を備えていることを特徴とする合成燃料の製造方法。
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