JP2015105238A - 化学品製造装置及び化学品製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】化学品の生産効率を向上し得る化学品製造装置及び化学品製造方法を提供する。【解決手段】化学品製造装置１は、炭素源から一酸化炭素を含む合成ガスを発生させるガス化部１１と、水を分解して水素ガスを発生させる水素ガス発生部１８と、上記の合成ガス及び水素ガスを用いて触媒反応により化学品を合成する触媒反応部１６と、を備えている。水素ガス発生部１８は、熱化学分解反応により水を分解して水素ガスを発生させることが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、化学品を製造する装置及び方法に関する。

従来、バイオマスをガス化することにより得られた合成ガス（一酸化炭素と水素の混合ガス）を触媒を用いて化学反応させてバイオエタノールを製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−２１３０８９号公報

バイオエタノールなどのアルコールの生産効率をさらに向上したいという要望がある。

本発明の主な目的は、アルコール等の化学品の生産効率を向上し得る化学品製造装置及び化学品製造方法を提供することにある。

本発明に係る化学品製造装置は、ガス化部と、水素ガス発生部と、触媒反応部とを備えている。ガス化部は、炭素源から合成ガスを発生させる。水素ガス発生部は、水を分解して水素ガスを発生させる。触媒反応部は、合成ガス及び水素ガスを用いて触媒反応により化学品を合成する。

水素ガス発生部は、熱化学分解反応により水を分解して水素ガスを発生させることが好ましい。

水素ガス発生部は、ガス化部から放出される熱を用いて水を分解することが好ましい。

上記化学品製造装置は、計測部と調整部とをさらに備えてもよい。計測部は、触媒反応部に供給される合成ガスにおける一酸化炭素と水素との組成比を計測する。調整部は、計測部により計測された一酸化炭素と水素との組成比に基づいて、水素ガス発生部から発生される水素ガスの、合成ガスに対する使用量を調整する。

化学品は、アルコール、アルデヒド及びスルホン酸からなる群から選ばれた少なくとも一種であってもよい。

化学品はエタノールであってもよい。

ガス化部において発生する合成ガスに含まれる一酸化炭素に対する水素の比（水素／一酸化炭素）は、２未満であってもよい。

本発明に係る化学品製造方法は、合成ガスを得る工程と、水素ガスを発生させる工程と、化学品を合成する工程と、を備えている。合成ガスを得る工程では、炭素源から合成ガスを得る。水素ガスを発生させる工程では、水を分解して水素ガスを発生させる。化学品を合成する工程では、合成ガス及び水素ガスを用いて触媒反応により化学品を合成する。

水素ガスを発生させる工程では、熱エネルギーにより水を分解して水素ガスを発生させることが好ましい。

本発明によれば、化学品の生産効率を向上し得る製造装置及び製造方法を提供することができる。

第１の実施形態に係るアルコール製造装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施形態に係るアルコール製造装置の構成を示すブロック図である。 第３の実施形態に係るアルコール製造装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るアルコール製造装置１の構成を示すブロック図である。

アルコール製造装置１は、炭素源からアルコールを製造する装置である。アルコールは、エタノール、メタノール、プロパノール及びブタノール等の少なくとも一種であってもよい。

図１に示されるように、アルコール製造装置１は、ガス化部１１、精製部１２、触媒反応部１６、気液分離部１７、及び水素ガス発生部１８を含む。

ガス化部１１は、炭素源から合成ガスを生成させる。ガス化部１１に供給された炭素源を部分酸化（不完全燃焼）することで、合成ガスへと変化する。例えば、炭素源として、有機性廃棄物やバイオマス等の非化石有機性資源を用いることができる。なお、「合成ガス」とは、一酸化炭素と水素とを含むガスのことをいう。合成ガスは、例えば、二酸化炭素ガス、窒素ガス及び酸素ガス等の少なくとも一種を含んでもよい。

なお、本実施形態では、炭素源を部分酸化することにより合成ガスを生成させる例について説明する。但し、本発明は、これに限定されない。例えば、微生物の発酵等により合成ガスを生成させてもよい。

精製部１２は、ガス化部１１から供給された合成ガスを精製する。精製部１２は、例えば、吸収塔１３、脱硫部１４、及びＣＯ_２分離部１５により構成することができる。

吸収塔１３は、ガス化部１１に接続されている。吸収塔１３は、ガス化部１１で生成された合成ガスの中の不純物を溶解させることで、合成ガスから該不純物を分離除去する。

吸収塔１３は、脱硫部１４に接続されている。脱硫部１４は、合成ガスの中から硫黄分を分離除去する。吸収塔１３や脱硫部１４において除去される不純物や硫黄分は触媒を劣化させたり、製造しようとするアルコールの純度を低下させてしまうことから、触媒反応部１６に至るまでに除去することが好ましい。

脱硫部１４は、ＣＯ_２分離部１５に接続されている。ＣＯ_２分離部１５は、合成ガスの中のＣＯ_２を分離除去する。

水素ガス発生部１８は、水を分解して水素ガスを発生させる。水素ガス発生部１８において発生した水素ガスは、触媒反応部１６に供給される。

水素ガス発生部１８は、例えば、熱化学分解反応により水を分解して水素ガスを発生させるものであってもよい。ここで、「熱化学分解反応」とは、水を熱のみで分解する際に必要な温度と比較し、より低温で反応が進む化学反応を複数用いて水から水素を発生させる反応をいう。熱化学分解反応では、具体的には、例えば、ナトリウムサイクルがある。ナトリウムサイクルでは、Ｈ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ_２→２ＮａＯＨ＋１／２Ｏ_２、２ＮａＯＨ＋２Ｎａ→Ｈ_２＋２Ｎａ_２Ｏ、２Ｎａ_２Ｏ→Ｎａ_２Ｏ_２＋２Ｎａの３つの反応を用いることで、水を、４００℃で分解し水素ガスを発生させる。

もっとも、水素ガス発生部１８は、熱化学分解反応を用いた方法以外の方法により水素ガスを発生させるものであってもよい。水素ガス発生部１８は、例えば、水を電気分解、熱分解、光分解することにより水素ガスを発生させるものであってもよい。但し、水素ガスを発生させるために必要なエネルギーを低減する観点からは、熱化学分解反応により水素ガスを発生させる方法を用いることが好ましい。

なお、水素ガス発生部１８においては、水素ガスと共に酸素ガスも発生する。酸素ガスは、水素ガスから分離され、ガス化部１１へ供給されることが好ましい。

水素ガス発生部１８は、ガス化部１１から放出される熱を用いて水を分解することが好ましい。この場合、水素ガス発生部１８に別途に加える熱量を少なくすることができる。従って、アルコールの製造に要するエネルギーを低減することができる。

触媒反応部１６は、精製部１２から供給された合成ガスと、水素ガス発生部１８から供給された水素ガスを用いて触媒反応によりアルコールを合成する。触媒反応に好ましく用いられる触媒としては、例えば、ロジウム、マンガン、リチウム、マグネシウムからなる４元触媒等が挙げられる。

触媒反応部１６は、気液分離部１７に接続されている。気液分離部１７には、触媒反応部１６から、アルコールを含む生成物が供給される。供給される生成物には、一般的に、アルコールに加え、水や、未反応の合成ガス等が含まれている。気液分離部１７は、アルコールを含む液体分と、未反応の合成ガスを含む気体分とを分離する。分離された未反応の合成ガスを含む気体分は、再度、触媒反応部１６に供給される。

また、気液分離部１７は、アルコールと水とを含む液体を蒸留することにより、アルコールを精製する。

ところで、セルロース系バイオマスを原料として、ガス化炉での熱化学的変換により生成された一酸化炭素と水素を主要成分とする合成ガスを用いてアルコールを製造することが考えられる。しかしながら、この合成ガスにおける一酸化炭素と水素とのモル比（Ｈ_２／ＣＯ）は、理想的なモル比である２よりも小さく、水素ガス濃度が低いという問題がある。通常、この合成ガスにおける一酸化炭素と水素とのモル比（Ｈ_２／ＣＯ）は、１．５以下であり、１程度である。

そこで上記特許文献１では、合成ガス中におけるＨ_２の濃度を増加させるために、ＣＯシフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）を用いて合成ガスの改質を行っている。しかしながら、ＣＯシフト反応を行うと、合成ガスにおける一酸化炭素濃度が低下する。このため、単位体積当たりの合成ガスから製造し得るアルコールの量が少なくなる。

本実施形態では、水素ガス発生部１８において水を分解することにより生成させた水素ガスを触媒反応部１６に供給することにより、一酸化炭素と水素とのモル比を理想的なモル比に近づけている。このため、合成ガス中の一酸化炭素濃度が低下する、合成ガスの改質反応を行う必要が必ずしもない。従って、アルコールの生産効率を向上することができる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係るアルコール製造装置１ａの構成を示すブロック図である。

図２に示されるように、第２の実施形態に係るアルコール製造装置１ａの構成が第１の実施形態に係るアルコール製造装置１の構成と異なる点は、ガス化部１１と吸収塔１３との間の経路に熱交換器２１が設けられている点である。熱交換器２１は、ガス化部１１で生成された合成ガスから熱エネルギーを取り出す。熱交換器２１で取り出された熱エネルギーは、水素ガス発生部１８に供給され、水の分解に利用される。これにより、水素ガス供給部１８に外部から供給すべきエネルギーを低減することができる。従って、アルコールの製造に要するエネルギーを低減することができる。

（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態に係るアルコール製造装置１ｂの構成を示すブロック図である。

図３に示されるように、第３の実施形態に係るアルコール製造装置１ｂの構成が第２の実施形態に係るアルコール製造装置１ａの構成と異なる点は、計測部３１及び調整部３２が設けられている点である。

計測部３１は、熱交換器２１と吸収塔１３との間の経路に設けられている。計測部３１は、合成ガスの組成比を計測する。具体的には、計測部３１は、例えば、ガスクロマトグラフ等を用いて該合成ガス中の少なくとも一酸化炭素の濃度及び水素ガスの濃度を取得する。計測部３１が、合成ガスに含まれる全ての組成の組成比を計測するものである必要は必ずしもない。計測部３１の計測結果から、合成ガスにおける一酸化炭素と水素との組成比が算出される。

調整部３２は、水素ガス発生部１８と触媒反応部１６との間の経路に設けられている。調整部３２は、計測部３１により計測された一酸化炭素と水素との組成比に基づいて、水素ガス発生部１８から発生される水素ガスの、合成ガスに対する使用量を調整する。具体的には、調整部３２をバルブ等で構成することができる。

上で述べたように、水素ガス発生部１８で発生された水素ガスを用いて合成ガス中のＨ_２の割合を増大させることで、合成ガスにおける一酸化炭素と水素とのモル比（Ｈ_２／ＣＯ）を２未満にすることができる。しかしながら、ガス化に供される有機性廃棄物やバイオマス等の性状によりＣＯとＨ_２の比が変動することがある。このような場合であっても、調整部３２により水素ガスの使用量を調整することによって、合成ガス中の一酸化炭素と水素とのモル比（Ｈ_２／ＣＯ）を２未満にすることができる。従って、エタノール合成に最適なＨ_２の割合を安定的に維持することができる。

なお、第１〜第３の実施形態では、化学品として、アルコールを製造する例について説明した。但し、本発明は、これに限定されない。化成品は、合成ガスから合成可能なものである限りにおいて特に限定されない。例えば、合成ガスからアルコール、アルデヒド及びスルホン酸のうちの少なくとも一種を合成してもよい。

１，１ａ，１ｂ：アルコール製造装置
１１：ガス化部
１２：精製部
１３：吸収塔
１４：脱硫部
１５：ＣＯ_２分離部
１６：触媒反応部
１７：気液分離部
１８：水素ガス発生部
２１：熱交換器
３１：計測部
３２：調整部

Claims (9)

1. 炭素源から合成ガスを発生させるガス化部と、
   水を分解して水素ガスを発生させる水素ガス発生部と、
   前記合成ガス及び前記水素ガスを用いて触媒反応により化学品を合成する触媒反応部と、
   を備えている化学品製造装置。
2. 前記水素ガス発生部は、熱化学分解反応により水を分解して水素ガスを発生させる、請求項１に記載の化学品製造装置。
3. 前記水素ガス発生部は、前記ガス化部から放出される熱を用いて水を分解する、請求項１又は２に記載の化学品製造装置。
4. 前記触媒反応部に供給される前記合成ガスにおける一酸化炭素と水素との組成比を計測する計測部と、
   前記計測部により計測された前記一酸化炭素と水素との組成比に基づいて、前記水素ガス発生部から発生される水素ガスの、前記合成ガスに対する使用量を調整する調整部と、
   をさらに備えている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の化学品製造装置。
5. 前記ガス化部において発生する合成ガスに含まれる一酸化炭素に対する水素の比（水素／一酸化炭素）が２未満である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の化学品製造装置。
6. 前記化学品は、アルコール、アルデヒド及びスルホン酸からなる群から選ばれた少なくとも一種である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の化学品製造装置。
7. 前記化学品はエタノールである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の化学品製造装置。
8. 炭素源から合成ガスを得る工程と、
   水を分解して水素ガスを発生させる工程と、
   前記合成ガス及び前記水素ガスを用いて触媒反応により化学品を合成する工程と、
   を備えている化学品製造方法。
9. 前記水素ガスを発生させる工程では、熱エネルギーにより水を分解して水素ガスを発生させる、請求項８に記載の化学品製造方法。
   

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