JP5436858B2 - 多段反応装置化学製品生産システム - Google Patents
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Description
られる。
器の燃焼加熱に酸化体ガスの加圧を用いるメタノール生産プロセスを開示している。前記プロセスはまた、改質器から下流において反応装置のカスケードを備え、その反応装置のカスケードにおいて、改質された合成ガスがメタノールに転化される。改質器に入来する天然ガスを加圧することにより、反応装置のカスケードの上流において合成ガス圧縮機を必要とするのを避けるとともに、再循環圧縮機の必要性を回避する。しかしながら、先の参考文献でのように、反応装置のカスケードは非常に一般的に開示されており、カスケードがいかに経済的に形成されるかに関して議論されていない。
効率熱交換器によって、最高のエネルギー効率が得られる。回収される高度熱の量を増加させることにより、供給物/流出物交換器における温度差は低減される。従って、最大の高度熱の回収のためには、高効率熱交換器が必要である。しかしながら、従来技術の多段反応装置セットにおいて用いられるような多管式熱交換器は、多数の熱交換器ユニットを連結することによってのみ、高い有効性を得ることができ、また必要な装置品目の数を増加させる。高度熱の回収の有用性は、ある程度、高度熱が回収される温度に依存する。特に、メタノールプロセスについては、メタノール合成部分からの高度熱の回収は、改質器用の蒸気発生のために用いられる。これは、熱が回収されている最中の流れは、一般的には200〜250℃の最低温度を上回ることを必要とする。しかしながら、メタノール凝縮温度は60〜100℃の範囲にある。従って、効率的な稼働のためには、約150℃の高温ガス温度範囲で作動することができる熱交換器が必要である。反応熱は、一般的には50〜100℃の顕熱に相当するだけ、反応物流を冷却することにより回収される。供給ガスが高度熱回収温度を下回る温度でメタノール反応装置に導入される場合、これは、システムのエネルギー効率の損失を意味し、軽度の冷却要件を増加させる。従って、供給物−流出物交換器における温度差は、50℃未満、一般的には20〜30℃に維持されるであろう。均衡のとれた化学量論、高い作動圧、効率的な熱除去または低い総転化率によるように、反応装置において高いワンパス転化率を達成することができる場合には、温度制約はより緩和され得る。しかしながら、これは、多くの場合、より大きな反応装置の複雑さ、またはより低い全体効率をもたらす。
スは、初めに第1高効率プレート式熱交換器または拡大面熱交換器を通過し、それにより、ガス状反応生成物を冷却し、入来する流入合成ガスを予熱するために、入来する合成ガスは第1反応装置を退出するガス状反応生成物の一部またはすべてと熱的に接触する。高度熱の回収のために、第1反応装置を退出するガスのうちの一部またはすべてを、供給物−流出物熱交換区域に進入する前に、付加的な流れと熱的に接触させてもよい。反応生成物の冷却は、熱交換器内において所望の生成物を液体形態に凝縮させる。次に、同じく前述の熱交換器に導入される付加的な冷却設備流との熱的な接触によって、生成物含有流のさらなる冷却が行われ、このような構成は多流熱交換器(multi-stream heat exchanger) として知られている。凝縮した液体生成物を含む冷却された反応生成物は、熱交換器から直接取り出すこともできるし、または次に第1分離器内に流すこともできる。第1分離器では、凝縮した液体生成物は該分離器において取り出され、一方、過剰な反応ガスは所望の化学薬品のさらなる生成のために第2反応装置に導かれる。第2反応装置に達する前に、過剰な反応ガスは、第2高性能熱交換器を通過して、第2反応装置を退出するガス状反応生成物によって暖められ、従って、第2反応装置を退出する生成物ガスに含まれている生成物を凝縮させる。各高性能熱交換器が、必要な冷却水の量を最小にし、かつ蒸気回収量を最大にする向流設計による近接したアプローチ温度(close temperature of approach) を有するので、高性能プレート型熱交換器または拡大面熱交換器は、反応区域の各々において生成された所望の生成物、例えばメタノールを、非常に経済的な方法で凝縮させる。生成物含有流との熱的な接触を生じ、生成物含有流から凝縮する生成物の量を増加させるように、高性能熱交換器への付加的な冷却流の導入によって、さらなる凝縮が行われる。さらに、凝縮によるメタノールの段間における取り出しは、実際的または経済的ではないと述べている、ケイ.アール.ウェスタータープ(K. R. Westerterp)、New Methanol Processes、 "Energy Efficiency in Process Technology" Ed. P. A. Pilarvachi 、 Elsevier Applied Science 、1993年、1142〜1153頁、1147頁のような他の参考文献に反して、段間におけるメタノールの凝縮を提供する高性能プレート型熱交換器または拡大面熱交換器の使用は、本発明の装置および方法において、実用的かつ経済的の双方で実行可能な方法で作用する。
水のような冷却媒質によってさらに冷却することにより、メタノールの凝縮を行うために用いられる。さらに、コンパクトな多流熱交換器は、カスケード反応装置セットと合成ループとの間の接合部の量を最小にするように反応装置セットに沿って配置される。
ここで、図面を参照すると、図1には、本発明と共に用いることができるか、または本発明と置き換えることができるメタノール生産システムが概して参照番号100で示されている。図面では、開示の全体にわたって同一の参照番号は同一の部品を指している。示されたシステム100は、改質器120からの合成ガス流160を受容し、反応装置140においてその合成ガスの一部をメタノールに転化し、未反応の合成ガスとメタノールとの複合流180を凝縮器または分離器200に放出する従来のメタノール合成ループである。複合流180は、分離器200において、収集されたメタノール流220と、分離器200から再循環圧縮機260に導かれる再循環流240とに分離される。圧縮機260は、再循環流240中のガスを加圧し、再加圧ガス流280を反応装置140に導く。しかしながら、圧縮機280に進入する再循環流240の一部は、再加圧の前に、パージガス流300として流用される。
して参照番号10で示されている。システム10は、改質器(図示せず)から合成ガス流16を受容し、その合成ガスを段階的にメタノールに転化し、最後にパージガス流21および複合メタノール流25を放出する。重大なことに、前記システムは、再循環圧縮機を有さないが、依然として効率的に作動し、1日当たりの2,500トン未満のメタノール、より詳細には、1日当たり、1,500トン未満または1,000トン未満のオーダーのメタノールを生成する比較的小規模な用途において該システムを経済的に用いることを可能にする。しかしながら、有意な害を有することなく、前記システムをより大規模な稼働のために拡大したり、またはその大きさを縮小したりすることもできるだろう。
ス流と同反応区域26から流出するプロセス流との間における圧力損失のみである。前記圧力損失は、一般的には、約0.2〜2.0バールである。したがって、分離壁28は、約0.2〜2.0バールの圧力差に耐え得るのみでよい材料から構成される。前記材料は槽27を形成する材料より非常に安価であり、また壁28は単純な溶接構造の壁であり得る。構成が容易なことにより、多段反応装置区域を収容する2つ以上の反応槽と、メタノール分離器を収容する2つ以上の分離槽とを用いる設計をもたらし得る。加えて、区域26の各々への接触は、40〜100バールの設計圧力を要する外部接触地点(図示せず)の代わりに、2バールの圧力に耐えることができる内部接触地点(図示せず)において壁28を介して提供することができる。また、反応装置12、熱交換器22、および様々な槽27,30中の分離器18、および後で検討する熱交換器ブロック40を備えることにより、システム10は、該システム10に合成ガスを供給する改質器(図示せず)と同じ圧力で作動でき、したがって、システム10に供給される前に合成ガスを加圧する必要を排除する。
タノールを合成する能力を有する可搬式ユニットまたは固定式ユニットのいずれかとして形成されるように構成され得る。また、システム10’を独立型ユニットとして使用することに加えて、システム10’を再循環ループ型反応装置または他のメタノール生産システムのパージガス流に接続して、パージガスを反応装置セット10’の供給物流16として用いることによって、再循環ループ型反応装置または多段反応装置セットの転化を増大させることができる。この使用は、反応装置セットシステム10’が反応槽27、熱交換器ブロック40および分離槽30によって形成されている場合、特に有利である。
しくは、従来技術多管円筒形熱交換器とは対照的に、拡散接合固相接合式熱交換器のようなプレート型熱交換器、または拡散接合プレートフィン熱交換器または鑞付けプレートフィン熱交換器のような拡大面熱交換器となるように選択される。これらの型の熱交換器は、システム10に用いられる熱交換器22に関して説明したのと同じ理由、すなわち、交換器56,56’,56”を通過する流体流に対する近接したアプローチ温度を提供するそれらの能力、および交換器の多流式および/または向流式で機能する能力により好ましい。これは、必要な冷却水の量を効果的に最小にし、熱交換器56,56’,56”からの蒸気回収を最大にする。その結果、熱交換器56,56’,56”はまた、生成物流58,58’,58”のそれぞれの中のメタノール成分を効果的に冷却して、生成物流58,58’,58”中のメタノールを凝縮し、非常に経済的な方法で、分離器60,60’,60”内におけるメタノールの取り出しを可能にする。
Claims (28)
- 平衡によって制限される反応によって形成される化合物を合成する方法であって、該方法は、
a)第1熱交換器と、第1熱交換器に作動可能に接続されている反応装置であって、反応槽内に反応区域を画成するために前記反応槽内にわたって伸びる分離壁によって画成される複数の反応区域を有し、前記分離壁は隣接する反応区域の間の温度および圧力差に耐用すべく形成されている反応装置と、該反応装置に作動可能に接続された第2熱交換器とを備える反応装置セットを準備する工程と、
b)供給物流を予熱するために、プレート型熱交換器または拡大面熱交換器として形成された第1熱交換器を介して供給物流を導く工程と、
c)反応装置内において供給物流を反応させる工程と、
d)入来する供給物流を予熱し、かつ反応生成物流を冷却するために、反応生成物流を反応装置から第1熱交換器を介して放出する工程と、
e)反応生成物流を冷却設備流と熱的に接触させて、反応生成物流内において凝縮した生成物を形成する工程と、
f)反応生成物から凝縮した生成物を分離する工程と、
g)反応生成物流を予熱するために、反応生成物流をプレート型熱交換器または拡大面熱交換器として形成された第2熱交換器を介して導く工程と、
h)所望の生成物の転化率を得るために、工程b〜gを繰り返す工程であって、前記供給物流は、水素ガスおよび酸化炭素ガスからなる、工程b〜gを繰り返す工程とを有する、方法。 - 前記供給物流は、蒸気改質器を用いた化学製品生産反応装置の再循環流からのパージガス流であり、かつ供給ガス流を導く工程は、第1熱交換器を介して前記パージガス流を導くことを含む、請求項1に記載の方法。
- 第1熱交換器は、供給物流を反応生成物流と熱的に接触させるための第1部分と、反応生成物流を冷却設備と熱的に接触させるための第1部分から下流に位置する第2部分とによって形成されており、反応生成物流を冷却設備と熱的に接触させる工程は、第1熱交換器内で行われる、請求項1に記載の方法。
- 第1熱交換器は、反応生成物流から凝縮した生成物を分離するための、第2部分から下流に位置する第3部分を備え、反応生成物流から凝縮した生成物を分離する工程は、第1熱交換器の第3部分内で行われる、請求項3に記載の方法。
- 第1熱交換器と第2熱交換器との間に作動可能に接続され、かつ前記生成物を形成するための反応の温度および圧力に耐用することができる分離器をさらに備え、反応生成物流から凝縮した生成物を分離する工程は、凝縮した生成物および反応生成物流を分離器に通すことを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記分離槽は前記分離槽内に分離区域を画成するために前記分離槽内にわたって伸びる分離壁によって画成される複数の分離区域を有し、前記分離壁は隣接する分離区域の間の温度および圧力差に耐用すべく形成されている、請求項5に記載の方法。
- 平衡によって制限される反応によって形成される化合物を合成する方法であって、該方法は、
a)第1熱交換器と、第1熱交換器に作動可能に接続されている反応装置であって、反応槽内に反応区域を画成するために前記反応槽内にわたって伸びる分離壁によって画成される複数の反応区域を有し、前記分離壁は隣接する反応区域の間の温度および圧力差に耐用すべく形成されている反応装置と、該反応装置に作動可能に接続された第2熱交換器とを備える反応装置セットを準備する工程と、
b)供給物流を予熱するために、プレート型熱交換器または拡大面熱交換器として形成された第1熱交換器を介して供給物流を導く工程と、
c)反応装置内において供給物流を反応させる工程と、
d)入来する供給物流を予熱し、かつ反応生成物流を冷却するために、反応生成物流を反応装置から第1熱交換器を介して放出する工程と、
e)反応生成物流を冷却設備流と熱的に接触させて、反応生成物流内において凝縮した生成物を形成する工程と、
f)反応生成物から凝縮した生成物を分離する工程と、
g)反応生成物流を予熱するために、反応生成物流をプレート型熱交換器または拡大面熱交換器として形成された第2熱交換器を介して導く工程と、
h)所望の生成物の転化率を得るために、工程b〜gを繰り返す工程であって、前記化合物は、メタノール、ジメチルエーテル、およびそれらの混合物のうちから選択される、工程b〜gを繰り返す工程とを有する、方法。 - メタノール、ジメチルエーテル、メタノール及びジメチルエーテルの混合物、フィッシャー−トロプシュ・ワックス、及びアンモニアの製造のための、平衡によって制限される反応によって形成される化合物を製造するための生成物合成装置において、
a)生成物を形成するための反応の温度および圧力に耐用することができる反応槽であって前記反応槽内に反応区域を画成するために前記反応槽内にわたって伸びる分離壁によって画成される複数の反応区域を有し、前記分離壁は隣接する反応区域の間の温度および圧力差に耐用すべく形成されている反応槽と、
b)生成物を形成するための反応の温度および圧力に耐用することができる分離槽であって前記分離槽内に分離区域を画成するために前記分離槽内にわたって伸びる分離壁によって画成される複数の分離区域を有し、前記分離壁は隣接する分離区域の間の温度および圧力差に耐用すべく形成されている分離槽と、
c)複数の供給物/流出物熱交換器を有する熱交換ブロックであって、それぞれの前記熱交換器は少なくとも1つの前記反応区域および少なくとも2つの前記分離区域に作動連結されている熱交換ブロックとを備える、装置。 - 前記反応槽は前記熱交換ブロックのヘッダとして形成されている、請求項8に記載の装置。
- 前記反応区域のそれぞれは前記反応槽を貫通する入口および出口を有し、前記入口および出口はそれぞれ前記熱交換ブロック内の対応する熱交換器に作動連結される、請求項8に記載の装置。
- 前記分離区域のそれぞれは前記分離槽を貫通する入口を有して上流の熱交換器と作動連結され、前記分離槽を貫通して第1の出口が下流の熱交換器に作動連結され、前記分離槽を貫通して第2の出口が生成物帰還流に作動連結されている、請求項8に記載の装置。
- 前記熱交換器ブロックは前記分離槽と一体に連結されている、請求項8に記載の装置。
- 前記熱交換器は、鑞付けフィン熱交換器、固相接合式熱交換器、拡散接合フィンプレート熱交換器、および螺旋巻回式熱交換器のうちから選択される、請求項8に記載の装置。
- 前記化合物は、メタノール、ジメチルエーテル、およびそれらの混合物のうちから選択される、請求項8に記載の装置。
- 前記供給物/流出物熱交換器は、それぞれ、少なくとも5伝熱単位数の効率を有する、請求項8に記載の装置。
- 前記供給物/流出物熱交換器は、それぞれ前記熱交換器に存在する生成物を凝縮するために用いる冷却設備流と作動連結される、請求項8に記載の装置。
- 前記分離槽は前記分離区域のそれぞれに連結され、生成物帰還流を形成するための堰システムを有する、請求項8に記載の装置。
- メタノール、ジメチルエーテル、メタノール及びジメチルエーテルの混合物、フィッシャー−トロプシュ・ワックス、及びアンモニアの製造のための、平衡によって制限される反応によって形成される化合物を製造するための生成物合成装置において、
a)生成物を形成するための反応の温度および圧力に耐用することができる反応槽であって前記反応槽内に反応区域を画成するために前記反応槽内にわたって伸びる分離壁によって画成される複数の反応区域を有し、前記分離壁は隣接する反応区域の間の温度および圧力差に耐用すべく形成されている反応槽と、
b)生成物を形成するための反応の温度および圧力に耐用することができる分離槽と、
c)少なくとも1つの前記反応区域および前記分離区域に作動連結されている熱交換器とを備える、装置。 - 前記分離壁は、隣接する前記反応区域の間に存在する0.2〜2.0バールの圧力差に耐え得る、請求項18に記載の装置。
- メタノール、ジメチルエーテル、メタノール及びジメチルエーテルの混合物、フィッシャー−トロプシュ・ワックス、及びアンモニアの製造のための、平衡によって制限される反応によって形成される化合物を製造するための生成物合成装置において、
a)生成物を形成するための反応の温度および圧力に耐用することができる反応槽反応槽と、
b)生成物を形成するための反応の温度および圧力に耐用することができる分離槽であって前記分離槽内に分離区域を画成するために前記分離槽内にわたって伸びる分離壁によって画成される複数の分離区域を有し、前記分離壁は隣接する分離区域の間の温度および
圧力差に耐用すべく形成されている分離槽と、
c)前記反応槽および少なくとも2つの前記分離区域に作動連結されている熱交換器とを備える、装置。 - 前記熱交換器は前記分離区域のそれぞれに設けられた供給物/流出物熱交換器を有し、前記供給物/流出物熱交換器は下流の分離区域に作動連結されている、請求項20に記載の装置。
- 前記供給物/流出物熱交換器はそれぞれ冷却設備流に作動連結され、かつ、各々が供給物流を前記反応槽のための反応生成物流に熱接触するための第1の領域と、前記第1の領域よりも下流の第2の領域であって前記反応生成物流を前記冷却設備に熱接触させるための第2の領域と、前記第2の領域よりも下流の第3の領域であって前記凝縮された生成物を反応生成物流から分離するための第3の領域とを備える、請求項21に記載の装置。
- 平衡によって制限される反応によって形成される化合物を合成する方法において、
a)請求項8に記載の装置を設ける工程と、
b)前記装置に供給物流を導く工程と、
c)前記装置からは生成物帰還流を回収する工程とを備える、方法。 - 前記供給物流は、蒸気改質器または自己熱改質器を用いた化学製品生産反応装置の再循環流からのパージガス流であり、かつ供給ガス流を導く工程は、前記装置を介して前記パージガス流を導くことを含む、請求項23に記載の方法。
- 前記供給物流は、蒸気改質器または自己熱改質器において生成された合成ガスである、請求項23に記載の方法。
- 前記生成物帰還流を回収する工程において1日あたり2500トン未満の生成物帰還流を回収する、請求項23に記載の方法。
- 前記生成物帰還流を回収する工程において1日あたり1500トン未満の生成物帰還流を回収する、請求項23に記載の方法。
- 前記生成物帰還流を回収する工程において1日あたり1000トン未満の生成物帰還流を回収する、請求項23に記載の方法。
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