JPWO2011034064A1 - 水素化分解方法、および炭化水素油の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2009年9月16日に出願された特願2009−214907号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
そこで、ワックス留分水素化分解工程における水素化分解の進行の度合いを把握し、これを適切に制御して、高い収率で中間留分を得ることが求められる。
具体的には、前記水素化分解生成物中に含まれる、沸点が25℃以上、360℃以下の炭化水素成分を特定の炭化水素成分とし、沸点が25℃以上の全水素化分解生成物の質量を基準とした該特定の炭化水素成分の含有量(質量%)を求め、この含有量が所定の範囲にあれば、水素化分解の進行の度合いが適切に維持されているものと判断する。一方、特定の炭化水素成分の含有量が所定の範囲外にあれば、ワックス留分水素化分解工程の条件、すなわち、水素化分解装置の運転条件を適宜変更して、特定の炭化水素成分の含有量が所定の範囲内となるように調整することで、水素化分解の進行の度合いを制御する。
なお、本願明細書においては、「水素化分解生成物」とは、特に断らない限り、ワックス留分水素化分解工程からの流出物全体をいい、その中には水素化分解により所定の分子量以下まで低下した炭化水素成分だけでなく、水素化分解が十分に進行しない、所謂「未分解ワックス」も含まれる。
すなわち、本発明の水素化分解方法は、フィッシャー・トロプシュ合成反応によって合成される液体炭化水素に含まれるワックス留分を水素化分解し、水素化分解生成物を得るワックス留分水素化分解工程と、多段の気液分離器により、前記水素化分解生成物を気体成分と重質油成分と軽質油成分とに分離する気液分離工程と、前記重質油成分と前記軽質油成分との流量比率を求め、該流量比率から、前記水素化分解生成物中に含まれる、特定の炭化水素成分の含有量の推算値を求める特定成分量推算工程と、前記推算値に基づいて、特定の炭化水素成分の含有量が所定の範囲となるように、前記ワックス留分水素化分解工程の運転を制御する制御工程とを備える。
図1に、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液体燃料合成システム1を示す。この液体燃料合成システム1は、合成ガス製造ユニット3と、FT合成ユニット5と、アップグレーディングユニット7とから構成される。
合成ガス製造ユニット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(原料ガス)を製造する。
FT合成ユニット5は、製造された合成ガスからフィッシャー・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する。
アップグレーディングユニット7は、FT合成反応により合成された液体炭化水素を水素化・分留して液体燃料(ナフサ、灯油、軽油、ワックス等)の基材を製造する。以下、これら各ユニットの構成要素について説明する。
脱硫反応器10は、水素化脱硫装置等で構成され、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(H2)とを主成分として含む合成ガスを製造する。
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溶剤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溶剤から炭酸ガスを放散させて吸収液を再生する再生塔24とを有する。
水素分離器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。
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、液体炭化水素(FT合成反応の生成物)中に固体の触媒粒子を懸濁させた触媒スラリーが収容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、上記合成ガス製造ユニット3において製造された合成ガス中の一酸化炭素ガスと水素ガスとを反応させて液体炭化水素を合成する。
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の内部に収容された触媒スラリー中の触媒粒子と液体炭化水素とを分離する。
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各留分に分留する。
ワックス留分水素化分解装置50は、第1精留塔40の塔底に接続されており、その下流に気液分離器56が設けられている。
中間留分水素化精製装置52は、第1精留塔40の中央部に接続されており、その下流に気液分離器58が設けられている。
ナフサ留分水素化精製装置54は、第1精留塔40の塔頂に接続されており、その下流に気液分離器60が設けられている。
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留する。
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更に分留して、軽質成分はオフガスとして排出し、重質成分は製品のナフサとして分離・回収する。
液体燃料合成システム1には、天然ガス田また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CH4)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。
脱硫された天然ガスは、二酸化炭素供給源(図示せず)から供給される二酸化炭素ガス(CO2)と、排熱ボイラー14で発生した水蒸気とが混合された後で、改質器12に供給される。改質器12は、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製造する。
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において炭酸ガスが吸収剤に吸収され、再生塔24において炭酸ガスを吸収した吸収剤から炭酸ガスが放出される。なお、放出された炭酸ガスは、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。
気泡塔型反応器30で合成された液体炭化水素は、触媒スラリーとして触媒粒子ともに分離器36に導入される。
また、気泡塔型反応器30の塔頂からは、未反応の合成ガス及び生成した気泡塔型反応器30内の条件においてガス状の炭化水素を含む気体生成物が排出され、気液分離器38に供給される。気液分離器38は、これらの気体生成物を冷却して、凝縮した液体炭化水素を分離して第1精留塔40に導入する。気液分離器38で分離されたガス分は、未反応の合成ガス(COとH2)、炭素数4以下の炭化水素ガスを主成分としており、その一部は気泡塔型反応器30の底部に再投入されて、その中に含まれる未反応の合成ガスはFT合成反応に再利用される。また、気泡塔型反応器30に再投入されなかったガス分は、オフガスとして排出され、燃料ガスとして使用されたり、LPG(液化石油ガス)相当の燃料が回収されたり、合成ガス製造ユニットの改質器12の原料として再利用されたりする。
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。
アップグレーディングユニット7において液体燃料基材製造の原料に使用する液体炭化水素としては、FT合成法により合成されるものであれば特に限定されないが、中間留分の収率を高めるとの観点から、沸点約150℃以上の炭化水素を、FT合成反応によって得られる液体炭化水素全体の質量を基準として80質量%以上含むことが好ましい。
また、公知のFT合成反応方法により製造される液体炭化水素は、広い炭素数分布を有する脂肪族炭化水素を主成分とする混合物であるが、これを予め適宜分留することにより得られる留分であってもよい。
なお、ここでは、好ましい形態として、第1精留塔40において2つのカットポイント(すなわち、約150℃および約360℃)を設定して、3つの留分に分留する例を示しているが、例えば1つのカットポイントを設定して、そのカットポイント以下の留分を中間留分としてラインL1から中間留分水素化精製装置52に導入し、そのカットポイントを超える留分をワックス留分としてラインL2から抜き出してもよい。
ワックス留分水素化分解工程においては、図2に示すように、ラインL2を通じて導入されたFTワックス留分はワックス留分水素化分解装置50において水素化分解され、水素化分解生成物が得られる。
好適な担体としては、超安定Y型(USY)ゼオライト、Y型ゼオライト、モルデナイトおよびβゼオライトなどの結晶性ゼオライト、ならびに、シリカアルミナ、シリカジルコニア、およびアルミナボリアなどの耐熱性を有する無定形複合金属酸化物の中から選ばれる1種類以上の固体酸を含むものが挙げられる。さらに、担体は、USYゼオライトと、シリカアルミナ、アルミナボリアおよびシリカジルコニアの中から選ばれる1種以上の固体酸とを含むものがより好ましく、USYゼオライトと、アルミナボリアおよび/またはシリカアルミナとを含むものがさらに好ましい。
なお、ここで「LHSV(liquid hourly space velocity;液空間速度)」とは、固定床流通式反応塔に充填された触媒からなる層(触媒層)の容量当たりの、標準状態(25℃、101325Pa)におけるワックス留分の体積流量のことであり、単位「h−1」は時間の逆数である。また、水素ガス/油比における水素ガス容量の単位である「NL」は、標準状態(0℃、101325Pa)における水素ガス容量(L)を示す。
なお、反応温度は、ラインL2に設けられた熱交換器(図示略)出口の設定温度を調整することにより制御される。
ワックス留分水素化分解工程における水素化分解生成物は、多段に設けられた第一気液分離器56および第二気液分離器57に導入される。ワックス留分水素化分解装置50出口に接続されたラインL15には、水素化分解生成物を冷却するための熱交換器(図示略)が設置されていることが好ましい。この熱交換器により冷却された水素化分解生成物は、第一気液分離器56により気体成分と液体成分とに分離される。第一気液分離器56内の温度は210〜260℃程度であることが好ましい。すなわち、第一気液分離器56において分離される液体成分は、前記温度において液体状態となる炭化水素からなる重質油成分であり、未分解のワックス留分を多く含む。前記重質油成分は、第一気液分離器56の底部から、ラインL19およびラインL7を通じて、第2精留塔70に供給される。
なお、ここで第一気液分離器56から抜き出される重質油成分の1時間当たりの体積流量(L/H)をFHとする。
なお、ここで第二気液分離器57から得られる軽質油成分の1時間あたりの体積流量(L/H)をFLとする。
ついで、特定の炭化水素成分の含有量の推算値を求める特定成分量推算工程では、まず、第一気液分離器56において得られる重質油成分と、第二気液分離器57から得られる軽質油成分との生成比率を求める。前記生成比率としては、第一気液分離器56および第二気液分離器57のそれぞれから流出する重質油成分および軽質油成分の単位時間あたりの流量比を用いる。流量としては、体積流量、質量流量のいずれであっても構わないが、ここでは体積流量を採用する。
この例では、第一気液分離器56から得られる重質油成分の1時間あたりの体積流量をFH(L/H)とし、第二気液分離器57から得られる軽質油成分の1時間あたりの体積流量をFL(L/H)とし、これらの合計流量を基準とした軽質油成分の体積流量の比率(%、下記式(1))を求め、これを「軽質油成分流量比率」(以下、単に「流量比率」という場合もある)とする。
図3に示すように、(x,y)=(軽質油成分流量比率、沸点25℃以上360℃以下の炭化水素成分の含有量)の実測データを多数採取し、これらをプロットする。そして、これら実測データの線形近似(例えば最小二乗法によるフィッティング)により、流量比率(x)と特定の炭化水素成分の含有量(y)との関係を示す関係式を作成しておく。図3の例では、関係式:y=1.2x+14.8が得られている。
これにより、ワックス留分水素化分解装置50の運転時に、FH(L/H)およびFL(L/H)を、例えばラインL19およびラインL18に設置した流量計(図示略)により求め、これらの値から流量比率を計算し、この値を関係式に代入するだけで、図3のグラフの縦軸であるワックス留分水素化分解工程の水素化分解生成物中の特定の炭化水素成分の含有量(推算値)を求めることができる。このような方法によれば、流量比率さえ求まれば、直ちに特定の炭化水素成分の含有量、すなわち水素化分解の進行の度合いを知ることができる。
ついで、特定成分量推算工程において推算された前記特定の炭化水素成分の含有量(推算値)に基づいて、該特定の炭化水素成分の含有量が所定の範囲(目標範囲)内となるように、ワックス留分水素化分解工程の反応条件を操作し、この工程を制御する。
具体的には、例えば先に説明したように、特定の炭化水素成分の含有量が好ましくは20〜90質量%、より好ましくは30〜80質量%、さらに好ましくは45〜70質量%の範囲内であれば、ワックス留分水素化分解工程は良好に制御され、水素化分解の進行の度合いが適切に維持されているものと判断される。一方、特定の炭化水素成分の含有量がこの範囲の下限未満あるいはこの範囲の上限を超える場合には、ワックス留分水素化分解の度合いが適当でないものと判断される。その場合には、例えば、ワックス留分水素化分解工程における反応温度(触媒床重量平均温度)、水素分圧、液空間速度(LHSV)、水素ガス/油比などの反応条件を適宜変更して、特定の炭化水素成分の含有量が上記所定の範囲内となるように調整することで、ワックス留分水素化分解工程を制御する。例えば、反応温度の変更により運転の制御を行おうとする場合、特定の炭化水素成分の含有量(推算値)が上記範囲の下限未満の場合には反応温度を上げ、上記範囲の上限を超えている場合には反応温度を下げる操作を行う。
軽質油成分の重質油成分に対する比率=FL/FH ・・・(3)
重質油成分の軽質油成分に対する比率=FH/FL ・・・(4)
上記実施形態においては、炭化水素原料としての天然ガスを液体燃料基材に転換するプラントを構成する液体燃料合成システム1について述べたが、本発明は天然ガスを原料とする場合のみに適用されるものではなく、例えばアスファルトや残油などの炭化水素を原料とする場合にも適用される。つまり、少なくとも一酸化炭素ガスと水素ガスとを含む原料ガスと触媒スラリーとの接触によるFT合成反応によって炭化水素を合成し、得られた炭化水素から液体燃料基材等に使用される炭化水素油を製造するシステムに適用することができる。
なお、本発明の炭化水素油の製造方法における炭化水素油とは、本発明の水素化分解方法によって生成するワックス留分の水素化分解生成物、該分解生成物を分留して得られるナフサ留分、中間留分、あるいは中間留分を更に分留して得られる灯油留分及び軽油留分、あるいはこれらの留分の混合物を含む炭化水素油をいう。
本発明によれば、FT合成反応によって得られる液体炭化水素から、中間留分を安定して高い収率で得ることができる。
55 熱交換器(冷却装置)、
56 第一気液分離器、
57 第二気液分離器
Claims (6)
- フィッシャー・トロプシュ合成反応によって合成された液体炭化水素に含まれるワックス留分を水素化分解し、水素化分解生成物を得るワックス留分水素化分解工程と、
多段の気液分離器により、前記水素化分解生成物を気体成分と重質油成分と軽質油成分とに分離する気液分離工程と、
前記重質油成分と前記軽質油成分との流量比率を求め、該流量比率から、前記水素化分解生成物中に含まれる、特定の炭化水素成分の含有量の推算値を求める特定成分量推算工程と、
前記推算値に基づいて、特定の炭化水素成分の含有量が所定の範囲となるように、前記ワックス留分水素化分解工程の運転を制御する制御工程とを備えるワックス留分の水素化分解方法。 - 前記特定の炭化水素成分は、25〜360℃の範囲に沸点を有する炭化水素成分である請求項1に記載のワックス留分の水素化分解方法。
- 前記多段の気液分離器は、第一気液分離器と、該第一気液分離器において分離された気体成分を冷却してその少なくとも一部を液化する冷却装置と、前記冷却装置からの流出物を気液分離する第二気液分離器とを備え、
前記重質油成分は、第一気液分離器から得られる液体成分であり、前記軽質油成分は、第二気液分離器から得られる液体成分である請求項1または2に記載のワックス留分の水素化分解方法。 - 一酸化炭素ガスと水素ガスとを含む原料ガスから、フィッシャー・トロプシュ合成反応により液体炭化水素を合成する液体炭化水素合成工程と、
前記液体炭化水素合成工程にて合成された液体炭化水素に含まれるワックス留分を水素化分解し、水素化分解生成物を得るワックス留分水素化分解工程と、
多段の気液分離器により、前記水素化分解生成物を気体成分と重質油成分と軽質油成分とに分離する気液分離工程と、
前記重質油成分と前記軽質油成分との流量比率を求め、該流量比率から、前記水素化分解生成物中に含まれる、特定の炭化水素成分の含有量の推算値を求める特定成分量推算工程と、
前記推算値に基づいて、特定の炭化水素成分の含有量が所定の範囲となるように、前記ワックス留分水素化分解工程の運転を制御する制御工程とを備える炭化水素油の製造方法。 - 前記特定の炭化水素成分は、25〜360℃の範囲に沸点を有する炭化水素成分である請求項4に記載の炭化水素油の製造方法。
- 前記多段の気液分離器は、第一気液分離器と、該第一気液分離器において分離された気体成分を冷却してその少なくとも一部を液化する冷却装置と、前記冷却装置からの流出物を気液分離する第二気液分離器とを備え、
前記重質油成分は、第一気液分離器から得られる液体成分であり、前記軽質油成分は、第二気液分離器から得られる液体成分である請求項4または5に記載の炭化水素油の製造方法。
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