JP2005512771A - 圧力スイング式吸着装置（ｐｓａ）の共用 - Google Patents
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Abstract
企図する構成および方法は、水素製造流および水素含有非循環廃ガス流を含む供給原料ガスを受け入れる水素圧力スイング式吸着装置を含む。
Description
本出願は、参照により本明細書に統合されている、２００１年１２月１７日に出願した米国仮特許出願番号６０／３４２，２６１号の優先権を主張するものである。
本発明の分野はガス処理であり、特に複数のガス供給源からの水素製品製造に関するものである。
多くの工業用プロセス、特に製油所および処理プラントにおけるプロセスは、相当量の水素を含んだガス流を生成する。これらガス流のいくつかは水素製造流（たとえば、水素が取り出されていない水素含有流、特に水蒸気改質装置／シフト反応コンバータシステムにより製造される流れ）であるのに対して、他のガス流はオフガス流（一般に、水素消費反応またはその他の水素隔離プロセスで水素の一部が前以て取り出された水素含有流）である。
水素製造流に含まれる水素は、当技術分野でよく知られている種々の方法を用いて回収することができる。たとえば、Ｄｏｓｈｉ等は、米国特許第４８６３４９２号に記述するように、膜アセンブリを用いて供給原料ガスから水素の多い透過ガスを製造し、その後、この透過ガスを水素圧力スイング式吸着装置に供給して精製された水素を発生させている。別の方法としては、Ｆｏｎｇ等に付与された米国特許第５１５２９７５号に記述されるように、天然ガスが部分酸化およびシフト反応転換にかけられ、その後、精製された水素を発生させるために水素圧力スイング式吸着装置に直接送られる水素製造流を形成している。
同様に、オフガス流に含まれる水素は、当技術分野でよく知られている数多くの方法を用いて回収することができる。たとえば、Ｆｏｎｇ等は、米国特許第５１５２９７６号において、精製された水素を発生させるために後で水素圧力スイング式吸着装置内に送られる、水素製造流を形成する各種オフガスの部分酸化およびシフト反応転換を説明している。したがって、各流れに対し別々の水素ＰＳＡ装置を用いて水素製造流またはオフガス流からの水素を個別に精製することが一般に知られていることを認識すべきである。しかしながら、共通の水素ＰＳＡ装置を用いて水素製造流とオフガス流の両方から水素が精製できるとは、これまで認識されていなかったことは明らかである。
本発明は、圧力スイング式吸着装置（ＰＳＡ）を用いてプラントの複数の水素含有流から水素製品を発生する構成と方法に関するものである。
本発明内容の好ましい１つの態様においては、プラントが供給原料流を受け入れる水素圧力スイング式吸着装置を含み、上記供給原料流は水蒸気改質装置からの水素製造流（たとえば、アンモニア製造用合成ガス）および水素含有非循環廃ガス流（たとえば、流動接触分解オフガス、熱分解オフガス、水素化処理オフガス、または接触改質オフガス）を含み、かつ上記水素圧力スイング式吸着装置は非循環テールガスおよび高純度水素製品を製造する。非循環テールガスの少なくとも一部は水蒸気改質装置で燃焼することをさらに企図している。
好ましくは、プラントが、メタン生成装置に流体で結合され、水素製造流の少なくとも一部を受け入れる酸性ガス除去装置をさらに含んでいてもよい。さらに別の構成においては、企図したプラントがまた、水素含有非循環廃ガス流の圧力を水素製造流の圧力まで増加させる増圧機を含むこともできる。それゆえ、別の見地から見ると、好ましいプラントは、水素製造流および水素含有非循環廃ガス流を含む供給原料ガスを受け入れるＰＳＡを含むものである。
その結果、水素製品の製造方法は、水蒸気改質装置からの水素製造流および水素含有非循環廃ガス流が供給される１つの工程を含むことになる。別の工程においては、この水素製造流および水素含有非循環廃ガス流が一緒になる。さらに別の工程においては、圧力スイング式吸着装置において、この一緒になった水素製造流と水素含有非循環廃ガス流から水素が分離され、これによって所望の水素製品流と非循環テールガスを形成する。
本発明の様々な目的、特徴、態様および利点は、添付図と併せ、以下の本発明の好ましい実施形態の詳細な説明からより明白になるであろう。なお、図中、同様の数字は同様の部品を表している。
本発明者は、プラントが、水素製造流および水素含有非循環廃ガス流を含む供給原料ガスを受け入れる共用の圧力スイング式吸着装置（ＰＳＡ）を含むことができることを発見した。本明細書で使用されるような「水素製造流」という用語は、相当量（すなわち、少なくとも４０モル％）の水素（すなわち、Ｈ２）を含み、それ以前にろ過工程、吸着工程および／または水素消費反応で水素が取り除かれていないガス流を指す。本明細書で使用されるような「水素含有非循環廃ガス流」という用語は、水素（一般に４０モル％未満）を含み、同じＰＳＡに循環されて戻るＰＳＡテールガスではないガス流を指す。たいていの場合、水素含有非循環廃ガス流は、それ以前にろ過工程、吸着工程および／または水素消費反応で水素が取り除かれているか、または存在する水素濃度が１５モル％未満のガス流である。本明細書でさらに使用されるような数字と一緒になった「約」という用語は、その数字とその数字の±１０％の範囲にある偏差を指す。たとえば、「約４００ｐｓｉａ」という用語は３６０ｐｓｉａ（３６０ｐｓｉａを含む）から４４０ｐｓｉａ（４４０ｐｓｉａを含む）の範囲を指す。
本発明内容の特に好ましい１つの態様において、企図するＰＳＡを共用する構成は、図１に示すように新しく建設される水素製造プラントに用いることができる。この図で、プラント１００は、炭化水素供給原料１１３および水蒸気１１４を受け入れる水蒸気改質装置１１２で製造される水素製造流１１０を有している。廃熱回収装置１１５が水素製造流１１０から熱を回収し、シフト反応コンバータ１１６が一酸化炭素を二酸化炭素に転換する。水素含有非循環廃ガス流１２０（１つの流れでもまたは複数の流れでもよい）および水素製造流１１０は、精製水素１４０（水素製品）および非循環テールガス１５０を製造する水素ＰＳＡ１３０に入る前に多岐管（図示せず）でひとつになる。本明細書で使用されるような「非循環テールガス」という用語は、同じＰＳＡ装置に循環されて戻されないＰＳＡ装置のテールガスを指す。
別法として、図２に示すように、例示的なＰＳＡ共用構成が既存の水素製造プラントに統合されている。この図で、統合されたプラント２００は、炭化水素供給原料２１３および水蒸気２１４を受け入れる水蒸気改質装置２１２で製造される水素製造流２１０を有している。廃熱回収装置２１５が水素製造流２１０から熱を回収し、シフト反応コンバータ２１６が一酸化炭素を二酸化炭素に転換する。水素含有非循環廃ガス流２２０（１つの流れでもまたは複数の流れでもよい）および水素製造流２１０は、精製水素２４０（水素製品）および非循環テールガス２５０を製造する水素ＰＳＡ２３０に入る前に多岐管（図示せず）でひとつになり、改質装置における燃料として使用するか、またはプラントの燃料ヘッダーに供給することができる。企図するＰＳＡを共用する構成が既存の水素製造プラントの性能を向上するものとして統合される場合には、このようなプラントがメタン生成装置２７０と組み合わせて溶剤系酸性ガス除去システム２６０をさらに含むことができることを、当然のことながら認識すべきである。溶剤系酸性ガス除去システム２６０とメタン生成装置２７０の両方を一時的または恒久的に非直結にすることができる。
水素製造流については、上記で規定したすべての水素含有ガス流が、本明細書で示した教示と組み合わせて、使用に適したものであることを企図している。しかしながら、特に企図する水素製造流としては、改質プロセス（たとえば、メタノール、天然ガス、またはナフサ水蒸気改質法）、部分酸化プロセス（たとえば、液体および／または重質炭化水素）、化学的水素製造プロセスまたは電気化学的水素製造プロセスにより発生されるガス流がある。したがって、ほとんどすべての企図する水素製造流が、水素含有量が少なくとも４０モル％、より一般的には少なくとも５５モル％、最も一般的には少なくとも７０モル％の相当量の水素を含むことになる。
特に好適な水素製造流には、（たとえば、ろ過工程、吸着工程および／または水素消費工程により）水素が前以て取り除かれていないものが含まれていることがさらに好ましい。それゆえ、特定の供給源に応じて、好適な水素製造流は様々な圧力を有することが可能であり、一般に水素製造流の圧力が本発明内容に限定されるものではないことを企図している。たとえば、水素製造流が電気化学的プロセスで製造される場合は、水素製造流の圧力が大気圧未満と１〜２００ｐｓｉａの間になる可能性がある。一方、水素製造流が天然ガス水蒸気改質プロセスから得られる場合は、水素製造流が約３００と１５００ｐｓｉａの間、最も一般的には約５００と１０００ｐｓｉａの間の圧力を有する可能性がある。しかしながら、水素製造流の圧力が水素ＰＳＡの（精製されるガスの入口条件下の）運転圧力とおおむね同一（すなわち、±５％）であることが一般に好ましい。
同様に、好適な各水素製造流の温度は大幅に異なっていてもよく、特定の温度が本明細書に示された発明内容に限定されるものではないことを認識すべきである。そのようなわけで、好適な温度は一般に約華氏０度から約華氏５００度の範囲にあり、より一般には約華氏５０度から約華氏１５０度の範囲にあることになる。企図する水素製造流における水素以外の成分については、このような成分は、水素製造流の製造に用いる特定のプロセスおよび供給原料によって変わることを認識すべきである。しかしながら、このような成分はＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｓ、Ｈ２Ｏ、およびＣＨ４を含むのが最も一般的である。さらに別の企図する態様においては、種々のガス流（たとえば、バイパスまたは循環流、精製水素流など）の少なくとも１つが水素製造流であればそれらからの好適な各水素製造流を混合することも可能である。
同様に、企図する各水素含有非循環廃ガス流の特定の性質は大幅に異なっていてもよく、水素を含有するガス流すべてを（同じＰＳＡに循環されて戻るＰＳＡテールガスでない限り）好適であるよう一般に企図している。さらにまた、企図する水素含有非循環廃ガス流が、４０モル％未満、より一般的には約５モル％と３０モル％の間の水素を含むことが一般に好ましい。したがって、企図する水素含有非循環廃ガス流は特に、（たとえば、ろ過工程、吸着工程および／または水素消費工程により）水素の一部が取り除かれたガス流を含む。たとえば、特に好ましい水素含有非循環廃ガス流として、別の水素ＰＳＡ装置からのテールガス流、流動接触分解オフガス、熱分解オフガス、水素化処理オフガス、および／または接触改質オフガスがある。
その結果、企図する水素含有非循環廃ガス流の組成は大幅に異なる可能性があり、水素含有非循環廃ガス流の特定の組成は、水素含有非循環廃ガス流が少なくともいくらか（たとえば、少なくとも５モル％）の水素を含有する限り本発明内容に限定されるものではないことを一般に企図している。したがって、企図する水素含有非循環廃ガス流は、（水素のほかに）Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｓ、ＣＨ４、Ｃ２〜Ｃ４炭化水素、ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２、およびそれより少ない程度（すなわち、一般に５００ｐｐｍ以下）に芳香族、メルカプタン、ＮＨ３などを含む可能性がある。
企図する水素含有非循環廃ガス流の圧力については、特定の供給源に応じてこの圧力が大幅に異なる可能性があることを認識すべきである。しかしながら、この圧力はおよそ大気圧と１０００ｐｓｉａの間にあることが一般に好ましく、約３００ｐｓｉａと６００ｐｓｉａの間にあることがより好ましい。さらに別の好ましい態様においては、好適な水素含有非循環廃ガス流の圧力が水素ＰＳＡの（精製されるガスの入口条件下の）運転圧力とおおむね同一（すなわち、±５％）であることを企図している。しかしながら、水素含有非循環廃ガス流の圧力が水素製造流の圧力と異なる場合は、増圧機、タービン、またはエキスパンダーを経由してこの圧力をおおむね同じ圧力に調整することができることを認識すべきである。本発明内容のさらに別の企図する態様において、好適な水素含有非循環廃ガス流は様々な供給源から形成することができ、水素含有ガスを与える供給源はすべて本発明で使用するのに適していると考えられる。
水素製造流の水素含有非循環廃ガス流に対する比率は、プラントの運転に応じて変えることが可能であり、（たとえば、水素含有非循環廃ガス流がバッチモードで利用できる場合など）水素含有非循環廃ガス流を一時的に水素製造流と混合する、または連続的に混合することができ、かつ水素含有非循環廃ガス流が、約０．１容積％から約７０容積％、より一般的には約１０容積％から約４０容積％、最も一般的には約１５容積％から約２５容積％の間を占めることを一般に企図している。
本発明内容の特に好ましい態様においては、水素製造流および水素含有非循環（各）廃ガス流が、一般に水素ＰＳＡ装置の上流に配置される多岐管でひとつになる（混合装置でさらに混合されてもよい）ことを企図している。しかしながら、片方のガス流または両方のガス流用の中間保持容器を設けることを含め、水素製造流と水素含有非循環（各）廃ガス流を結びつける別の様々なやり方も企図していることを了解すべきである。さらに別の態様においては、水素製造流と水素含有非循環（各）廃ガス流がまったく一緒にされることがないこと、かつ水素ＰＳＡの製造サイクルが、水素製造水蒸気または水素含有非循環（各）廃ガス流のどちらかを使用して実施されることが企図している。さらに別の組合せを水素ＰＳＡ装置内部で実施してもよい。
知られている水素ＰＳＡ装置すべてが、本明細書に示された教示と組み合わせて使用に適することを一般に企図しており、例示的な装置や処理条件が、Ｗａｇｎｅｒに付与された米国特許第３４３０４１８号またはＦｕｄｅｒｅｒ等に付与された米国特許第３９８６８４９号に記載されている。さらに、１つまたは複数の好適なＰＳＡ装置の特定の構成および容量は主として水素製造ガスおよび／または水素含有非循環廃ガス流の量によって決まるよう企図している。したがって、１つまたは複数の水素ＰＳＡ装置は直列に運転されることもまたは並列に運転されることもある。
本発明内容による方法および構成が、メタン生成装置によって溶剤系プロセス（一般に処理能力を制限する工程である）でＣＯ２が除去される既存の水素製造プラントに用いられる場合、水素製造ガス流は一時的または恒久的に共通の水素ＰＳＡ装置に別ルートで送ることができるよう企図している。その結果、水素製造ガスを水素ＰＳＡに別ルートで送ることによって既存の水素製造プラントにおける水素精製プロセスのネックを除くことができることを企図している。
さらに、水素含有非循環（各）廃ガス流をさらに処理してＰＳＡに入る前に炭化水素液を除去／回収することを企図しており、特に好ましい炭化水素液除去プロセスが、参照により本明細書に統合されている、２００１年１２月１７日に出願した米国仮出願番号６０／３４２，２６２号に記載されている。
したがって、本発明者は、供給原料流を受け入れる水素圧力スイング式吸着装置を含み、上記供給原料流が水蒸気改質装置からの水素製造流および水素含有非循環廃ガス流を含み、かつ上記水素圧力スイング式吸着装置が非循環テールガスおよび高純度水素製品を製造するプラントを企図している。特に好ましいプラントにおいては、上記水素含有非循環廃ガス流が、水素製造流をシフト反応転換にかけた後の水素製造流と混ぜ合わせられ、上記非循環テールガスの少なくとも一部が水蒸気改質装置で燃焼される。特に好ましいプラントは、メタン生成装置に流体的に結合され、水素製造流の少なくとも一部を受け入れる酸性ガス除去装置をさらに含むことができる。それゆえ、別の見地から見て、企図するプラントは、水素製造流および水素含有非循環廃ガス流を含む供給原料ガスを受け入れる水素圧力スイング式吸着装置を含むことができる。
その結果、水素製品（たとえば、精製された水素流）の製造方法は、水蒸気改質装置からの水素製造流および水素含有非循環廃ガス流が供給される工程を含むことができる。別の工程においては、上記水素製造流および水素含有非循環廃ガス流が一緒になり、さらに別の工程においては、圧力スイング式吸着装置において、上記一緒になった水素製造流と水素含有非循環廃ガス流から水素が分離され、これによって水素製品流と非循環テールガスを形成する。
以上のように、ＰＳＡ共用の特定の実施形態と応用について開示した。しかしながら、当業者にとって、本明細書の発明の概念から逸脱することなく、既に説明したもの以外のより多くの変更形態が可能であることは明白であろう。したがって、本発明内容は添付の特許請求の範囲の精神以外は制限されるものではない。さらに、明細書と特許請求の範囲の両方を解釈する場合、用語はすべて文脈と一致する可能な最も幅広いやり方で解釈すべきである。特に「含む」および「含んでいる」の用語は、非限定的に要素、構成部品、または工程を指すものと解釈すべきであり、言及された要素、構成部品、または工程は、表現上言及されていない他の要素、構成部品、または工程と一緒に存在してもよく、またはこれらと一緒に利用されるかまたは組み合わされてもよいものである。
Claims (14)
- 供給原料流を受け入れる水素圧力スイング式吸着装置を含み、
前記供給原料流が水蒸気改質装置からの水素製造流および水素含有非循環廃ガス流を含み、
前記水素圧力スイング式吸着装置が非循環テールガスおよび高純度水素製品を製造する
プラント。 - 前記水素含有非循環廃ガス流が、水素製造流をシフト反応転換にかけた後の水素製造流と混合される請求項１に記載のプラント。
- 前記水素含有非循環廃ガス流が、流動接触分解オフガス、熱分解オフガス、水素化処理オフガス、および接触改質オフガスからなる群から選択される請求項１に記載のプラント。
- 非循環テールガスの少なくとも一部が水蒸気改質装置で燃焼される請求項１に記載のプラント。
- メタン生成装置に流体で結合され、水素製造流の少なくとも一部を受け入れる酸性ガス除去装置をさらに含む請求項１に記載のプラント。
- 水素含有非循環廃ガス流の圧力を水素製造流の圧力まで増加させる増圧機をさらに含む請求項１に記載のプラント。
- 水素製造流および水素含有非循環廃ガス流を含む供給原料ガスを受け入れる水素圧力スイング式吸着装置を含むプラント。
- 水蒸気改質装置によって水素製造流が供給され、かつ流動接触分解オフガス、熱分解オフガス、水素化処理オフガス、および接触改質オフガスからなる群から選択される廃ガス流によって水素含有非循環廃ガス流が供給される請求項７に記載のプラント。
- 前記水素含有非循環廃ガス流が、水素製造流をシフト反応転換にかけた後の水素製造流と混合される請求項７に記載のプラント。
- 前記水素圧力スイング式吸着装置が、水蒸気改質装置で燃焼される非循環テールガスを製造する請求項７に記載のプラント。
- 水蒸気改質装置からの水素製造流および水素含有非循環廃ガス流を供給する工程と、
前記水素製造流および前記水素含有非循環廃ガス流を混合する工程と、
圧力スイング式吸着装置において、前記混合した水素製造流と水素含有非循環廃ガス流から水素を分離し、これによって水素製品流および非循環テールガスを形成する工程と
を含む水素製品の製造方法。 - 前記混合する工程の前に、前記水素製造流がさらにシフト反応転換にかけられる請求項１１に記載の方法。
- 前記水素含有非循環廃ガス流が、流動接触分解オフガス、熱分解オフガス、水素化処理オフガス、および接触改質オフガスからなる群から選択される廃ガス流により供給される請求項１１に記載の方法。
- 前記非循環テールガスが水蒸気改質装置で燃焼される請求項１１に記載の方法。
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