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JP2018008940A - Method for producing methanol and methanol production device - Google Patents

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JP2018008940A JP2017124593A JP2017124593A JP2018008940A JP 2018008940 A JP2018008940 A JP 2018008940A JP 2017124593 A JP2017124593 A JP 2017124593A JP 2017124593 A JP2017124593 A JP 2017124593A JP 2018008940 A JP2018008940 A JP 2018008940A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method where, in conversion reaction from a raw material gas containing carbon dioxide and hydrogen into methanol, a conversion rate is sufficiently increased, and further, methanol is easily separated fron a reaction system.SOLUTION: There is provided a method for producing methanol, comprising: a step where a raw material gas including carbon dioxide and hydrogen is fed to the first space 11 filled with a catalyst on the non-permeation side of a separation membrane reactor 10, and the conversion reaction of the raw material gas into methanol is progressed by the action of the catalyst; a step where a sweeping gas is circulated through the second space 12 on the permeation side of the separation membrane reactor 10 to remove the heat of reaction generated with the conversion reaction, and further, water vapor as the by-products of the conversion reaction permeated through the water vapor separation membrane 13a is made to flow out from the second space 12; a step where a non-permeation fluid including the methanol generated by the conversion reaction and an unreacted gas are cooled by a heat exchanger 31, and the methanol and the unreacted gas are separated by a gas-liquid separation tank 31b; and a step where the unreacted gas is circulated through the first space 11.SELECTED DRAWING: Figure 3A

Description

本発明は、二酸化炭素と水素とを含む原料ガスから分離膜反応器を用いてメタノールを製造する方法または装置に関する。   The present invention relates to a method or apparatus for producing methanol from a raw material gas containing carbon dioxide and hydrogen using a separation membrane reactor.

近年、温室効果ガスの削減の必要性が高まっており、発電所、製鉄所、セメントプラントなどで生成される排ガス中の二酸化炭素の固定化技術の開発が急務とされている。中でも、排ガスを水素と反応させてメタノールに変換し、再利用する技術が注目を集めている。メタノールは、常温で液体であり、貯蔵性や輸送性に優れ、化学品原料やクリーンエネルギーとしての利用価値が高く、世界的に大きな需要が見込まれている。   In recent years, there has been an increasing need to reduce greenhouse gases, and there is an urgent need to develop a technique for fixing carbon dioxide in exhaust gas generated at power plants, steelworks, cement plants, and the like. Among them, a technology for reacting exhaust gas with hydrogen to convert it into methanol and reusing it is attracting attention. Methanol is liquid at room temperature, has excellent storage and transportability, has high utility value as a chemical raw material and clean energy, and is expected to be in great demand worldwide.

一般的に、メタノールは、一酸化炭素、二酸化炭素および水素を含む合成ガスを、触媒存在下で接触水素化することにより製造されている。メタノール合成の反応式は、以下の通りである。   In general, methanol is produced by catalytic hydrogenation of synthesis gas containing carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen in the presence of a catalyst. The reaction formula for methanol synthesis is as follows.

CO+2H2 ⇔ CH3OH (1)
CO2+3H2 ⇔ CH3OH+H2O (2)
CO2+H2 ⇔ CO+H2O (3)
CO + 2H 2 CH CH 3 OH (1)
CO 2 + 3H 2 CHCH 3 OH + H 2 O (2)
CO 2 + H 2 COCO + H 2 O (3)

上記反応は、いずれも平衡反応であり、メタノール転化率は温度と圧力に応じた熱力学的上限(平衡転化率)を有する。メタノール転化率を高めるには、低温かつ高圧で反応を進行させることが望ましい。   The above reactions are all equilibrium reactions, and the methanol conversion rate has a thermodynamic upper limit (equilibrium conversion rate) corresponding to temperature and pressure. In order to increase the methanol conversion rate, it is desirable to proceed the reaction at a low temperature and a high pressure.

ただし、低温では反応速度が顕著に低下することから、一般には200℃〜300℃、5MPa〜50MPaの高温高圧下で反応が行われる。その際の単通転化率は低く、多量の未反応ガスが生成物から分離され、再び反応器へと循環される。未反応ガスの循環に伴うエネルギー消費は大きく、メタノール合成のコスト増大の主要因となっている。   However, since the reaction rate is remarkably reduced at a low temperature, the reaction is generally performed at a high temperature and a high pressure of 200 to 300 ° C. and 5 to 50 MPa. At that time, the single conversion rate is low, and a large amount of unreacted gas is separated from the product and recycled to the reactor again. Energy consumption accompanying the circulation of unreacted gas is large, which is a major factor in increasing the cost of methanol synthesis.

メタノールの単通転化率を向上させるための検討は、大別して二種類存在する。一つは高性能触媒の開発であり、これまでに数多くの報告がある。もう一つは、平衡シフト効果を利用するアプローチであり、反応系から生成物の一部または全部を分離することにより反応平衡(上記式(1)〜(3))を生成物側へとシフトさせる手法である。   There are roughly two types of studies for improving the single conversion rate of methanol. One is the development of high performance catalysts, and there have been many reports so far. The other is an approach that uses the equilibrium shift effect, and the reaction equilibrium (the above formulas (1) to (3)) is shifted to the product side by separating part or all of the product from the reaction system. It is a technique to make it.

平衡シフト効果を利用するアプローチとして、反応器と凝縮器を多段に連ねた複合反応器(特許文献1)、反応管内に配置した冷却器により水とメタノールを凝縮分離する反応器(特許文献2、3)、水と反応する有機溶媒中でメタノール合成を行う液相合成法(特許文献4)などが報告されている。中でも注目を集めているのが、分離膜反応器によって反応系から生成物を分離するプロセスである(特許文献5、6)。   As an approach utilizing the equilibrium shift effect, a composite reactor (Patent Document 1) in which reactors and condensers are connected in multiple stages, and a reactor that condenses and separates water and methanol by a cooler arranged in the reaction tube (Patent Document 2, 3) A liquid phase synthesis method (Patent Document 4) in which methanol is synthesized in an organic solvent that reacts with water has been reported. Of particular interest is the process of separating the product from the reaction system using a separation membrane reactor (Patent Documents 5 and 6).

特許文献5では、合成ガスからメタノールを製造する際に、分離膜により反応系から生成物を除去し、反応平衡を生成物側へ移動させることが提案されている。生成物は、基本的に減圧により、透過側から回収される。平衡シフト効果を利用するプロセスでは、メタノール合成反応が従来よりも効率的に進行するため、高効率な除熱が求められる。しかし、特許文献5では、反応熱の除去について対策がなされていないため、温度上昇による深刻なメタノール転化率の低下を招くと考えられる。   In Patent Document 5, it is proposed that when producing methanol from synthesis gas, the product is removed from the reaction system by a separation membrane, and the reaction equilibrium is moved to the product side. The product is recovered from the permeate side essentially by vacuum. In a process that uses the equilibrium shift effect, the methanol synthesis reaction proceeds more efficiently than in the past, and therefore, highly efficient heat removal is required. However, in Patent Document 5, since no countermeasure is taken for removal of reaction heat, it is considered that the methanol conversion rate is seriously lowered due to a temperature rise.

一方、特許文献6では、冷却水と反応ガスとの熱交換や、高温ガスと未反応の低温ガスとの自己熱交換を利用する除熱方法が提案されている。分離膜を透過したメタノール含有ガスは、凝縮された後、蒸留精製され、メタノールが回収される。そのため、蒸留精製に要するエネルギー投入量が大きくなり、分離膜反応器を利用するプロセスとしては完成度が低く、非現実的である。   On the other hand, Patent Document 6 proposes a heat removal method using heat exchange between cooling water and a reaction gas, or self-heat exchange between a high temperature gas and an unreacted low temperature gas. The methanol-containing gas that has permeated the separation membrane is condensed and then purified by distillation to recover methanol. For this reason, the amount of energy input required for distillation purification becomes large, and the degree of completion is low and unrealistic as a process using a separation membrane reactor.

特開2005−132739号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-13239 特開2005−298413号公報JP 2005-298413 A 特開2010−13422号公報JP 2010-13422 A 特開2007−55974号公報JP 2007-55974 A 特表平9−511509号公報JP 9-511509 A 特開2001−9265号公報JP 2001-9265 A

以上のように、従来の分離膜反応器を用いたプロセスでは、除熱の効率化とメタノールの分離精製プロセスの簡略化とを同時に実現することが困難である。   As described above, in the process using the conventional separation membrane reactor, it is difficult to simultaneously realize the efficiency of heat removal and the simplification of the methanol separation and purification process.

本発明の一局面は、二酸化炭素と水素とを含む原料ガスを、非透過側の第1空間と、水蒸気分離膜と、透過側の第2空間と、前記第1空間に配置された触媒と、を具備する分離膜反応器の前記第1空間に供給し、前記触媒の作用により前記原料ガスのメタノールへの転化反応を進行させる工程と、前記第2空間に掃引ガスを流通させることにより、前記転化反応に伴って発生する反応熱を除去するとともに、前記水蒸気分離膜を透過させた前記転化反応の副生成物である水蒸気を前記第2空間から流出させる工程と、前記転化反応により生成したメタノールと未反応ガスとを含む非透過流体を冷却し、メタノールを凝縮させて、メタノールと前記未反応ガスとを分離する工程と、前記未反応ガスを前記第1空間に循環させる工程と、を具備する、メタノールの製造方法に関する。   One aspect of the present invention provides a raw material gas containing carbon dioxide and hydrogen, a non-permeate side first space, a water vapor separation membrane, a permeate side second space, and a catalyst disposed in the first space. By supplying the first space of the separation membrane reactor comprising the above, allowing the conversion reaction of the raw material gas to methanol by the action of the catalyst, and circulating the sweep gas in the second space, The reaction heat generated with the conversion reaction is removed, and water vapor, which is a by-product of the conversion reaction that has permeated the water vapor separation membrane, is caused to flow out of the second space, and is generated by the conversion reaction. Cooling a non-permeate fluid containing methanol and unreacted gas, condensing methanol to separate methanol and the unreacted gas, and circulating the unreacted gas to the first space. Have It relates to a process for the production of methanol.

本発明の別の局面は、二酸化炭素と水素とを含む原料ガスが導入される非透過側の第1空間と、水蒸気分離膜と、透過側の第2空間と、前記第1空間に配置された触媒と、を具備し、前記触媒の作用により前記原料ガスのメタノールへの転化反応を進行させる分離膜反応器と、前記第1空間に前記原料ガスを供給する原料ガス供給部と、前記第2空間に掃引ガスを供給する掃引ガス供給部と、前記第1空間から、前記転化反応により生成したメタノールと未反応ガスとを含む非透過流体を回収し、メタノールを凝縮させる第1回収部と、前記第2空間から、前記水蒸気分離膜を透過させた前記転化反応の副生成物である水蒸気を前記掃引ガスとともに流出させる第2回収部と、前記非透過流体から分離された未反応ガスを前記第1空間に循環させる循環部と、を具備する、メタノールの製造装置に関する。   Another aspect of the present invention is arranged in the first space on the non-permeate side into which the source gas containing carbon dioxide and hydrogen is introduced, the water vapor separation membrane, the second space on the permeate side, and the first space. A separation membrane reactor that advances a conversion reaction of the raw material gas into methanol by the action of the catalyst, a raw material gas supply unit that supplies the raw material gas to the first space, and the first A sweep gas supply unit that supplies a sweep gas to two spaces; a first recovery unit that recovers a non-permeating fluid containing methanol and unreacted gas generated by the conversion reaction from the first space and condenses the methanol; A second recovery unit for causing water vapor, which is a byproduct of the conversion reaction permeated through the water vapor separation membrane, to flow out from the second space together with the sweep gas, and an unreacted gas separated from the non-permeated fluid. Circulate in the first space It includes a circulation unit that, the relates to methanol production apparatus.

本発明によれば、二酸化炭素と水素とを含む原料ガスのメタノールへの転化反応において、平衡シフト効果が得られ、かつ反応熱の除熱が効率的に行われるため、メタノール転化率を十分に高めることができる。また、メタノールを反応系から容易に分離できるため、分離精製プロセスの簡略化が可能である。   According to the present invention, in the conversion reaction of raw material gas containing carbon dioxide and hydrogen to methanol, an equilibrium shift effect is obtained, and the reaction heat is efficiently removed, so that the methanol conversion rate is sufficiently high. Can be increased. Further, since methanol can be easily separated from the reaction system, the separation and purification process can be simplified.

一酸化炭素からのメタノール(MeOH)合成における平衡転化率を示すグラフである。It is a graph which shows the equilibrium conversion rate in the synthesis | combination of methanol (MeOH) from carbon monoxide. 二酸化炭素からのメタノール合成における平衡転化率を示すグラフである。It is a graph which shows the equilibrium conversion rate in the methanol synthesis | combination from a carbon dioxide. 本発明の実施形態に係るメタノール製造装置の一例を断面で示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the methanol manufacturing apparatus which concerns on embodiment of this invention in a cross section. 第1空間、膜複合体および第2空間の断面構造の一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of the cross-sectional structure of 1st space, a membrane complex, and 2nd space. 原料ガス(H2/CO=3)のメタノール転化反応におけるメタノール転化率と温度との関係を示す図である。Is a diagram illustrating the relationship between methanol conversion and temperature in the methanol conversion reaction of the material gas (H 2 / CO x = 3 ). 原料ガス(H2/CO=3)のメタノール転化反応における非透過側(第1空間)からのメタノール回収率と温度との関係を示す図である。It is a diagram showing the relationship between the methanol recovery and temperature from the non-permeate side of the methanol conversion reaction (first space) of the raw material gas (H 2 / CO x = 3 ).

本発明に係るメタノール製造方法は、分離膜反応器を用いて、二酸化炭素と水素とを含む原料ガスのメタノールへの転化反応を進行させる工程を具備する。ここで、分離膜反応器は、原料ガスが供給される非透過側の第1空間と、水蒸気分離膜と、透過側の第2空間とを具備する。   The methanol production method according to the present invention includes a step of using a separation membrane reactor to advance a conversion reaction of a raw material gas containing carbon dioxide and hydrogen into methanol. Here, the separation membrane reactor comprises a first space on the non-permeate side to which the raw material gas is supplied, a water vapor separation membrane, and a second space on the permeate side.

第1空間には、原料ガスのメタノールへの転化反応を進行させる触媒が配置されている。触媒の第1空間内への配置の仕方は、特に限定されない。例えば、触媒を第1空間内に充填してもよいし、水蒸気分離膜の第1空間側に触媒を担持させてもよい。   In the first space, a catalyst for proceeding the conversion reaction of the raw material gas to methanol is disposed. A method of arranging the catalyst in the first space is not particularly limited. For example, the catalyst may be filled in the first space, or the catalyst may be supported on the first space side of the water vapor separation membrane.

第1空間では、触媒の作用によりメタノールが生成するとともに、上記式(2)〜(3)に示すように副生成物として水蒸気も生成する。水蒸気は選択的に水蒸気分離膜を透過し、第1空間から第2空間に移動する。一方、メタノールと未反応ガスは、非透過流体として第1空間から回収される。   In the first space, methanol is generated by the action of the catalyst, and water vapor is also generated as a by-product as shown in the above formulas (2) to (3). The water vapor selectively permeates the water vapor separation membrane and moves from the first space to the second space. On the other hand, methanol and unreacted gas are recovered from the first space as a non-permeating fluid.

また、上記製造方法は、第2空間に掃引ガスを流通させることにより、転化反応に伴って発生する反応熱を除去するとともに、副生成物である水蒸気を第2空間から回収し、もしくは外部に流出させる工程を具備する。転化反応に伴って発生する反応熱は、第2空間内を流通する掃引ガスに移動し、掃引ガスとともに第2空間から除去される。このとき、第2空間に移動してきた水蒸気も掃引ガスとともに第2空間から除去される。これにより、上記式(2)〜(3)の反応平衡が生成物側へとシフトし、メタノール転化率が向上する。   In addition, the above manufacturing method removes reaction heat generated by the conversion reaction by circulating a sweep gas through the second space, and collects water vapor as a by-product from the second space, or externally. A step of causing the liquid to flow out. The reaction heat generated along with the conversion reaction moves to the sweep gas flowing through the second space and is removed from the second space together with the sweep gas. At this time, water vapor that has moved to the second space is also removed from the second space together with the sweep gas. Thereby, the reaction equilibrium of said Formula (2)-(3) shifts to the product side, and a methanol conversion rate improves.

また、上記製造方法は、第1空間から回収されたメタノールと未反応ガスとを含む非透過流体を冷却し、メタノールを凝縮させる工程を具備する。これにより、凝縮性を有するメタノールと非凝縮性の未反応ガスとが分離され、高純度のメタノールが回収される。すなわち、蒸留などのメタノールの分離精製に必要な工程を省略もしくは短縮することができる。   Moreover, the said manufacturing method comprises the process of cooling the non-permeated fluid containing methanol and unreacted gas collect | recovered from 1st space, and condensing methanol. As a result, condensable methanol and non-condensable unreacted gas are separated, and high-purity methanol is recovered. That is, steps necessary for separation and purification of methanol such as distillation can be omitted or shortened.

次に、上記製造方法は、未反応ガスを第1空間に循環させる工程を具備する。これにより、未反応ガスが再利用されるが、メタノール転化率の向上により、循環させるべき未反応ガス量が低減される。よって、未反応ガスの循環に伴うエネルギー消費が抑制される。循環させる未反応ガスの一部をパージして、第1空間に導入される原料ガスの組成を調整してもよい。   Next, the manufacturing method includes a step of circulating unreacted gas to the first space. Thereby, unreacted gas is reused, but the amount of unreacted gas to be circulated is reduced by improving the methanol conversion rate. Therefore, energy consumption accompanying the circulation of unreacted gas is suppressed. A part of the unreacted gas to be circulated may be purged to adjust the composition of the raw material gas introduced into the first space.

以上のように、本発明に係るメタノール製造方法によれば、原料ガスからメタノールを生成させる反応と、メタノールの分離精製とを並行して行うことができ、蒸留などの工程を省略もしくは短縮することが可能である。また、第2空間に掃引ガスを流通させることで、触媒反応により生じた反応熱が効率的に除去され、更に、副生成物である水蒸気が掃引ガスによって第2空間から除去されることで平衡シフト効果が得られ、メタノール転化率が向上する。   As described above, according to the method for producing methanol according to the present invention, the reaction for generating methanol from the raw material gas and the separation and purification of methanol can be performed in parallel, and steps such as distillation can be omitted or shortened. Is possible. Further, by allowing the sweep gas to flow through the second space, reaction heat generated by the catalytic reaction is efficiently removed, and further, water vapor as a by-product is removed from the second space by the sweep gas. A shift effect is obtained, and the methanol conversion is improved.

本発明に係るメタノール製造では、上記式(2)〜(3)の反応平衡が生成物側へとシフトするため、従来の一般的なメタノール製造条件(200℃〜300℃、5MPa〜50MPa)に比べ、穏やかな温度または圧力で高い反応効率を得ることが可能である。例えば、分離膜反応器内の原料ガスの温度が200℃未満(例えば150℃〜180℃)であり、分離膜反応器内の原料ガスの圧力が5MPa未満(例えば0.9MPa〜2MPa)でも、効率的に転化反応が進行する。すなわち、原料ガスのメタノールへの転化反応において、所定の温度および圧力下における平衡転化率を超えて、メタノール転化率を高めることが可能である。   In the methanol production according to the present invention, the reaction equilibrium of the above formulas (2) to (3) shifts to the product side, so that conventional methanol production conditions (200 ° C. to 300 ° C., 5 MPa to 50 MPa) are maintained. In comparison, it is possible to obtain high reaction efficiency at moderate temperatures or pressures. For example, even when the temperature of the raw material gas in the separation membrane reactor is less than 200 ° C. (for example, 150 ° C. to 180 ° C.) and the pressure of the raw material gas in the separation membrane reactor is less than 5 MPa (for example, 0.9 MPa to 2 MPa), The conversion reaction proceeds efficiently. That is, in the conversion reaction of the raw material gas to methanol, the methanol conversion rate can be increased beyond the equilibrium conversion rate under a predetermined temperature and pressure.

掃引ガスとしては、窒素および/または空気が、低コストで調達できる点で好ましく、中でも空気が好ましい。掃引ガスの圧力は、例えば10kPa〜500kPaの範囲内であればよく、大気圧でもよい。反応熱を除去する十分な効果を得る観点から、第2空間を流れる掃引ガスの流量は、分離膜反応器に供給する原料ガスの流量と等量以上が好ましく、2〜10倍がより好ましい。   As the sweep gas, nitrogen and / or air are preferable because they can be procured at low cost, and air is particularly preferable. The pressure of the sweep gas may be, for example, in the range of 10 kPa to 500 kPa, and may be atmospheric pressure. From the viewpoint of obtaining a sufficient effect of removing reaction heat, the flow rate of the sweep gas flowing through the second space is preferably equal to or more than the flow rate of the raw material gas supplied to the separation membrane reactor, and more preferably 2 to 10 times.

原料ガスには、水素が添加された製鉄所の副生ガスを用いることができる。製鉄所の副生ガスとしては、高炉ガスまたは転炉ガスが挙げられる。中でも、鉄鉱石を還元し、銑鉄を製造する工程では、多量の高炉ガス(BFG:Blast Furnace Gas)が排出される。BFGは、典型的には、H2:4vol%、N2:52vol%、CO:22vol%、CO2:22vol%の組成を有し、多量の一酸化炭素と二酸化炭素を含んでいる。そのため、BFGを有効利用することが望まれている。 As the raw material gas, a by-product gas of an ironworks to which hydrogen is added can be used. As a by-product gas of the steelworks, blast furnace gas or converter gas can be mentioned. Among them, a large amount of Blast Furnace Gas (BFG) is discharged in the process of reducing iron ore and producing pig iron. BFG typically, H 2: 4vol%, N 2: 52vol%, CO: 22vol%, CO 2: having the composition of 22 vol%, contains a large amount of carbon monoxide and carbon dioxide. Therefore, it is desired to use BFG effectively.

上記式(1)〜(3)に示すように、H2とCO(x=1または2)との反応では、概ねH2:CO=3:1のモル比でメタノール転化反応が進行する。つまり、H2:CO=3:1を満たすようにBFGに水素を添加すれば、丁度、メタノール転化反応に適した原料ガス組成が得られる。ただし、H2とCOとのモル比は特に限定されず、H2/CO比が1〜4の範囲内になるように適宜調整すればよい。 As shown in the above formulas (1) to (3), in the reaction between H 2 and CO x (x = 1 or 2), the methanol conversion reaction proceeds approximately at a molar ratio of H 2 : CO x = 3: 1. To do. That is, if hydrogen is added to BFG so as to satisfy H 2 : CO x = 3: 1, a raw material gas composition suitable for the methanol conversion reaction can be obtained. However, the molar ratio between H 2 and CO x is not particularly limited, and may be appropriately adjusted so that the H 2 / CO x ratio is in the range of 1 to 4.

なお、BFGには多量の窒素が含まれるが、水素を添加することで窒素のモル分率を例えば25%以下まで十分に低下させると、メタノール転化反応が窒素によって大きく阻害されることはない。BFGにH2:CO=3:1を満たすように水素を添加する場合、原料ガス(BFG+H2)の組成(vol%)は、典型的には表1に示すようになる。 Although a large amount of nitrogen is contained in BFG, if the molar fraction of nitrogen is sufficiently reduced to, for example, 25% or less by adding hydrogen, the methanol conversion reaction is not greatly inhibited by nitrogen. When hydrogen is added to BFG so as to satisfy H 2 : CO x = 3: 1, the composition (vol%) of the source gas (BFG + H 2 ) is typically as shown in Table 1.

原料ガスとして、圧力変動吸着法(PSA法)により水素を精製するときに生じるオフガスを用いてもよい。例えば、合成ガスに含まれる水素を分離した後のオフガスには、一酸化炭素と二酸化炭素が含まれている。オフガスに水素を添加し、H2/CO比が1〜4の範囲内になるように適宜調整すれば、メタノール合成の原料ガスとして用いることができる。 As the source gas, an off-gas generated when purifying hydrogen by a pressure fluctuation adsorption method (PSA method) may be used. For example, the off-gas after separating hydrogen contained in the synthesis gas contains carbon monoxide and carbon dioxide. If hydrogen is added to the off gas and the H 2 / CO x ratio is appropriately adjusted within the range of 1 to 4, it can be used as a raw material gas for methanol synthesis.

原料ガスとして、木質バイオマスの利用後に生成する排ガスを用いてもよい。木質バイオマスは、直接燃焼またはガス化炉でガス成分に改質された後に燃焼に供されることで、二酸化炭素を含むガスを生成する。また、前記ガス成分を水蒸気改質し、水性ガスシフト反応を行うことでも二酸化炭素を含むガスを生成する。これらのガスに水素を添加し、H2/CO比が1〜4の範囲内になるように適宜調整すれば、メタノール合成の原料ガスとして用いることができる。なお、木質バイオマスの燃焼で生成する熱エネルギーは、発電設備などで使用される。 As the raw material gas, exhaust gas generated after utilization of woody biomass may be used. Woody biomass generates gas containing carbon dioxide by being directly combusted or reformed into a gas component in a gasification furnace and then subjected to combustion. Further, a gas containing carbon dioxide is also generated by steam reforming the gas component and performing a water gas shift reaction. If hydrogen is added to these gases and the H 2 / CO x ratio is appropriately adjusted within a range of 1 to 4, it can be used as a raw material gas for methanol synthesis. In addition, the thermal energy produced | generated by combustion of woody biomass is used by a power generation facility etc.

以上のように、二酸化炭素を多量に含むガスを原料として利用することの技術的意義は大きい。また、上記式(1)(CO+2H2 ⇔ CH3OH)における反応熱(ΔH0 298)は−90.97kJ/molであり、上記式(2)(CO2+3H2 ⇔ CH3OH+H2O)における反応熱(ΔH0 298)は−49.81kJ/molである。すなわち、原料ガスに含まれる二酸化炭素の濃度が高いほど、反応熱が減少するため、温度制御が容易となる。更に、原料ガスとして、製鉄所の副生ガスをそのまま有効活用することができれば、合成ガスを原料とする場合のように、二酸化炭素を除去するプロセス、水性ガスシフト反応による改質プロセスなど、メタノール合成における高コストなプロセスを省くことができる。 As described above, the technical significance of using a gas containing a large amount of carbon dioxide as a raw material is great. The reaction heat (ΔH 0 298 ) in the above formula (1) (CO + 2H 2 CHCH 3 OH) is −90.97 kJ / mol, and the above formula (2) (CO 2 + 3H 2 HCH 3 OH + H 2 O). The heat of reaction (ΔH 0 298 ) at −49.81 kJ / mol. That is, as the concentration of carbon dioxide contained in the source gas is higher, the heat of reaction is reduced, so that temperature control becomes easier. Furthermore, if the by-product gas of the steel works can be used as it is as raw material gas, methanol synthesis, such as a process for removing carbon dioxide, a reforming process by water gas shift reaction, etc., as in the case of using synthetic gas as a raw material. Can eliminate expensive processes in

以上より、本発明に係るメタノール製造方法は、二酸化炭素の濃度が20vol%以上である副生ガスやオフガスを原料ガスの少なくとも一部として用いる場合に特に有効である。このとき、分離膜反応器に供給される原料ガスの組成は、H2とCOとのモル比(H2/CO比)が1〜4の範囲内になるように水素添加により適宜調整される。原料ガスが二酸化炭素とともに一酸化炭素を含む場合には、一酸化炭素と二酸化炭素とのモル比(CO/CO2比)が0〜1の範囲内が望ましく、0.125〜1の範囲内がより望ましい。 From the above, the methanol production method according to the present invention is particularly effective when a by-product gas or off-gas having a carbon dioxide concentration of 20 vol% or more is used as at least part of the raw material gas. In this case, the composition of the raw material gas supplied to the separation membrane reactor, appropriately adjusted by hydrogenation such that the molar ratio of H 2 and CO x (H 2 / CO x ratio) is within the range of 1-4 Is done. When the source gas contains carbon monoxide together with carbon dioxide, the molar ratio of carbon monoxide to carbon dioxide (CO / CO 2 ratio) is preferably in the range of 0 to 1, and in the range of 0.125 to 1 Is more desirable.

次に、二酸化炭素からメタノールを合成する際に顕在化する特有の課題について説明する。図1は、一酸化炭素からのメタノール合成における平衡転化率を示し、図2は、二酸化炭素からのメタノール合成における平衡転化率を示している。ここでは、水および/またはメタノールが、ガスとして存在する領域を実線、凝縮して液化する領域を点線で示している。図1、2から明らかなように、温度と圧力とが同じ条件では、二酸化炭素からのメタノール合成における平衡転化率が顕著に低くなる。例えば200℃における5MPaでの二酸化炭素からのメタノール合成における平衡転化率は約33%程度であり、同じ条件下での一酸化炭素からのメタノール合成における平衡転化率(約92%)に比べて相当に低くなる。また、二酸化炭素からのメタノール合成では、二酸化炭素と等モルの水蒸気が生成する。これに対し、本発明に係るメタノール製造方法は、除熱および平衡シフト効果による転化率の向上と、メタノールの分離精製とを両立するものであるため、上記特有の課題が顕在化することはない。   Next, a specific problem that becomes apparent when methanol is synthesized from carbon dioxide will be described. FIG. 1 shows the equilibrium conversion in methanol synthesis from carbon monoxide, and FIG. 2 shows the equilibrium conversion in methanol synthesis from carbon dioxide. Here, the region where water and / or methanol exist as gas is shown by a solid line, and the region where condensation and liquefaction are shown by a dotted line. As apparent from FIGS. 1 and 2, under the same conditions of temperature and pressure, the equilibrium conversion rate in the synthesis of methanol from carbon dioxide is significantly reduced. For example, the equilibrium conversion rate in methanol synthesis from carbon dioxide at 200 ° C. at 5 MPa is about 33%, which is comparable to the equilibrium conversion rate (about 92%) in methanol synthesis from carbon monoxide under the same conditions. It becomes low. In addition, in the synthesis of methanol from carbon dioxide, water vapor that is equimolar with carbon dioxide is generated. On the other hand, the methanol production method according to the present invention achieves both the improvement of the conversion rate due to heat removal and the equilibrium shift effect and the separation and purification of methanol. .

次に、本発明に係るメタノール製造装置について説明する。
メタノール製造装置は、二酸化炭素と水素とを含む原料ガスのメタノール転化反応を進行させる分離膜反応器を具備する。分離膜反応器は、原料ガスが導入される非透過側の第1空間と、水蒸気分離膜と、透過側の第2空間と、原料ガスのメタノールへの転化反応を進行させるために第1空間に配置された触媒とを具備する。水蒸気分離膜は、第1空間と第2空間とを隔絶するように配置されている。
Next, the methanol production apparatus according to the present invention will be described.
The methanol production apparatus includes a separation membrane reactor that advances a methanol conversion reaction of a raw material gas containing carbon dioxide and hydrogen. The separation membrane reactor includes a first space for introducing a raw material gas, a water vapor separation membrane, a second space for a permeable side, and a first space for proceeding a conversion reaction of the raw material gas to methanol. And a catalyst disposed on the surface. The water vapor separation membrane is disposed so as to isolate the first space and the second space.

水蒸気分離膜は、1×10−7mol/(s・Pa・m)以上の水蒸気透過速度を有することが好ましく、1×10−6mol/(s・Pa・m)以上の水蒸気透過速度を有することがより好ましい。水蒸気透過速度が大きいほど、第1空間で生成した水蒸気が第2空間に移動しやすく、上記式(2)〜(3)の反応平衡が生成物側へとシフトするため、より穏やかな温度または圧力で高い反応効率を得ることが可能である。一方、1×10−7mol/(s・Pa・m)未満の場合、水蒸気の移動が遅くなる分だけ、メタノール製造の効率が低下し得る。ただし、水蒸気分離速度が大きすぎると、水蒸気分離膜に欠陥が生じている可能性がある。よって、水蒸気分離膜の水蒸気透過速度は、1×10−5mol/(s・Pa・m)以下であることが好ましい。 The water vapor separation membrane preferably has a water vapor transmission rate of 1 × 10 −7 mol / (s · Pa · m 2 ) or higher, and preferably has a water vapor transmission rate of 1 × 10 −6 mol / (s · Pa · m 2 ) or higher. More preferably, it has a speed. As the water vapor transmission rate increases, the water vapor generated in the first space easily moves to the second space, and the reaction equilibrium of the above formulas (2) to (3) shifts to the product side. It is possible to obtain high reaction efficiency with pressure. On the other hand, in the case of less than 1 × 10 −7 mol / (s · Pa · m 2 ), the efficiency of methanol production can be reduced by the amount by which the movement of water vapor is delayed. However, if the water vapor separation rate is too high, defects may occur in the water vapor separation membrane. Therefore, the water vapor transmission rate of the water vapor separation membrane is preferably 1 × 10 −5 mol / (s · Pa · m 2 ) or less.

水蒸気透過速度Qは、既知の方法で求めればよいが、例えば、非特許文献1(Ind.Eng.Chem.Res.,40,163−175(2001))に記載されているような透過セルを用いて測定することができる。任意温度において、任意組成のメタノールと水蒸気との混合ガスを水蒸気分離膜に供給し、透過側を真空ポンプにて減圧すると、混合ガスの一部が分離膜を透過する。続いて、透過ガスをコールドトラップで捕集し、凝縮液の質量とモル組成とを測定すればよい。水蒸気透過速度Qは、次式:Q=A/{(P1−P2)・S・t}から算出される。ここで、Aは水蒸気の透過量(mol)、P1は供給側の水蒸気分圧(Pa)、P2は透過側の水蒸気分圧(Pa)、Sは水蒸気分離膜の見かけの面積(m2)、tは透過量がAであるときの測定時間(秒)を表す。なお、回収した凝縮液のモル組成はガスクロマトグラフあるいはカールフィッシャー水分計を用いることで容易に測定できる。 The water vapor transmission rate Q may be obtained by a known method. For example, a permeation cell as described in Non-Patent Document 1 (Ind. Eng. Chem. Res., 40, 163-175 (2001)) is used. Can be measured. When a mixed gas of methanol and water vapor having an arbitrary composition is supplied to the water vapor separation membrane at an arbitrary temperature and the permeation side is depressurized by a vacuum pump, a part of the mixed gas permeates the separation membrane. Subsequently, the permeated gas is collected by a cold trap, and the mass and molar composition of the condensate may be measured. The water vapor transmission rate Q is calculated from the following formula: Q = A / {(P1-P2) · S · t}. Here, A is the permeation amount of water vapor (mol), P1 is the water vapor partial pressure (Pa) on the supply side, P2 is the water vapor partial pressure (Pa) on the permeation side, and S is the apparent area (m 2 ) of the water vapor separation membrane. , T represents the measurement time (seconds) when the transmission amount is A. The molar composition of the collected condensate can be easily measured by using a gas chromatograph or a Karl Fischer moisture meter.

水蒸気分離膜は、無機膜であることが好ましい。無機膜は100℃を超える温度でも安定であり、耐圧性、耐水蒸気性を高めることも容易である。無機膜としては、ゼオライト膜、シリカ膜、アルミナ膜、これらの複合膜などが挙げられる。中でも、水蒸気透過性に優れる点で、表面のシリコン元素(Si)とアルミニウム元素(Al)とのモル比:Si/Alが50以下(好ましくは10以下、より好ましくは2以下)のゼオライト膜などが好ましい。   The water vapor separation membrane is preferably an inorganic membrane. The inorganic film is stable even at temperatures exceeding 100 ° C., and it is easy to enhance pressure resistance and water vapor resistance. Examples of the inorganic film include a zeolite film, a silica film, an alumina film, and a composite film thereof. Among them, a zeolite film having a molar ratio of silicon element (Si) to aluminum element (Al) on the surface: Si / Al of 50 or less (preferably 10 or less, more preferably 2 or less) in view of excellent water vapor permeability. Is preferred.

ここで、水蒸気分離膜は、230以上の水蒸気/メタノール分離係数を有する無機膜であることが好ましい。水蒸気/メタノール分離係数(以下、αW/M)とは、非透過側における水とメタノールの組成(xW,xM)と、透過側における水とメタノールの組成(yW,yM)により、下記式(4)により定められる係数である。
αW/M=(yW/yM)/(xW/xM) (4)
Here, the water vapor separation membrane is preferably an inorganic membrane having a water vapor / methanol separation factor of 230 or more. The water vapor / methanol separation factor (hereinafter referred to as αW / M) is determined by the following formula (4) according to the composition of water and methanol (xW, xM) on the non-permeate side and the composition of water and methanol (yW, yM) on the permeate side. ).
αW / M = (yW / yM) / (xW / xM) (4)

αW/Mが大きい分離膜ほど、水蒸気を透過しやすく、かつメタノールを透過させにくい性質を有する。例えば、CO:CO=1:8、CO:H2=1:3である原料ガスを、1MPaの圧力下で分離膜反応器に単通させた場合、αW/M=約230以上で非透過側である第1空間から、生成したメタノールの99%を回収できる。αW/Mは、大きいほど望ましく、450以上(メタノール回収率99.5%に相当)がより好ましく、2200以上(メタノール回収率99.9%に相当)が更に好ましい。 A separation membrane having a larger αW / M has the property of being more permeable to water vapor and less permeable to methanol. For example, when a raw material gas having CO: CO 2 = 1: 8 and CO x : H 2 = 1: 3 is passed through a separation membrane reactor under a pressure of 1 MPa, αW / M = about 230 or more. 99% of the produced methanol can be recovered from the first space on the non-permeate side. αW / M is preferably as large as possible, more preferably 450 or more (corresponding to a methanol recovery rate of 99.5%), more preferably 2200 or more (corresponding to a methanol recovery rate of 99.9%).

上記数値は、反応の平衡状態および水蒸気透過の平衡状態における値であり、下記の仮定および計算手順により算出される。   The above numerical values are values in the equilibrium state of the reaction and the equilibrium state of water vapor permeation, and are calculated by the following assumptions and calculation procedure.

(仮定1)
分離膜反応器の非透過側である第1空間において、COxのメタノール化反応および水性ガスシフト反応は平衡状態に到達している。
(Assumption 1)
In the first space on the non-permeating side of the separation membrane reactor, the CO x methanolization reaction and the water gas shift reaction have reached an equilibrium state.

(仮定2)
水蒸気分離膜に対する水蒸気の透過は平衡に達しており、非透過側である第1空間における水蒸気分圧と、透過側である第2空間における水蒸気分圧とが等しい。
(Assumption 2)
The permeation of water vapor to the water vapor separation membrane has reached equilibrium, and the water vapor partial pressure in the first space on the non-permeation side is equal to the water vapor partial pressure in the second space on the permeation side.

(仮定3)
水蒸気に随伴して膜を透過するメタノール量は、分離係数に従って決定される。すなわち、透過側におけるメタノールの組成(yM)は、上記式(4)に従い、
yM=(1/αW/M)×yW/(xW/xM) (5)
から求められる。なお、水とメタノール以外の成分は、水蒸気分離膜を透過しないものとする。
(Assumption 3)
The amount of methanol that permeates the membrane along with the water vapor is determined according to the separation factor. That is, the composition (yM) of methanol on the permeate side follows the above formula (4),
yM = (1 / αW / M) × yW / (xW / xM) (5)
It is requested from. Components other than water and methanol do not permeate the water vapor separation membrane.

(手順1)
公知の方法に従い、膜透過がない場合の反応平衡状態における各物質の組成を決定する。
(Procedure 1)
According to a known method, the composition of each substance in the reaction equilibrium state when there is no membrane permeation is determined.

(手順2)
上記式(2)と(3)の反応進行度ξとξおよび水蒸気の透過量ξを定義し、上記式(4)に基づきメタノール透過量を、ξ〜ξを用いて表すとともに、前記仮定に基づく反応と膜透過の平衡状態における、非透過側の全成分の組成を、初期組成とξ〜ξを用いて表す。
(Procedure 2)
The reaction progress degrees ξ 2 and ξ 3 and the water vapor transmission amount ξ 4 of the above formulas (2) and (3) are defined, and the methanol permeation amount is expressed using ξ 2 to ξ 4 based on the above formula (4). In addition, the composition of all components on the non-permeation side in the equilibrium state between the reaction and the membrane permeation based on the above assumption is expressed using the initial composition and ξ 2 to ξ 4 .

(手順3)
系内のガスが理想気体であると仮定し、手順1で定めた組成が上記式(2)と(3)の圧平衡定数を満たすこと、および水蒸気の分圧差がゼロとなることを示す3個の連立式を立てる。
(Procedure 3)
Assuming that the gas in the system is an ideal gas, 3 indicates that the composition determined in Procedure 1 satisfies the pressure equilibrium constants of the above formulas (2) and (3), and that the partial pressure difference of water vapor is zero. Establish a simultaneous system.

(手順4)
手順3で得られる連立式からξを消去すると、ξとξについてそれぞれ4次と2次の式が得られるため、ニュートン・ラプソン法等の収束計算により解を得る。なお、計算に必要な物性定数である、メタノール、一酸化炭素、二酸化炭素、水素等の標準生成自由エネルギーおよびエンタルピー、ならびに比熱係数は、例えば化学工学便覧の第六版などから入手することができる。
(Procedure 4)
If ξ 4 is eliminated from the simultaneous equations obtained in procedure 3, quartic and quadratic equations are obtained for ξ 2 and ξ 3 respectively, so that a solution is obtained by convergence calculation such as Newton-Raphson method. In addition, physical constants required for calculation, such as standard free energy and enthalpy of formation, such as methanol, carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, and specific heat coefficient, can be obtained from, for example, the sixth edition of the Chemical Engineering Handbook. .

水蒸気分離膜の厚さは、例えば0.5μm〜10μmであることが望ましい。これにより、水蒸気の透過速度が十分に速くなり、水蒸気を効率的に第1空間から第2空間に移動させやすくなる。水蒸気分離膜は、単独では強度が低いため、多孔質基材の表面に担持することが望ましい。   The thickness of the water vapor separation membrane is preferably 0.5 μm to 10 μm, for example. Thereby, the permeation | transmission speed | velocity | rate of water vapor | steam becomes high enough, and it becomes easy to move water vapor | steam from 1st space to 2nd space efficiently. Since the water vapor separation membrane alone has low strength, it is desirable to carry it on the surface of the porous substrate.

多孔質基材の材質は特に限定されないが、シリカ、アルミナ、ジルコニア、コージェライト、チタニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、チタンなどから選択することができる。   The material of the porous substrate is not particularly limited, but can be selected from silica, alumina, zirconia, cordierite, titania, silicon nitride, silicon carbide, stainless steel, copper, aluminum, titanium and the like.

例えばゼオライト膜は、多孔質基材の表面にゼオライトの種結晶を塗布した後、水、シリカ材料、アルミナ材料、有機構造規定剤などを含む水性懸濁液中で水熱合成することにより調製される。   For example, a zeolite membrane is prepared by applying a zeolite seed crystal on the surface of a porous substrate and then hydrothermally synthesizing it in an aqueous suspension containing water, silica material, alumina material, organic structure-directing agent and the like. The

αW/Mが230以上の水蒸気分離膜を形成する場合、緻密な膜を形成するためには、あらかじめ多孔質基材の表面近傍に種結晶を塗布し、二次成長法により製膜することが望ましい。   When forming a water vapor separation membrane having αW / M of 230 or more, in order to form a dense membrane, it is necessary to apply a seed crystal in the vicinity of the surface of the porous substrate in advance and form the membrane by a secondary growth method. desirable.

水蒸気分離膜のサイズ、形状などは、分離膜反応器の構成や方式により適宜設計される。例えば、形状に関しては、円筒状、平板状、ハニカム状などであればよい。   The size, shape, and the like of the water vapor separation membrane are appropriately designed according to the configuration and method of the separation membrane reactor. For example, the shape may be a cylindrical shape, a flat plate shape, a honeycomb shape, or the like.

原料ガスのメタノールへの転化反応を進行させる触媒として、金属触媒としては、銅、パラジウムなどが知られており、酸化物触媒としては、酸化亜鉛、ジルコニア、酸化ガリウムなどが知られている。これらを複合化した触媒として、銅−酸化亜鉛、銅−酸化亜鉛−アルミナ、銅−酸化亜鉛−酸化クロム−アルミナ、あるいはこれらにパラジウムを修飾した触媒などが挙げられる。これらは、水蒸気分離膜の少なくとも非透過側(すなわち第1空間側)に担持されていればよい。   As the catalyst for proceeding the conversion reaction of the raw material gas to methanol, copper, palladium and the like are known as the metal catalyst, and zinc oxide, zirconia, gallium oxide and the like are known as the oxide catalyst. Examples of the catalyst in which these are combined include copper-zinc oxide, copper-zinc oxide-alumina, copper-zinc oxide-chromium oxide-alumina, or a catalyst in which palladium is modified. These may be carried on at least the non-permeation side (that is, the first space side) of the water vapor separation membrane.

上記メタノール製造装置は、更に、第1空間に原料ガスを供給する原料ガス供給部と、第2空間に掃引ガスを供給する掃引ガス供給部と、第1空間から、転化反応により生成したメタノールと未反応ガスとを含む非透過流体を回収する第1回収部と、第2空間から、水蒸気分離膜を透過させた水蒸気を掃引ガスとともに回収し、もしくは外部に流出させる第2回収部と、非透過流体から分離された未反応ガスを第1空間に循環させる循環部とを具備する。   The methanol production apparatus further includes a source gas supply unit that supplies a source gas to the first space, a sweep gas supply unit that supplies a sweep gas to the second space, and methanol generated by a conversion reaction from the first space; A first recovery part for recovering a non-permeating fluid containing unreacted gas; a second recovery part for recovering water vapor that has permeated through the water vapor separation membrane from the second space together with the sweep gas; A circulation unit for circulating the unreacted gas separated from the permeating fluid to the first space.

原料ガス供給部は、原料ガスの流量を制御しながら第1空間に原料ガスを供給できる手段であればよく、第1空間内を大気圧以上に加圧できるコンプレッサー、ポンプなどを具備することが望ましい。原料ガス供給部は、製鉄所の高炉などで生成したBFGを第1空間に移送するためのパイプラインを具備してもよい。   The source gas supply unit may be any means that can supply the source gas to the first space while controlling the flow rate of the source gas, and may include a compressor, a pump, or the like that can pressurize the first space to atmospheric pressure or higher. desirable. The source gas supply unit may include a pipeline for transferring BFG generated in a blast furnace at a steel plant to the first space.

掃引ガス供給部は、掃引ガスの流量を制御しながら第2空間に掃引ガスを供給できる手段であればよい。掃引ガス供給部は、例えば、大気中の空気を第2空間に送り込むコンプレッサー、ポンプ、ファンなどを具備することが望ましい。   The sweep gas supply unit may be any means that can supply the sweep gas to the second space while controlling the flow rate of the sweep gas. The sweep gas supply unit desirably includes, for example, a compressor, a pump, a fan, and the like that send air in the atmosphere to the second space.

第1回収部は、転化反応により生成したメタノールと未反応ガスとを含む非透過流体を少なくとも一時的に貯留できる空間を有する。第1回収部では、非透過流体が冷却され、メタノールが凝縮し、非凝縮性の未反応ガスとメタノールとが分離される。   The first recovery unit has a space that can at least temporarily store a non-permeated fluid containing methanol and unreacted gas generated by the conversion reaction. In the first recovery unit, the non-permeating fluid is cooled, the methanol is condensed, and the non-condensable unreacted gas and methanol are separated.

第2回収部は、水蒸気を同伴した掃引ガスを少なくとも一時的に貯留できる空間を有してもよく、水蒸気と掃引ガスをそのまま、もしくは精製して、大気に開放する機能を有してもよい。また、水蒸気を同伴した掃引ガスを冷却し、水蒸気を凝縮させて、凝縮水と掃引ガスとを分離する機能を有してもよい。大気に放出する前の掃引ガスを精製する際には、活性炭などの吸着材を含むフィルタに掃引ガスを通過させればよい。   The second recovery unit may have a space that can at least temporarily store the sweep gas accompanied by water vapor, and may have a function of opening the water vapor and the sweep gas to the atmosphere as they are or purifying them. . Moreover, it may have a function of cooling the sweep gas accompanied by water vapor, condensing the water vapor, and separating the condensed water and the sweep gas. When purifying the sweep gas before being released into the atmosphere, the sweep gas may be passed through a filter containing an adsorbent such as activated carbon.

未反応ガスを第1空間に循環させる循環部は、未反応ガスをそのまま、もしくは一部をパージしてから直接または間接的に第1空間に移送する機能を有すればよい。循環部は、例えば、第1回収部と第1空間とを繋ぐパイプライン、コンプレッサー、ポンプなどを具備する。未反応ガスは、原料ガス供給部から第1空間に供給される原料ガスに合流させてもよく、ダイレクトに第1空間に供給してもよい。   The circulation unit that circulates the unreacted gas to the first space may have a function of transferring the unreacted gas to the first space directly or indirectly after purging a part of the unreacted gas. The circulation unit includes, for example, a pipeline, a compressor, and a pump that connect the first recovery unit and the first space. The unreacted gas may be merged with the source gas supplied to the first space from the source gas supply unit, or may be supplied directly to the first space.

メタノール製造装置は、更に、第1空間に隣接する冷却媒体流路と、冷却媒体流路に冷却媒体を供給する冷却媒体供給部とを具備してもよい。これにより、分離膜反応器の温度制御をより容易に行うことが可能になる。冷却媒体流路は、ステンレス鋼などの耐食性金属で形成することが望ましい。冷却媒体には、ボイラ水を用いることができる。ボイラ水は、メタノール転化反応の反応熱を吸収することで、気化しながら冷却媒体流路を流通する。   The methanol manufacturing apparatus may further include a cooling medium flow path adjacent to the first space and a cooling medium supply unit that supplies the cooling medium flow path to the cooling medium flow path. Thereby, it becomes possible to control the temperature of the separation membrane reactor more easily. The cooling medium flow path is desirably formed of a corrosion-resistant metal such as stainless steel. Boiler water can be used as the cooling medium. The boiler water circulates through the cooling medium flow path while being vaporized by absorbing the reaction heat of the methanol conversion reaction.

以下、図3Aと図3Bを参照しながら、本発明の実施形態に係るメタノール製造装置の一例について具体的に説明する。
図3Aに示すメタノール製造装置1は、分離膜反応器10と、分離膜反応器10内の第1空間11に通じる原料ガス入口に原料ガス(FG)を導入する原料ガス供給部21と、分離膜反応器10内の第2空間12に通じる掃引ガス入口に掃引ガス(SG)を導入する掃引ガス供給部22と、第1空間11から非透過流体(RG)を回収する第1回収部31と、第2空間12から水蒸気(PG)とともに掃引ガス(SG)を回収する第2回収部32と、第1回収部31に回収された未反応ガス(UG)を第1空間11に移送する循環部40とを具備する。
Hereinafter, an example of the methanol production apparatus according to the embodiment of the present invention will be specifically described with reference to FIGS. 3A and 3B.
The methanol production apparatus 1 shown in FIG. 3A includes a separation membrane reactor 10, a raw material gas supply unit 21 that introduces a raw material gas (FG) into a raw material gas inlet that communicates with the first space 11 in the separation membrane reactor 10, A sweep gas supply unit 22 that introduces a sweep gas (SG) into a sweep gas inlet that leads to the second space 12 in the membrane reactor 10, and a first recovery unit 31 that recovers a non-permeated fluid (RG) from the first space 11. And the second recovery part 32 that recovers the sweep gas (SG) together with the water vapor (PG) from the second space 12 and the unreacted gas (UG) recovered by the first recovery part 31 is transferred to the first space 11. And a circulation unit 40.

分離膜反応器10は、非透過側の第1空間11と、水蒸気分離膜13aと、透過側の第2空間12とを具備する。水蒸気分離膜13aは、第1空間11と第2空間12とを隔てるように配置される。水蒸気分離膜13aは、図3Bに示すように、例えば、外周面である第1表面および内周面である第2表面を有するとともに第1表面と第2表面とを連通させる細孔を有する筒状の多孔質基材13bの第1表面に形成され、多孔質基材13bとともに筒状の膜複合体13を形成している。第1空間11には、メタノール転化反応を進行させる触媒15が充填されており、第1空間11内で原料ガスのメタノール転化反応が進行する。   The separation membrane reactor 10 includes a first space 11 on the non-permeation side, a water vapor separation membrane 13a, and a second space 12 on the permeation side. The water vapor separation membrane 13 a is disposed so as to separate the first space 11 and the second space 12. As shown in FIG. 3B, the water vapor separation membrane 13a has, for example, a cylinder having a first surface that is an outer peripheral surface and a second surface that is an inner peripheral surface, and pores that allow the first surface and the second surface to communicate with each other. The cylindrical membrane composite 13 is formed on the first surface of the porous substrate 13b and the porous substrate 13b. The first space 11 is filled with a catalyst 15 that causes a methanol conversion reaction to proceed, and the methanol conversion reaction of the raw material gas proceeds in the first space 11.

触媒量は、分離膜の形状や分離膜の性能に合わせて適宜設計されるが、過度な触媒反応律速または膜透過律速にならないよう、第1空間11に配置された触媒15の見かけの体積Vaと、水蒸気分離膜13aと多孔質基材13bとの合計の見かけの体積Vbとの比:Va/Vbは、0.43〜25.0であることが好ましい。これにより、効率的にメタノールを製造することができる。なお、触媒の見かけの体積Vaとは、触媒が充填されている空間体積を意味する。触媒が第1空間に満充填される場合、触媒の見かけの体積Vaは、第1空間の体積と同義である。Vbは、水蒸気分離膜および多孔質基材中の空隙を考慮しない見かけの体積である。   The amount of catalyst is appropriately designed according to the shape of the separation membrane and the performance of the separation membrane, but the apparent volume Va of the catalyst 15 arranged in the first space 11 so as not to be excessively limited in terms of catalyst reaction or membrane permeation. The ratio Va / Vb of the total apparent volume Vb of the water vapor separation membrane 13a and the porous substrate 13b is preferably 0.43 to 25.0. Thereby, methanol can be manufactured efficiently. The apparent volume Va of the catalyst means a space volume filled with the catalyst. When the catalyst is fully filled in the first space, the apparent volume Va of the catalyst is synonymous with the volume of the first space. Vb is an apparent volume that does not consider voids in the water vapor separation membrane and the porous substrate.

生成したメタノールは、第1空間11内に滞留し、未反応ガスとともに第1回収部31に非透過流体(RG)として回収される。第1回収部31は、非透過流体(RG)を冷却し、メタノールを凝縮させる熱交換器31aと気液分離タンク31bとを具備し、液状メタノールが気液分離タンク31bから取り出される。未反応ガス(UG)は、ほとんど水を含まず、かつ原料ガスは非凝縮性であるため、非透過流体(RG)から容易にメタノールだけが回収される。よって、蒸留などのエネルギー負荷の大きいプロセスを要することなく、高純度メタノールを得ることができる。   The generated methanol stays in the first space 11 and is recovered as a non-permeated fluid (RG) in the first recovery part 31 together with the unreacted gas. The first recovery unit 31 includes a heat exchanger 31a that cools the non-permeating fluid (RG) and condenses methanol, and a gas-liquid separation tank 31b, and liquid methanol is taken out from the gas-liquid separation tank 31b. Since the unreacted gas (UG) contains almost no water and the raw material gas is non-condensable, only methanol is easily recovered from the non-permeated fluid (RG). Therefore, high-purity methanol can be obtained without requiring a process with a large energy load such as distillation.

一方、メタノールが除去された後に残留する未反応ガス(UG)には、二酸化炭素、水素などが含まれる。未反応ガス(UG)は、必要に応じて一部がパージされた後、循環部40が具備するコンプレッサー40aで昇圧され、パイプライン40Lを通って第1空間11に循環される。   On the other hand, the unreacted gas (UG) remaining after the methanol is removed includes carbon dioxide, hydrogen, and the like. After a part of the unreacted gas (UG) is purged as necessary, the pressure is increased by the compressor 40a included in the circulation unit 40, and the unreacted gas (UG) is circulated to the first space 11 through the pipeline 40L.

副生成物である水蒸気(PG)は、膜複合体13を透過して、膜複合体13で囲まれた中空の第2空間12に移動する。第2空間12に移動した水蒸気(PG)は、掃引ガス(SG)とともに、透過側出口から第2回収部32に回収される。水蒸気(PG)を同伴した掃引ガス(SG)は、例えば、第2回収部32内で、微量の不純物を回収するためのフィルタを通過した後、大気に解放される。   Water vapor (PG) as a by-product passes through the membrane complex 13 and moves to the hollow second space 12 surrounded by the membrane complex 13. The water vapor (PG) that has moved to the second space 12 is recovered by the second recovery part 32 from the permeate side outlet together with the sweep gas (SG). The sweep gas (SG) accompanied by water vapor (PG) is released into the atmosphere after passing through a filter for collecting a small amount of impurities in the second collection unit 32, for example.

非透過側の第1空間11は、ステンレス鋼製の冷却壁14で囲まれており、冷却壁14は第1空間11に隣接する冷却媒体流路14gを形成している。換言すれば、冷却壁14と水蒸気分離膜13aとで規制される空間が第1空間11であり、第1空間11は、冷却媒体流路14gを流通する冷却媒体(例えばボイラ水)との熱交換によって冷却され、反応熱が除去される。冷却媒体は、その流量を制御するポンプ50a、冷却媒体の流通経路となるパイプライン50Lなどを具備する冷却媒体供給部50から供給される。   The first space 11 on the non-transmission side is surrounded by a cooling wall 14 made of stainless steel, and the cooling wall 14 forms a cooling medium flow path 14 g adjacent to the first space 11. In other words, the space regulated by the cooling wall 14 and the water vapor separation membrane 13a is the first space 11, and the first space 11 is heat from the cooling medium (for example, boiler water) flowing through the cooling medium flow path 14g. The reaction is cooled and the heat of reaction is removed. The cooling medium is supplied from a cooling medium supply unit 50 including a pump 50a that controls the flow rate, a pipeline 50L that serves as a flow path for the cooling medium, and the like.

原料ガス供給部21は、原料ガス(FG)を昇圧するコンプレッサー21aと、原料ガス(FG)の流通経路となるパイプライン21Lとを具備する。原料ガス供給部21は、原料ガス(FG)の流量もしくは流速を制御するコントローラを有してもよい。   The source gas supply unit 21 includes a compressor 21a that boosts the source gas (FG), and a pipeline 21L that serves as a distribution path for the source gas (FG). The source gas supply unit 21 may include a controller that controls the flow rate or flow rate of the source gas (FG).

掃引ガス供給部22は、掃引ガス(SG)の流量を制御するポンプ22aと、掃引ガス(SG)の流通経路となるパイプライン22Lとを具備する。掃引ガス供給部22は、掃引ガス(FG)の流量もしくは流速を制御するコントローラを有してもよい。第2空間12における水蒸気の分圧は、掃引ガス(SG)の流量により制御することができる。   The sweep gas supply unit 22 includes a pump 22a that controls the flow rate of the sweep gas (SG) and a pipeline 22L that serves as a flow path for the sweep gas (SG). The sweep gas supply unit 22 may have a controller that controls the flow rate or flow rate of the sweep gas (FG). The partial pressure of water vapor in the second space 12 can be controlled by the flow rate of the sweep gas (SG).

一般的に、メタノール転化率が高まると反応熱が増大するが、反応熱が蓄積され易い第1空間11は、冷却媒体流路14gと冷却媒体により構築された熱交換器で冷却され、同時に、水蒸気分離膜13aを介して、掃引ガス(SG)による冷却も受ける。水蒸気(PG)は、水蒸気分離膜13aの内部で一旦凝縮するが、第2空間12に移動すると、掃引ガス(SG)に同伴して反応系外に排出される。掃引ガス(SG)は、その際の気化熱を輸送するため、掃引ガス(SG)による冷却は単なる気体と気体との熱交換よりも効率が高く、十分な冷却が可能である。また、触媒15が担持もしくは充填されている水蒸気分離膜13aの非透過側(第1空間11)では、水蒸気(PG)の分圧が減少するため、触媒15に含まれる金属成分の水蒸気によるシンタリングが回避され、触媒15の活性の低下を防止する効果も得られる。   Generally, when the methanol conversion rate increases, the reaction heat increases, but the first space 11 in which the reaction heat is easily accumulated is cooled by a heat exchanger constructed by the cooling medium flow path 14g and the cooling medium, and at the same time, It is also cooled by the sweep gas (SG) through the water vapor separation membrane 13a. The water vapor (PG) once condenses inside the water vapor separation membrane 13a, but when it moves to the second space 12, it is accompanied by the sweep gas (SG) and is discharged out of the reaction system. Since the sweep gas (SG) transports the heat of vaporization at that time, the cooling by the sweep gas (SG) is more efficient than the simple heat exchange between the gas and sufficient cooling is possible. Further, since the partial pressure of water vapor (PG) decreases on the non-permeation side (first space 11) of the water vapor separation membrane 13a on which the catalyst 15 is supported or filled, the sintering of the metal component contained in the catalyst 15 due to water vapor. Rings are avoided and the effect of preventing the activity of the catalyst 15 from being lowered is also obtained.

図4は、CO:CO=1:8、COx:H2=1:3である原料ガスのメタノール転化反応におけるメタノール転化率と温度との関係を示す図であり、上記仮定1〜3と手順1〜3により求められる。比較対象として分離膜反応器を用いない場合の平衡転化率(熱力学平衡)も図4に同時に示す。ここでは、図3Aに示すようなメタノール製造装置を用いる場合において、第1空間側の圧力を5MPaに設定し、第2空間の全圧を0.1MPa、透過したガスの分圧を0.01MPaに設定した場合の結果を示す。特許文献5および6で想定されている水およびメタノールを共に透過する膜(αW/M=10)の場合と比べ、水蒸気を選択的に透過する膜(αW/M=230)ではやや転化率が低減するものの、膜を用いない従来のプロセスにおける平衡転化率と比較すると高い転化率が得られる。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the methanol conversion rate and the temperature in the methanol conversion reaction of the raw material gas in which CO: CO 2 = 1: 8 and CO x : H 2 = 1: 3, and the above assumptions 1 to 3 are used. And procedures 1 to 3. FIG. 4 also shows the equilibrium conversion rate (thermodynamic equilibrium) when a separation membrane reactor is not used as a comparison object. Here, in the case of using a methanol production apparatus as shown in FIG. 3A, the pressure on the first space side is set to 5 MPa, the total pressure in the second space is 0.1 MPa, and the partial pressure of the permeated gas is 0.01 MPa. The result when set to. Compared with the case of the membrane (αW / M = 10) that permeates both water and methanol assumed in Patent Documents 5 and 6, the membrane that selectively permeates water vapor (αW / M = 230) has a slight conversion rate. Although reduced, a high conversion is obtained compared to the equilibrium conversion in a conventional process that does not use a membrane.

図5は、CO:CO=1:8、COx:H2=1:3である原料ガスのメタノール転化反応における非透過側(第1空間)からのメタノール回収率と温度との関係を示す図であり、前記仮定1〜3と手順1〜4により求められる。ここでも、図3に示すようなメタノール製造装置を用いる場合において、第1空間側の圧力を5MPaに設定し、第2空間の全圧を0.1MPa、透過したガスの分圧を0.01MPaに設定した場合の結果を示す。αW/M=10の場合は、メタノール回収率が88%以下と非常に低い値を示しており、透過側からも水と共にメタノールを回収し、蒸留精製することが必要となる。一方、αW/M=230の場合には99%以上のメタノールを回収可能であり、蒸留精製が不要なことから、プロセスとしての採算性に優れている。 FIG. 5 shows the relationship between the methanol recovery rate from the non-permeate side (first space) and the temperature in the methanol conversion reaction of the raw material gas with CO: CO 2 = 1: 8 and CO x : H 2 = 1: 3. It is a figure shown and is calculated | required by the said assumptions 1-3 and the procedures 1-4. Again, in the case of using a methanol production apparatus as shown in FIG. 3, the pressure on the first space side is set to 5 MPa, the total pressure in the second space is 0.1 MPa, and the partial pressure of the permeated gas is 0.01 MPa. The result when set to. In the case of αW / M = 10, the methanol recovery rate is as low as 88% or less, and it is necessary to recover methanol together with water from the permeate side and purify it by distillation. On the other hand, in the case of αW / M = 230, 99% or more of methanol can be recovered, and distillation purification is unnecessary, so that the profitability as a process is excellent.

以下、本発明の実施形態に係るメタノール製造装置によるメタノール製造の化学工学シミュレーションによる結果について説明する。膜透過と反応という二種の単位操作を単一装置で実現する分離膜反応器は、市販のプロセスシミュレータでは装置としてパッケージ化されていないため、ユーザーがルーチンを新規に記述する必要がある。本発明者らは、VBAコードを利用してルーチンを独自に作製した。   Hereinafter, the result by the chemical engineering simulation of methanol production by the methanol production apparatus according to the embodiment of the present invention will be described. A separation membrane reactor that realizes two kinds of unit operations of membrane permeation and reaction in a single device is not packaged as a device in a commercially available process simulator, so the user needs to newly describe a routine. The inventors independently created a routine using the VBA code.

具体的には、まず、原料ガスを分離膜反応器の第1空間へ供給し、メタノールと副生物の水とを生成させる。このとき、主として水蒸気が水蒸気分離膜を透過するため、触媒が充填された第1空間側の生成物量が減少し、平衡シフト効果が発現する。第1空間に残留したメタノールと未反応ガスとを含む非透過流体は、40℃での気液平衡を仮定した凝縮器(第1回収部)に回収され、凝縮性成分であるメタノールと微量の水分とが液体として回収される。凝縮されずに非透過流体から分離された未反応ガスは、原料ガスと合流され、再び第1空間に送られる。ただし、未反応ガスを循環させると、反応に関与しないガス(窒素など)が循環し、未反応ガスが積算されるにつれて濃縮され、反応効率が低下する。そこで、未反応ガスの一部を所定のパージ率で除去した後、原料ガスと合流させる。   Specifically, first, the raw material gas is supplied to the first space of the separation membrane reactor to produce methanol and by-product water. At this time, since water vapor mainly passes through the water vapor separation membrane, the amount of product on the first space side filled with the catalyst is reduced, and an equilibrium shift effect is exhibited. The non-permeating fluid containing methanol and unreacted gas remaining in the first space is recovered in a condenser (first recovery unit) assuming vapor-liquid equilibrium at 40 ° C., and methanol and a trace amount of condensable components are collected. Moisture is recovered as a liquid. The unreacted gas separated from the non-permeating fluid without being condensed is merged with the raw material gas and sent to the first space again. However, when the unreacted gas is circulated, a gas (such as nitrogen) that does not participate in the reaction circulates and is concentrated as the unreacted gas is integrated, and the reaction efficiency decreases. Therefore, a part of the unreacted gas is removed at a predetermined purge rate, and then merged with the raw material gas.

未反応ガスのパージ率は、原料であるCO2を有効利用する観点から、0.1〜10%に設定することが好ましく、1〜6%に設定することがより好ましい。なお、パージ率とは、未反応ガス全体に対する、除去されるガスの体積割合である。 Purge of the unreacted gas, from the viewpoint of effective use of CO 2 as a raw material, it is preferable to set 0.1 to 10%, and more preferably set to 1-6%. The purge rate is the volume ratio of the gas to be removed with respect to the entire unreacted gas.

また、(膜反応器へ循環される未反応ガスの流量)/(新規に膜反応器へ供給される原料の流量)で表されるリサイクル比は、10以下であることが好ましく、5以下であることがより好ましい。   The recycle ratio represented by (flow rate of unreacted gas circulated to the membrane reactor) / (flow rate of raw material newly supplied to the membrane reactor) is preferably 10 or less, preferably 5 or less. More preferably.

通常、原料ガスのメタノール転化反応のシミュレーションでは、押し出し流れを仮定したチューブ状反応器が想定され、想定された反応器はガスの流れ方向に沿って複数の微小セルに分割され、各セルへのガスの流入および流出と、反応に由来するガスの組成変化と、温度変化とが計算される。微小セルでの変化をガスの流れ方向に沿って積分することで反応器全体におけるメタノール生成量、生成するメタノール純度などを求めることができる。   Usually, in the simulation of the methanol conversion reaction of the raw material gas, a tubular reactor assuming an extruding flow is assumed, and the assumed reactor is divided into a plurality of micro cells along the gas flow direction. Gas inflow and outflow, gas composition change resulting from the reaction, and temperature change are calculated. By integrating the change in the minute cell along the gas flow direction, the amount of methanol produced in the entire reactor, the purity of methanol produced, and the like can be obtained.

分離膜反応器では、メタノール転化反応に加え、水蒸気分離膜を介したガス透過と、それに由来する熱輸送とを考慮する必要がある。そこで、触媒が充填される非透過側の第1空間と透過側の第2空間のそれぞれを微小セルに分割し、反応と膜透過の両方を考慮した物質収支と熱収支とを計算した。   In the separation membrane reactor, in addition to the methanol conversion reaction, it is necessary to consider gas permeation through the water vapor separation membrane and heat transport derived therefrom. Therefore, each of the first space on the non-permeate side and the second space on the permeate side filled with the catalyst was divided into minute cells, and the mass balance and heat balance were calculated in consideration of both reaction and membrane permeation.

COのメタノール転化反応のモデルとして、Graaf et al.Chemical Engineering Science Vol.43,pp.3185−3195(1988)に記載の反応速度式を利用した。ガスの状態はSoave−Redlich−Kwongの状態方程式を用いて表現した。水蒸気分離膜を透過するガスは、ジュール・トムソン膨張すると仮定し、物質収支より求められる各ガスの差圧ΔP[Pa]と予め与えたガス透過速度Q[mol/(s・Pa・m)]から、透過フラックスF[mol/(s・m)]を、F=QΔPのように求めた。 As a model for the CO x methanol conversion reaction, Graaf et al. Chemical Engineering Science Vol. 43, pp. The reaction rate equation described in 3185-3195 (1988) was used. The gas state was expressed using the Soave-Redrich-Kwon equation of state. Assuming that the gas that permeates the water vapor separation membrane is Joule-Thomson expansion, the differential pressure ΔP [Pa] of each gas obtained from the mass balance and the gas permeation rate Q [mol / (s · Pa · m 2 ) given in advance. ], The permeation flux F [mol / (s · m 2 )] was determined as F = QΔP.

熱輸送については、触媒を充填した第1空間の外壁から冷却媒体により除熱される効果と、水蒸気分離膜および多孔質基材自身を通じた熱伝導と、透過するガス自身の熱輸送とを考慮した。冷却媒体は沸騰伝熱で除熱を行うこととし、必要な熱輸送係数は既知の推算式(化学工学便覧第六版(化学工学会編著)に記載)を用いて求めた。   Regarding heat transport, the effect of heat removal by the cooling medium from the outer wall of the first space filled with the catalyst, heat conduction through the water vapor separation membrane and the porous substrate itself, and heat transport of the permeating gas itself were taken into consideration. . The cooling medium was subjected to heat removal by boiling heat transfer, and the necessary heat transport coefficient was obtained using a known estimation formula (described in Chemical Engineering Handbook 6th Edition (edited by the Chemical Engineering Society)).

シミュレーションでは、一本のチューブ状反応器を具備する膜反応器についてメタノール生成量等が解かれるが、分離膜反応器が多数本のチューブを具備する場合のメタノール生成量は、得られた解に、単にチューブの本数を掛ければ求めることができる。   In the simulation, the amount of methanol produced, etc. is solved for a membrane reactor equipped with a single tubular reactor, but the amount of methanol produced when the separation membrane reactor comprises a number of tubes is the same as the solution obtained. It can be obtained by simply multiplying the number of tubes.

分離膜反応器では、チューブ状反応器の長さを78cmに固定し、第1空間を画定する外壁の内径は22mmとし、水蒸気分離膜の外径は可変とした。ただし、それぞれの肉厚は2mmとした。原料ガスは量論比のCO2とH2(CO2:H2=1:3(モル比))とした。反応温度は、単通転化率が極大値を取る温度になるように5℃精度で最適化した。 In the separation membrane reactor, the length of the tubular reactor was fixed at 78 cm, the inner diameter of the outer wall defining the first space was 22 mm, and the outer diameter of the water vapor separation membrane was variable. However, each thickness was 2 mm. The source gas was a stoichiometric ratio of CO 2 and H 2 (CO 2 : H 2 = 1: 3 (molar ratio)). The reaction temperature was optimized with an accuracy of 5 ° C. so that the single conversion rate would be a maximum value.

未反応ガスのパージ率は、原料であるCO2を有効利用するために、炭素原子基準におけるプロセスの総括収率が、95.00%(±0.3%)となるよう調整した。計算収束条件は、物質収支誤差0.01%以下とした。リサイクル比:(膜反応器へ循環される未反応ガスの流量)/(新規に膜反応器へ供給される原料の流量)は、表3に示すように制御した。 The purge rate of the unreacted gas was adjusted so that the overall yield of the process on a carbon atom basis was 95.00% (± 0.3%) in order to effectively use CO 2 as a raw material. The calculation convergence condition was a material balance error of 0.01% or less. Recycle ratio: (flow rate of unreacted gas circulated to the membrane reactor) / (flow rate of raw material newly supplied to the membrane reactor) was controlled as shown in Table 3.

生成したメタノールのうち、透過側もしくはパージ側へと流出せずに非透過側の第1空間から回収された量をメタノール(MeOH)回収率と定義し、非透過側から凝縮器(第1回収部)を用いて回収されたメタノール水溶液におけるメタノール量/(メタノール量+水分量)をメタノール濃度(モル濃度)と定義し、これらを計算した。また、第1空間に充填された触媒の見かけ体積と、分離層(多孔質基材と水蒸気分離膜とを含む膜複合体13に相当)の体積との比を、触媒/膜占有体積比と定義し、これを計算した。   Of the generated methanol, the amount recovered from the first space on the non-permeate side without flowing out to the permeate side or purge side is defined as the methanol (MeOH) recovery rate, and the condenser (first recovery) from the non-permeate side Part) was defined as methanol concentration / (methanol amount + water content) as methanol concentration (molar concentration), and these were calculated. Further, the ratio of the apparent volume of the catalyst filled in the first space and the volume of the separation layer (corresponding to the membrane composite 13 including the porous substrate and the water vapor separation membrane) is defined as the catalyst / membrane occupation volume ratio. Defined and calculated.

6ケースのシミュレーションを実施した。各ケースの計算条件を表2に示し、結果を表3に示す。4.5MPa以下という極めて低い圧力においてメタノール回収率は99%以上を達成し、このときのメタノール濃度は98%以上であった。水分含有量は燃料用アルコールと同程度であり、蒸留などの精製を行わずに販売可能な濃度である。   Six cases of simulation were performed. The calculation conditions for each case are shown in Table 2, and the results are shown in Table 3. At an extremely low pressure of 4.5 MPa or less, the methanol recovery rate reached 99% or more, and the methanol concentration at this time was 98% or more. The water content is comparable to that of fuel alcohol, and is a concentration that can be sold without purification such as distillation.

比較例として、水蒸気分離膜を用いない管型反応器において、圧力2.5〜4.5MPa、メイクアップSVを400hr−1としたときのシミュレーション結果(ケース7〜9)を表4に示す。なお、メイクアップSVとは、原料供給量を空間速度(hr−1)に換算した物理量を意味する。実施例のケース1〜6と比べると、平衡シフト効果が得られないため、単通転化率が大きく低下し、リサイクル比が増大している。得られた凝縮液は、水とメタノールがほぼ等モルの水溶液であり、蒸留などの精製工程が必須である。 As a comparative example, Table 4 shows simulation results (cases 7 to 9) when the pressure is 2.5 to 4.5 MPa and the makeup SV is 400 hr −1 in a tubular reactor not using a water vapor separation membrane. Makeup SV means a physical quantity obtained by converting the amount of raw material supplied into space velocity (hr −1 ). Compared with cases 1 to 6 of the example, since the equilibrium shift effect cannot be obtained, the single conversion rate is greatly reduced and the recycle ratio is increased. The obtained condensate is an aqueous solution in which water and methanol are approximately equimolar, and a purification step such as distillation is essential.

構築したシミュレータの計算精度および整合性を検証するために、実測の転化率とシミュレーションの転化率とを比較した。以下の検討では、固定床型のメタノール合成反応器を作製し、COとHを原料とするメタノール合成反応実験を実施した。 In order to verify the calculation accuracy and consistency of the built simulator, the measured conversion rate was compared with the simulation conversion rate. In the following examination, a fixed bed type methanol synthesis reactor was prepared, and a methanol synthesis reaction experiment using CO 2 and H 2 as raw materials was performed.

直径12mm、長さ150mmのガラスチューブを内管として格納可能なステンレス鋼製の円筒状二重管式リアクタを作製した。第1空間を画定する外壁の内径に相当するリアクタの内径はφ41.2mm、外径φは48.6mmとした。内管のガラスチューブの両端を、グラファイトパッキンを用いて固定するとともに封止し、ガラスチューブの中央部50mmの外側(二重管の隙間)に、図3Bのように、Zn−Cu触媒(日揮触媒化成株式会社製)を充填した。Zn−Cu触媒は、篩で粒子径1〜2mmに分級されたものであり、分級後のZn−Cu触媒の充填密度は1300kg/mであった。 A cylindrical double tube reactor made of stainless steel capable of storing a glass tube having a diameter of 12 mm and a length of 150 mm as an inner tube was prepared. The inner diameter of the reactor corresponding to the inner diameter of the outer wall defining the first space was 41.2 mm, and the outer diameter φ was 48.6 mm. Both ends of the glass tube of the inner tube are fixed and sealed using graphite packing, and a Zn—Cu catalyst (JGC) is formed outside the central portion 50 mm (gap between the double tubes) of the glass tube as shown in FIG. 3B. (Made by Catalytic Chemical Co., Ltd.). The Zn—Cu catalyst was classified to a particle diameter of 1 to 2 mm with a sieve, and the packing density of the Zn—Cu catalyst after classification was 1300 kg / m 3 .

リアクタ温度を180℃に設定し、CO:H=25:75(mol/mol)の混合ガスをリアクタ内の触媒充填層に供給した。SV(空間速度)=40、80、240hr−1となるように、供給されるガス流量を調整し、随時の条件下での転化率を算出した。なお、リアクタの入口および出口のガス流量を石鹸膜流量計で測定し、ガス組成をガスクロマトグラフにて測定し、入口と出口におけるCOモル流量の変化から実測の転化率を算出した。一方、構築したシミュレータに所定の実験条件をそれぞれ入力し、シミュレーションの転化率を算出した。3ケースの結果を表5に示す。 The reactor temperature was set to 180 ° C., and a mixed gas of CO 2 : H 2 = 25: 75 (mol / mol) was supplied to the catalyst packed bed in the reactor. The supplied gas flow rate was adjusted so that SV (space velocity) = 40, 80, 240 hr −1, and the conversion rate under any conditions was calculated. The gas flow rate at the inlet and outlet of the reactor was measured with a soap film flow meter, the gas composition was measured with a gas chromatograph, and the actual conversion was calculated from the change in the CO 2 molar flow rate at the inlet and outlet. On the other hand, predetermined experimental conditions were input to the constructed simulator, and the conversion rate of the simulation was calculated. Table 5 shows the results of the three cases.

供給圧力0.9MPa、反応温度180℃、SV=40hr−1の実験条件では、実測の転化率は11.8%、シミュレーションの転化率は10.5%であり、シミュレーションの転化率は、実測の転化率と非常に近い結果であった。混合ガスの供給流量を増加させてSV=80hr−1に設定したときの実測の転化率は10.5%であり、シミュレーションの転化率は9.1%であった。SV=240hr−1に設定したときの実測の転化率は6.5%であり、シミュレーションの転化率は5.7%であった。異なるSV条件においても良好な一致を示したことから、構築したシミュレータを用いて実測結果を十分に予測できることがわかった。 Under the experimental conditions of a supply pressure of 0.9 MPa, a reaction temperature of 180 ° C., and SV = 40 hr −1 , the actual conversion is 11.8%, the simulation conversion is 10.5%, and the simulation conversion is The result was very close to the conversion rate. The actual conversion rate when the supply flow rate of the mixed gas was increased to SV = 80 hr −1 was 10.5%, and the simulation conversion rate was 9.1%. The actual conversion rate when SV = 240 hr −1 was set was 6.5%, and the simulation conversion rate was 5.7%. Since good agreement was shown even under different SV conditions, it was found that the actual measurement result could be sufficiently predicted using the built simulator.

本発明に係るメタノール製造方法およびメタノール製造装置は、原料ガスとして二酸化炭素を多量に含む製鉄所の副生ガスや水素PSAのオフガスを有効利用する場合に特に好適である。   The methanol production method and the methanol production apparatus according to the present invention are particularly suitable when effectively using a by-product gas of an ironworks containing a large amount of carbon dioxide as a raw material gas or an off-gas of hydrogen PSA.

1:メタノール製造装置、10:分離膜反応器、11:第1空間、12:第2空間、13:膜複合体、13a:水蒸気分離膜、13b:多孔質基材、15:触媒、14:冷却壁、14g:冷却媒体流路、21:原料ガス供給部、21a:コンプレッサー、21L:パイプライン、22:掃引ガス供給部、22a:ポンプ、22L:パイプライン、31:第1回収部、31a:熱交換器、31b:気液分離タンク、32:第2回収部、40:循環部、40a:コンプレッサー、40L:パイプライン、50:冷却媒体供給部、50a:ポンプ、50L:パイプライン

1: methanol production apparatus, 10: separation membrane reactor, 11: first space, 12: second space, 13: membrane complex, 13a: water vapor separation membrane, 13b: porous substrate, 15: catalyst, 14: Cooling wall, 14g: cooling medium flow path, 21: raw material gas supply unit, 21a: compressor, 21L: pipeline, 22: sweep gas supply unit, 22a: pump, 22L: pipeline, 31: first recovery unit, 31a : Heat exchanger, 31b: gas-liquid separation tank, 32: second recovery unit, 40: circulation unit, 40a: compressor, 40L: pipeline, 50: cooling medium supply unit, 50a: pump, 50L: pipeline

Claims (10)

二酸化炭素と水素とを含む原料ガスを、非透過側の第1空間と、水蒸気分離膜と、透過側の第2空間と、前記第1空間に配置された触媒と、を具備する分離膜反応器の前記第1空間に供給し、前記触媒の作用により前記原料ガスのメタノールへの転化反応を進行させる工程と、
前記第2空間に掃引ガスを流通させることにより、前記転化反応に伴って発生する反応熱を除去するとともに、前記水蒸気分離膜を透過させた前記転化反応の副生成物である水蒸気を前記第2空間から流出させる工程と、
前記転化反応により生成したメタノールと未反応ガスとを含む非透過流体を冷却し、メタノールを凝縮させて、メタノールと前記未反応ガスとを分離する工程と、
前記未反応ガスを前記第1空間に循環させる工程と、を具備する、メタノール製造方法。
A separation membrane reaction comprising a raw material gas containing carbon dioxide and hydrogen, a non-permeate side first space, a water vapor separation membrane, a permeate side second space, and a catalyst arranged in the first space. Supplying to the first space of the vessel, and causing the conversion reaction of the raw material gas to methanol by the action of the catalyst;
By allowing sweep gas to flow through the second space, reaction heat generated by the conversion reaction is removed, and water vapor that is a byproduct of the conversion reaction that has permeated the water vapor separation membrane is added to the second space. A process of flowing out of the space;
Cooling a non-permeate fluid containing methanol and unreacted gas generated by the conversion reaction, condensing methanol, and separating methanol and the unreacted gas;
Circulating the unreacted gas to the first space.
前記掃引ガスが、窒素および/または空気である、請求項1に記載のメタノール製造方法。   The method for producing methanol according to claim 1, wherein the sweep gas is nitrogen and / or air. 前記水蒸気分離膜が、230以上の水蒸気/メタノール分離係数を有する無機膜である、請求項1または2に記載のメタノール製造方法。   The methanol production method according to claim 1 or 2, wherein the water vapor separation membrane is an inorganic membrane having a water vapor / methanol separation factor of 230 or more. 前記水蒸気分離膜が、1×10−7mol/(s・Pa・m)以上の水蒸気透過速度を有する無機膜である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のメタノール製造方法。 4. The method for producing methanol according to claim 1, wherein the water vapor separation membrane is an inorganic membrane having a water vapor transmission rate of 1 × 10 −7 mol / (s · Pa · m 2 ) or more. 前記原料ガスが、水素が添加された、製鉄所の副生ガスを含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載のメタノール製造方法。   The methanol production method according to any one of claims 1 to 4, wherein the raw material gas contains a by-product gas of an ironworks to which hydrogen is added. 前記製鉄所の副生ガスが、高炉ガスまたは転炉ガスである、請求項5に記載のメタノール製造方法。   The methanol production method according to claim 5, wherein the by-product gas of the ironworks is a blast furnace gas or a converter gas. 前記原料ガスが、圧力変動吸着法(PSA法)により水素を精製するときに生じるオフガスを含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載のメタノール製造方法。   The method for producing methanol according to any one of claims 1 to 6, wherein the source gas contains an off-gas generated when purifying hydrogen by a pressure fluctuation adsorption method (PSA method). 二酸化炭素と水素とを含む原料ガスが導入される非透過側の第1空間と、水蒸気分離膜と、透過側の第2空間と、前記第1空間に配置された触媒と、を具備し、前記触媒の作用により前記原料ガスのメタノールへの転化反応を進行させる分離膜反応器と、
前記第1空間に前記原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記第2空間に掃引ガスを供給する掃引ガス供給部と、
前記第1空間から、前記転化反応により生成したメタノールと未反応ガスとを含む非透過流体を回収し、メタノールを凝縮させる第1回収部と、
前記第2空間から、前記水蒸気分離膜を透過させた前記転化反応の副生成物である水蒸気を前記掃引ガスとともに流出させる第2回収部と、
前記非透過流体から分離された未反応ガスを前記第1空間に循環させる循環部と、を具備する、メタノール製造装置。
A non-permeate-side first space into which a raw material gas containing carbon dioxide and hydrogen is introduced, a water vapor separation membrane, a permeate-side second space, and a catalyst disposed in the first space, A separation membrane reactor that proceeds the conversion reaction of the raw material gas into methanol by the action of the catalyst;
A source gas supply unit for supplying the source gas to the first space;
A sweep gas supply unit for supplying a sweep gas to the second space;
A first recovery unit for recovering a non-permeating fluid containing methanol and unreacted gas generated by the conversion reaction from the first space, and condensing the methanol;
A second recovery unit for causing water vapor, which is a by-product of the conversion reaction permeated through the water vapor separation membrane, to flow out from the second space together with the sweep gas;
And a circulation unit that circulates the unreacted gas separated from the non-permeating fluid to the first space.
更に、前記第1空間に隣接する冷却媒体流路と、前記冷却媒体流路に冷却媒体を供給する冷却媒体供給部と、を具備する、請求項8に記載のメタノール製造装置。   The methanol production apparatus according to claim 8, further comprising: a cooling medium flow path adjacent to the first space; and a cooling medium supply unit that supplies the cooling medium flow path to the cooling medium flow path. 前記水蒸気分離膜が、多孔質基材の表面に担持されており、
前記触媒の見かけの体積Vaと、前記水蒸気分離膜と前記多孔質基材との合計の見かけの体積Vbとの比:Va/Vbが、0.43〜25.0である、請求項8または9に記載のメタノール製造装置。
The water vapor separation membrane is supported on the surface of a porous substrate;
The ratio of the apparent volume Va of the catalyst to the total apparent volume Vb of the water vapor separation membrane and the porous substrate: Va / Vb is 0.43 to 25.0, or The methanol production apparatus according to 9.
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