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JP4708017B2 - 合成ガスを分別・精製するためのプラントユニットおよび方法 - Google Patents

合成ガスを分別・精製するためのプラントユニットおよび方法 Download PDF

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Description

本発明は、二つの処理工程を１つだけのプラントユニットで（in einer einzigen Anlageneinheit）行うことを可能にする、合成ガスを分別・精製するためのプラントユニットおよび方法を開示する。特に、合成ガスの分縮工程および液体窒素を用いた合成ガスの洗浄工程とを１つだけのプラントユニットにおいて行うことにより、別のさらなる化学合成を行う際にそのまま使用できる複数の精製ガス類または混合ガス類を生じさせることが可能なプラントユニットおよび方法に関する。
合成ガスの分別および精製に関しては、製造プラントを使用して行う方法が知られており、その場合、天然ガスの部分酸化によって得られる合成ガスのほんの一部しか分画はできない。そうした公知の方法では、一つのプラントユニットで一酸化炭素を冷凍技術によって分離するが、このようなユニットはガス分縮装置として知られている（参考文献１を参照）。冷凍技術による方法はまた、アンモニアの合成に必要な合成ガスを得るときにも用いられるが、その場合は「窒素洗浄プラントユニット」として知られるプラントユニットを使用する（参考文献１を参照）。これらのプラントユニットは互いに全く異なる構成を有する。上記２種類の冷凍技術による方法の間で唯一の共通点といえば、ガス流を冷却したり再加熱したりするための多岐路プレート型熱交換器を用いることである。いずれの冷凍技術による方法においても冷却装置の使用は必須であるが、それは一般的な分縮装置においては一酸化炭素または水素の膨張を利用して実現することが可能である。一方、窒素洗浄装置には液体窒素が必要である。
本発明では、一つの方法において精製の２つの工程を組み合わせている。その際粗製合成ガスを極低温まで冷却することで合成ガスから一酸化炭素を分離することが可能である。合成ガス中に残った水素は窒素洗浄塔で精製した後、必要に応じてさらに窒素を添加すればアンモニア合成に用いることもできる。
本発明のプラントユニットが先行技術と比べて優れている点は主に以下のとおりである。
ａ）プレート型熱交換器によって熱交換効率が格段に向上した；
ｂ）一酸化炭素を精製するためのエキスパンダー型特殊冷却システムを必要としないため、システム全体の操作の安全性が向上した；
ｃ）もし一酸化炭素またはアンモニア合成ガスの需要が減少した場合でも、他の合成ガスの精製を継続することにより本発明のシステムユニットを安定使用状態に保つことができ、またそれら両方の合成ガスをフルスピードで生産可能な状態に立て直すことも迅速にできるので、ガス供給に関する信頼性が向上した；
ｄ）本発明のプラントユニットの組み立てや構築は、二つの極低温システムを別々に構築する場合と比べて経済的負担が非常に少なくてすむ。
従って、本発明の目的は、合成ガス分縮装置と、該分縮装置に隣接した、窒素による洗浄装置を包含することを特徴とする、合成ガスを分別・精製するためのプラントユニットを提供することにある。
発明の詳細な説明
本発明のプラントユニットの概略を図１に示す。図中に線で示した物質流の組成については表１に示す。
Figure 0004708017
本発明のプラントユニットは、相互に連結した下記手段を包含してなることを特徴とするプラントユニットである。
該プラントユニットに供給される合成ガスを冷却するための熱交換器Ａ；
該合成ガス２を、水素と一酸化炭素を主体とするガス画分４と、一酸化炭素とメタンを主体とする液体画分５とに分別するための分離器であって、該熱交換器Ａに連結した分離器Ｂ；
該分離器Ｂから供給された該ガス画分４をさらに分別し、大部分が水素からなるガス画分６および大部分が一酸化炭素からなる液体７とするための分離器Ｃ；
該液体７に吸収されている水素を蒸発させて、一酸化炭素を主体とする残留液８を得、得られた残留液８を蒸留塔Ｆに供給するための蒸発器Ｄ；
該分離器Ｂで得られた該液体画分５に吸収されている残留水素を蒸発除去して、一酸化炭素とメタンを主体とする液体９を得、得られた液体９を該蒸留塔Ｆに供給することのできる蒸発器Ｅ；
一酸化炭素ガスを分離し、塔底液としてメタンを得るための蒸留塔Ｆ；および
該分離器Ｃから供給された、水素を主体とする該ガス画分６から不純物を除去して精製を行うための洗浄塔であって、該精製を液体窒素を用いて行い、該不純物を可燃ガス１２として利用するために回収する洗浄塔Ｇ。
熱交換器Ａは多岐路プレート型熱交換器であることが好ましく、交換プレートがアルミニウムから構成されていることが好ましい。熱交換器Ａはガスおよび液体用の複数の供給ラインを受け入れること、及び該ガスおよび液体を所定温度まで冷却または加熱することが可能である。
熱交換器Ａから本発明のプラントユニットに供給される合成ガス２は分離器Ｂによって水素を豊富に含んだガス画分４と一酸化炭素とメタンを豊富に含んだ液体画分５とに分別される。このとき、分別は圧力約７８バール（ｂａｒ）、温度−１７１±１０℃の条件で行う。ガス画分４は熱交換器Ａにおいてさらに冷却後、分離器Ｃに送られる。一方、液体画分５は圧力約６バールまで減圧後、蒸発器Ｅに送られる。
減圧蒸発器Ｃは、分離器Ｂから供給された水素を豊富に含んだガス４を、大部分が水素からなるガス６および大部分が一酸化炭素からなる液体７とに分別する。このとき、分別は圧力約７８バール、温度−１９５±１０℃の条件で行う。ガス６は、一酸化炭素を不純物として含んだまま洗浄塔Ｇの塔底部に送られる。液体７は、さらに精製を行うための液体流と、まだ水素を含んだままの過剰の一酸化炭素を含んだ液体流の二つの流れに分けられる。これは一酸化炭素と水素から合成されるメタノールなどの製品を作るための合成ガスとして利用することもできる。
さらに精製を行うための液体流であるところの、大部分が一酸化炭素からなる液体７は、圧力約６バールまで減圧後、フラッシュエバポレータ（減圧蒸発器）Ｄに送られる。
レセプタクルＤでは、一酸化炭素中に吸収されている水素のフラッシュ蒸発を行う。蒸発した水素は、排出されて熱交換器Ａを通過してから、可燃ガス１５として有効利用できる。このとき、フラッシュ蒸発は、圧力約６バール、温度−１９５±１０℃の条件で行う。この工程によって生じる液８は蒸留塔Ｆに送られる。
分離器Ｂで得られる液体５は、フラッシュエバポレータＥに送って一酸化炭素液体中に吸収されている水素を蒸発させ、熱交換器Ａを経由して排出し、可燃ガスとして有効利用する。このとき、フラッシュ蒸発は圧力約６バール、温度−１７１±１０℃の条件で行う。レセプタクルＥで得られる液体９は蒸留塔Ｆに送られる。
蒸留塔Ｆは純度９８容量％を超える高純度の一酸化炭素を生成させるのに役立つ。上記蒸留塔は、約５バールに加圧し、塔頂温度約−１７５℃、塔底温度約−１５５℃に調整する。この蒸留塔に、フラッシュエバポレータＥから供給される一酸化炭素とメタンの混合物（９）、およびフラッシュエバポレータＤから供給される一酸化炭素を主体とする液体を導入する。この蒸留塔Ｆにおける蒸留は、任意の組成を有する合成ガスが通過するようになっている熱交換器、あるいは上記蒸留塔の塔底部にあってそこに蓄積する液体を受けるように構成されている排出部を使って加熱することで行われ、上記の液体は排出されて熱交換器Ａを通過してから、上記蒸留塔Ｆにリサイクルされる（図示せず）。蒸留塔の塔頂部に集まるガスはほぼ完全に純粋の一酸化炭素であり、これは熱交換器Ａにリサイクルされる。このガスは、高純度の一酸化炭素を必要とする様々な合成に利用することができる。
蒸留塔Ｆの塔底部に沈積する液体はほぼ純粋な液体メタンであり、約１．３バールまで減圧し、熱交換器Ａを通過させてから、可燃ガスとして利用することができる。
洗浄塔Ｇは、液体窒素を用いて水素を精製すると同時に水素と窒素の混合物を生成させるのに役立つ。上記洗浄塔は、塔内圧力約７７バール、温度−１８５±１０℃とする。フラッシュエバポレータＣから供給されるほぼ純粋な水素ガスを導管６経由で上記洗浄塔の塔底部に導入する。上記洗浄塔に液体窒素を導入すると、洗浄塔Ｇ内で水素と窒素の混合物が生成する。この混合物の一酸化炭素とアルゴンの残留濃度はそれぞれ５ｐｐｍ未満と１５０ｐｐｍである。上記洗浄塔の上部から抜き出される混合ガスにおけるＨ2のＮ2に対するモル比を、窒素ガスを添加することにより約３：１、通常は２．９９５に調整し、熱交換器Ａ経由でアンモニア合成原料用合成ガスとして供することができる。洗浄塔Ｇの塔底部では、液体一酸化炭素、アルゴンおよび窒素の混合物が生成するので、１．３バールに減圧後、熱交換器Ａ経由で可燃ガスとして利用することができる。
上記洗浄塔で用いる液体窒素は純度９９．９９５％であり、まず熱交換器Ａで液化し、その後で洗浄塔Ｇに送られる。このとき、この窒素は圧力の異なる複数の窒素流にして上記洗浄塔中に供給させてもよい。複数の窒素流からなる混合窒素は、ポンプを用いて加圧して操作に要求される圧力に調整することができる。
液体窒素は、洗浄塔Ｇの塔底部に溜まった低圧液体流を冷却するのに役立つ。
本発明のプラントユニットは、本願の基礎出願である独国特許出願と同日に出願された独国特許出願公開第１０２２６２０９号明細書に開示されている合成ガスの分別のためのプラントユニットの中核を成すものである。上記出願の明細書には合成ガスの分別法の全容が記載されている。それによると、まず二酸化炭素を合成ガスから分離する。分離後の残りの混合ガスは、大部分が一酸化炭素と水素からなり、本願明細書中に記載の合成ガス２を構成するものであるが、本願明細書ではこのガスの分別について本発明のプラントユニットを用いる方法を記載している。
参考文献

１．"Gas Production", Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A12, VCH Verlagsgesellschaft mbH (1989)
本発明のプラントユニットの概略図を表す。
符号の説明
Ａ 熱交換器
Ｂ 分離器
Ｃ 分離器（蒸発器、減圧蒸発器またはフラッシュエバポレータとも称す）
Ｄ 減圧手段（蒸発器、レセプタクルまたはフラッシュエバポレータとも称す）
Ｅ 減圧手段（蒸発器、フラッシュエバポレータまたはレセプタクルとも称す）
Ｆ 蒸留手段または精留・分別手段（蒸留塔とも称す）
Ｇ 窒素洗浄手段（洗浄塔とも称す）

１ 加圧窒素
２ 合成ガス
３ 液体窒素
４ 水素、一酸化炭素および極微量のメタンからなるガス画分
５ 一酸化炭素、メタンおよび水素からなる液体画分
６ 水素と少量の一酸化炭素からなるガス画分
７ 一酸化炭素、少量のメタンおよび極微量の水素からなる液体画分
８ 一酸化炭素、少量のメタンおよび極微量の水素からなる液体画分
９ 一酸化炭素とメタンからなる液体画分
１０ メタンと少量の一酸化炭素からなる液体画分
１１ 液体窒素
１２ 一酸化炭素、窒素、水素および超微量のアルゴンからなる液体画分
１３ 一酸化炭素、少量の水素および少量のメタンからなるガス画分
１４ 一酸化炭素からなるガス画分
１５ 一酸化炭素、窒素、水素、メタンおよび極微量のアルゴンからなるガス画分
１６ 水素と窒素からなるガス画分

Claims (19)

  1. 相互に連結した下記手段を包含してなることを特徴とする、合成ガスを分別・精製するためのプラントユニット。
    該プラントユニットに供給される合成ガス２を冷却するための第１熱交換器Ａ；
    該合成ガス２を、水素と一酸化炭素を主体とするガス画分４と、一酸化炭素とメタンを主体とする液体画分５とに分別するための分離器であって、該第１熱交換器Ａに連結した分離器Ｂ；
    該分離器Ｂから供給された該ガス画分４をさらに分別し、大部分が水素からなるガス画分６および大部分が一酸化炭素からなる液体７とするための第１蒸発器Ｃ；
    該第１蒸発器Ｃから出た該液体７に吸収されている水素を蒸発させて、一酸化炭素を主体とする残留液８を得、得られた残留液８を蒸留塔Ｆに供給するための第２蒸発器Ｄ；
    該分離器Ｂで得られた該液体画分５に吸収されている残留水素を蒸発除去して、一酸化炭素とメタンを主体とする液体９を得るための第３蒸発器Ｅ；
    該第３蒸発器Ｅから出た該液体９を受け取り、該液体９から一酸化炭素ガス１４を分離して塔底液１０としてメタンを得るための蒸留塔Ｆ；および
    該第１蒸発器Ｃから供給された、水素を主体とする該ガス画分６から不純物を除去して精製を行うための洗浄塔であって、該精製を液体窒素を用いて行い、該不純物を可燃ガス１２として利用するために回収する洗浄塔Ｇ。
  2. 該第１熱交換器Ａが、ガスおよび液体用の複数の供給ラインを受け入れることができ、かつ、該ガスおよび液体を所定温度まで冷却または加熱できることを特徴とする、請求項１に記載のプラントユニット。
  3. 該第１蒸発器Ｃ、該第２蒸発器Ｄおよび該第３蒸発器Ｅが、液体中に溶解したガスを除去できるフラッシュエバポレータ（減圧蒸発器）であることを特徴とする、請求項１または２に記載のプラントユニット。
  4. 該蒸留塔Ｆが、任意の組成を有する合成ガスが通過するようになっている第２熱交換器を有し且つ該蒸留塔の塔底部に蓄積した液体のための排出口を塔底部に有するものであって、該液体が排出されて該第１熱交換器Ａを通過した後に該蒸留塔Ｆへリサイクル可能であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のプラントユニット。
  5. 該洗浄塔Ｇが、窒素ガスおよび液体窒素のための供給ラインを有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のプラントユニット。
  6. 該分離器Ｂの運転を、圧力７８バール、温度−１７１±１０℃の条件で行うことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のプラントユニット。
  7. 該第１蒸発器Ｃの運転を、圧力７８バール、温度−１９５±１０℃の条件で行うことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のプラントユニット。
  8. 該第２蒸発器Ｄの運転を、圧力６バール、温度−１９５±１０℃の条件で行うことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のプラントユニット。
  9. 該第３蒸発器Ｅの運転を、圧力６バール、温度−１７１±１０℃の条件で行うことを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載のプラントユニット。
  10. 該蒸留塔Ｆの運転を、圧力５バール、塔頂温度−１７５℃、塔底温度−１５５℃の条件で行うことを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載のプラントユニット。
  11. 該洗浄塔Ｇの運転を、塔内圧力７７バール、温度−１８５±１０℃の条件で行うことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載のプラントユニット。
  12. 該洗浄塔Ｇの上部から抜き出される混合ガスにおけるＨ2／Ｎ2のモル比を、窒素ガスを添加することによって３：１に調整することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載のプラントユニット。
  13. 請求項１〜１２のいずれかに記載のプラントユニットで合成ガスを分別・精製するための方法であって、該合成ガスをまず分縮し、そしてその後に液体窒素による洗浄を行うことを含み、該分離器Ｂにおいて、該合成ガス２を、水素と一酸化炭素を主体とするガス画分４と、一酸化炭素とメタンを主体とする液体画分５とに分別する際に、圧力７８バール、温度−１７１±１０℃の条件で行うことを特徴とする方法。
  14. 該第１蒸発器Ｃにおいて、該ガス画分４を、大部分が水素からなるガス画分６と大部分が一酸化炭素からなる液体７とに分別する際に、圧力７８バール、温度−１９５±１０℃の条件で行うことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
  15. 該第２蒸発器Ｄにおいて、該液体７に吸収されている水素を蒸発させる際に、圧力６バール、温度−１９５±１０℃の条件で行うことを特徴とする、請求項１３または１４に記載の方法。
  16. 該第３蒸発器Ｅにおいて、該液体５に吸収されている水素を蒸発させる際に、圧力６バール、温度−１７１±１０℃の条件で行うことを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれかに記載の方法。
  17. 該蒸留塔Ｆにおいて、一酸化炭素を分離する際に、圧力５バール、塔頂温度−１７５℃、塔底温度−１５５℃の条件で行うことを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれかに記載の方法。
  18. 該洗浄塔Ｇにおいて、水素を主体とする該ガス画分６から不純物を除去する際に、液体窒素を用いて、塔内圧力７７バール、温度−１８５±１０℃の条件で行うことを特徴とする、請求項１３〜１７のいずれかに記載の方法。
  19. 該洗浄塔の上部から抜き出される混合ガスにおけるＨ2／Ｎ2のモル比を、窒素ガスを添加することによって３：１に調整することを特徴とする、請求項１３〜１８のいずれかに記載の方法。
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