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JP7628399B2 - Method for co-producing methanol and methane and equipment for co-producing methanol and methane - Google Patents
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Description

本発明は、水素と二酸化炭素とを原料としてメタノール及びメタンを併産する方法並びに設備に関する。 The present invention relates to a method and equipment for co-producing methanol and methane using hydrogen and carbon dioxide as raw materials.

近年、地球温暖化対策の観点から、燃焼利用しても大気中の二酸化炭素濃度を実質的に増加させることがないカーボンニュートラル燃料に注目が集まっている。 In recent years, as a measure to combat global warming, attention has been focused on carbon-neutral fuels, which do not substantially increase the concentration of carbon dioxide in the atmosphere even when burned.

工業プロセスや火力発電などで発生する排ガスから二酸化炭素を回収し、再生可能エネルギーである太陽光発電や風力発電などによる電力を用いた電気分解により得られた水素と反応させることにより、メタンあるいはメタノールを得ることができる。この方法によって得られたメタンあるいはメタノールは、燃焼利用しても追加的な二酸化炭素の発生がないことから、地球温暖化に影響しないカーボンニュートラル燃料と考えることができる。 Methane or methanol can be obtained by recovering carbon dioxide from exhaust gases generated in industrial processes and thermal power plants, and reacting it with hydrogen obtained by electrolysis using electricity generated by renewable energy sources such as solar and wind power. Methane or methanol obtained by this method can be considered a carbon-neutral fuel that does not contribute to global warming, since no additional carbon dioxide is produced when it is burned.

二酸化炭素と水素とを反応させてメタンを得るメタン化反応(式1)は公知である。
(式1)
CO+4H → CH+2H
The methanation reaction (Equation 1) in which carbon dioxide and hydrogen are reacted to obtain methane is known.
(Equation 1)
CO 2 +4H 2 → CH 4 +2H 2 O

特許文献1には、CO及びHを含むガスをメタン化するに際し、上流側にCu-Zn系低温シフト触媒を配し且つ下流側にメタン化触媒を配置したメタン化反応器を使用することを特徴とするCO及びHを含むガスのメタン化方法が開示されている。上流側の低温シフト反応器ではCOシフト反応(式2)が進行するので、原料ガスに含まれる一酸化炭素の大部分は水蒸気と反応して二酸化炭素に転換され、下流側のメタン化触媒上では二酸化炭素のメタン化反応が進行しているものと考えられる。
(式2)
CO+HO → CO+H
Patent Document 1 discloses a method for methanating a gas containing CO and H2 , characterized in that a methanation reactor is used in which a Cu-Zn-based low-temperature shift catalyst is arranged on the upstream side and a methanation catalyst is arranged on the downstream side when methanating a gas containing CO and H2 . Since the CO shift reaction (formula 2) proceeds in the upstream low-temperature shift reactor, most of the carbon monoxide contained in the raw material gas reacts with water vapor and is converted to carbon dioxide, and it is considered that the methanation reaction of carbon dioxide proceeds on the downstream methanation catalyst.
(Equation 2)
CO+ H2OCO2 + H2

メタン化反応はアンモニア合成用の水素から一酸化炭素及び二酸化炭素を除去する目的で古くから使用されており、NiやRuなどを担持した触媒が高活性を示すことが知られている(非特許文献1、2)。 Methanation reactions have long been used to remove carbon monoxide and carbon dioxide from hydrogen for ammonia synthesis, and catalysts carrying Ni or Ru are known to exhibit high activity (Non-Patent Documents 1 and 2).

二酸化炭素を水素と反応させてメタンを得るメタン化反応は、工業的にも確立された技術(たとえば非特許文献3)であるが、カーボンニュートラル燃料の製造の観点では、なお改良の余地がある。 The methanation reaction, in which carbon dioxide is reacted with hydrogen to obtain methane, is an industrially established technology (e.g., Non-Patent Document 3), but there is still room for improvement in terms of producing carbon-neutral fuels.

二酸化炭素を水素と反応させてメタンを得るメタン化反応は、式1に示す通り、4molの水素から1molのメタンを生成する反応である。水素4molの発熱量(高位発熱量、以下同じ)は、1143.3kJであり、メタン1molの発熱量は890.3kJであるから、反応が理論式通り100%の収率で進行した場合でも、得られるメタンの発熱量は、原料となる水素の発熱量の77.9%にとどまる。残りは反応熱として放出されて、通常は利用することができないので、水素からメタンへの変換過程で約22%のエネルギーを失うことになる。 As shown in formula 1, the methanation reaction in which carbon dioxide reacts with hydrogen to obtain methane produces 1 mol of methane from 4 mol of hydrogen. The calorific value (higher heating value, the same applies below) of 4 mol of hydrogen is 1,143.3 kJ, and the calorific value of 1 mol of methane is 890.3 kJ. Therefore, even if the reaction proceeds with a 100% yield as per the theoretical formula, the calorific value of the methane obtained is only 77.9% of the calorific value of the hydrogen used as the raw material. The remainder is released as reaction heat and cannot normally be used, so approximately 22% of the energy is lost in the process of converting hydrogen to methane.

二酸化炭素と水素とを反応させてメタノールを得る反応(式3)も公知である(例えば、特許文献2)。
(式3)
CO+3H → CHOH+H
A reaction (formula 3) in which carbon dioxide and hydrogen are reacted to obtain methanol is also known (for example, Patent Document 2).
(Equation 3)
CO 2 + 3H 2 → CH 3 OH + H 2 O

この反応では、3molの水素から1molのメタノールを生成する。水素3molの発熱量(高位発熱量、以下同じ)は、857.5kJであり、メタノール1molの発熱量は726.1kJであるから、反応が理論式通り100%の収率で進行した場合に得られるメタノールの発熱量は、原料となる水素の発熱量の84.7%となって、メタンに変換する場合よりも効率は高いことになる。 In this reaction, 1 mol of methanol is produced from 3 mol of hydrogen. The calorific value (higher calorific value, same below) of 3 mol of hydrogen is 857.5 kJ, and the calorific value of 1 mol of methanol is 726.1 kJ. Therefore, if the reaction proceeds with a 100% yield according to the theoretical formula, the calorific value of the methanol obtained will be 84.7% of the calorific value of the raw material hydrogen, which is more efficient than converting it into methane.

このように変換の熱効率が高いことは、反面で二酸化炭素と水素とを反応させてメタノールを得る反応の反応熱(エンタルピー変化)が小さいことも意味し、これは反応のギブズエネルギー変化が小さいこと、すなわち平衡的に反応が進行し難いことにつながる。 This high thermal efficiency of conversion also means that the heat of reaction (enthalpy change) of the reaction to obtain methanol by reacting carbon dioxide with hydrogen is small, which means that the Gibbs energy change of the reaction is small, meaning that the reaction is unlikely to proceed in equilibrium.

例えば、250℃、5MPaの条件で、CO:H=1:4のガスをメタン化反応させて平衡組成とした場合には、COの99.5%がメタンに変換される。これに対して、同じ250℃、5MPaの条件で、CO:H=1:3のガスをメタノール合成反応させて平衡組成とした場合には、COの約20%しかメタノールに変換されない。 For example, when a gas with a CO2 : H2 ratio of 1:4 is subjected to a methanation reaction at 250°C and 5 MPa to reach an equilibrium composition, 99.5% of the CO2 is converted to methane. In contrast, when a gas with a CO2 : H2 ratio of 1:3 is subjected to a methanol synthesis reaction at the same conditions of 250°C and 5 MPa to reach an equilibrium composition, only about 20% of the CO2 is converted to methanol.

このように、二酸化炭素と水素との反応によりメタノールを合成する反応は、平衡的に高い転化率が得難いことから、逆シフト反応(式4)により二酸化炭素の少なくとも一部を一酸化炭素にあらかじめ変換し、生成した水を除去してからメタノール合成触媒に通じるメタノール合成方法も提案されている(非特許文献4、特許文献3)。
(式4)
CO+H → CO+H
As described above, since it is difficult to obtain a high equilibrium conversion rate in the reaction of synthesizing methanol by the reaction of carbon dioxide with hydrogen, a method for synthesizing methanol has been proposed in which at least a portion of carbon dioxide is converted into carbon monoxide in advance by a reverse shift reaction (Equation 4), and the generated water is removed before passing the resulting mixture through a methanol synthesis catalyst (Non-Patent Document 4, Patent Document 3).
(Equation 4)
CO 2 + H 2 → CO + H 2 O

一酸化炭素と水素からメタノールを得る反応(式5)は、逆シフト反応の吸熱の分だけ、二酸化炭素と水素からメタノールを得る反応よりも発熱量が大きくなる。これに伴い、平衡的に一酸化炭素のメタノールへの転化率は、二酸化炭素からのメタノール合成反応よりも高くなる。例えば、250℃、5MPaの条件で、CO:H=1:2のガスをメタノール合成反応させて平衡組成とした場合には、COの58%がメタノールに変換される。
(式5)
CO+2H → CHOH
The reaction (formula 5) for obtaining methanol from carbon monoxide and hydrogen generates a larger amount of heat than the reaction for obtaining methanol from carbon dioxide and hydrogen, due to the endothermic heat of the reverse shift reaction. Accordingly, the conversion rate of carbon monoxide to methanol at equilibrium is higher than that of the methanol synthesis reaction from carbon dioxide. For example, when a gas with a CO:H 2 ratio of 1:2 is subjected to a methanol synthesis reaction under conditions of 250° C. and 5 MPa to obtain an equilibrium composition, 58% of CO is converted to methanol.
(Equation 5)
CO+ 2H2CH3OH

逆シフト反応は、吸熱反応であり、高温になるほど二酸化炭素の一酸化炭素への転化率が高くなる。例えば、CO:H=1:3のガスを逆シフト反応させた場合、250℃では、二酸化炭素の一酸化炭素への転化率は16%にとどまるが、350℃では29%、450℃であれば、43%まで向上する。従って、逆シフト反応を十分に進行させるためには、高温で反応を行う必要があり、これには高温の熱源が必要となる。 The reverse shift reaction is an endothermic reaction, and the higher the temperature, the higher the conversion rate of carbon dioxide to carbon monoxide. For example, when a gas with a CO 2 :H 2 ratio of 1:3 is subjected to the reverse shift reaction, the conversion rate of carbon dioxide to carbon monoxide is only 16% at 250° C., but increases to 29% at 350° C. and 43% at 450° C. Therefore, in order to sufficiently proceed with the reverse shift reaction, the reaction must be carried out at a high temperature, which requires a high-temperature heat source.

一方で、メタノール合成反応は発熱反応であり、温度が高いほど転化率が低くなることから、熱交換型の反応器を用いて250℃程度で反応させることが一般的であり、350℃以上の排熱を回収することは通常不可能である。水素を燃焼させて逆シフト反応の吸熱を賄うこともできるが、必然的に水素のメタノールへの変換効率は低下することになる。 On the other hand, the methanol synthesis reaction is an exothermic reaction, and the higher the temperature, the lower the conversion rate. Therefore, it is common to use a heat exchange reactor to carry out the reaction at around 250°C, and it is generally impossible to recover waste heat above 350°C. It is possible to cover the endothermic heat of the reverse shift reaction by burning hydrogen, but this inevitably reduces the efficiency of converting hydrogen into methanol.

特開昭60-235893号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 60-235893 特開平7-39755号公報Japanese Patent Application Publication No. 7-39755 米国特許第8198338号明細書U.S. Pat. No. 8,198,338

社団法人化学工学協会編、化学プロセス集成、1970年、p.153Chemical Process Journal, edited by the Society of Chemical Engineers, 1970, p.153 触媒学会編、触媒便覧、2008年、p.535Catalysis Society of Japan, Catalyst Handbook, 2008, p.535 川越、松田、松島及び植松、日立評論、68巻10号、1986年、p.73Kawagoe, Matsuda, Matsushima and Uematsu, Hitachi Review, Vol. 68, No. 10, 1986, p. 73 S.-J.Uhmほか、Industrial and Engineering Chemistry Research、38巻、1999年、p.1808.S.-J. Uhm et al., Industrial and Engineering Chemistry Research, vol. 38, 1999, p. 1808.

本発明が解決しようとする課題は、以上の問題に鑑み、水素と二酸化炭素からメタン及びメタノールを製造するに際して、設備コストを抑制しつつ、変換効率の改善されたメタン及びメタノールの併産方法並びに併産設備を提供することにある。 In view of the above problems, the problem that the present invention aims to solve is to provide a method and equipment for co-producing methane and methanol with improved conversion efficiency while suppressing equipment costs when producing methane and methanol from hydrogen and carbon dioxide.

本発明に係るメタノール及びメタンの併産方法の特徴構成は、
水素と二酸化炭素とから、メタノール及びメタンを併産する方法であって、
(a)水素と二酸化炭素とを含む原料ガスから逆シフト反応によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気を含む合成ガスを得る工程と、
(b)合成ガスを冷却して水を分離する工程と、
(c)水を分離した合成ガスをメタノール合成触媒に通じてメタノールを合成する工程と、
(d)工程(c)で得たガスを冷却して、メタノールを分離する工程と、
(e)水素と二酸化炭素とを含む原料ガスをメタン化触媒に通じてメタンを合成する工程と、を備え、
工程(d)で得たメタノールを分離した合成ガスの少なくとも一部が工程(e)におけるメタン化反応の原料ガスとして用いられ、
工程(e)は工程(d)の後段でのみ行われ、
工程(e)で生じた反応熱を熱交換器を介して工程(a)の熱源として用いる点にある。
また、本発明に係るメタノール及びメタンの併産設備の特徴構成は、
水素と二酸化炭素とから、メタノール及びメタンを併産する設備であって、
水素と二酸化炭素とを含む原料ガスから逆シフト反応によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気を含む合成ガスを得る逆シフト反応部と、
合成ガスを冷却して水を分離する水分離部と、
水を分離した合成ガスをメタノール合成触媒に通じてメタノールを合成するメタノール合成部と、
メタノール合成部から送出されたガスを冷却して、メタノールを分離するメタノール分離部と、
水素と二酸化炭素とを含む原料ガスをメタン化触媒に通じてメタンを合成するメタン化反応部と、
メタン化反応部で生じた反応熱を逆シフト反応部に熱交換器を介して供給する熱供給部とを備え、
メタノール分離部から送出された合成ガスの少なくとも一部をメタン化反応部に原料ガスとして供給するように構成され、メタン化反応部はメタノール分離部の後段にのみ配置されている点にある。
The characteristic configuration of the method for producing methanol and methane according to the present invention is as follows:
A process for co-producing methanol and methane from hydrogen and carbon dioxide, comprising the steps of:
(a) obtaining a synthesis gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and water vapor from a raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide by a reverse shift reaction;
(b) cooling the synthesis gas to separate water;
(c) passing the synthesis gas from which water has been separated through a methanol synthesis catalyst to synthesize methanol;
(d) cooling the gas obtained in step (c) to separate methanol;
(e) passing a raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide through a methanation catalyst to synthesize methane;
At least a part of the synthesis gas from which methanol has been separated in the step (d) is used as a raw material gas for the methanation reaction in the step (e);
Step (e) is carried out only after step (d);
The reaction heat generated in the step (e) is used as a heat source for the step (a) via a heat exchanger.
The methanol and methane co-production equipment according to the present invention has the following characteristic configuration:
A facility for co-producing methanol and methane from hydrogen and carbon dioxide, comprising:
a reverse shift reaction section for obtaining a synthesis gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and water vapor from a raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide by a reverse shift reaction;
a water separation section that cools the synthesis gas and separates water from it;
a methanol synthesis unit that synthesizes methanol by passing the synthesis gas from which water has been separated through a methanol synthesis catalyst;
a methanol separation section for cooling the gas sent from the methanol synthesis section and separating methanol;
a methanation reaction section that synthesizes methane by passing a raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide through a methanation catalyst;
a heat supply section that supplies reaction heat generated in the methanation reaction section to the reverse shift reaction section via a heat exchanger;
The present invention is configured such that at least a part of the synthesis gas sent out from the methanol separation section is supplied as a raw material gas to the methanation reaction section , and the methanation reaction section is disposed only at the downstream of the methanol separation section .

本特徴構成によれば、水素と二酸化炭素を含む原料ガスからメタノールを得るに際して、あらかじめ逆シフト反応によって、二酸化炭素の一部を一酸化炭素に変換しているため、メタノールの収率が改善される。さらに、逆シフト反応は、通常350℃以上、好ましくは450℃以上で行われるが、メタノール合成ではこの温度の排熱は得られないところ、本発明のメタン及びメタノールの併産方法並びに併産設備では、メタンを合成する工程はメタノールを分離する工程の後段でのみ行われるように構成し、メタン化の発熱が熱交換器を介して逆シフト反応の熱源として活用されるため、水素の製品(メタン及びメタノール)への変換効率が高くなる。
また、本特徴構成によれば、水素と二酸化炭素を含む原料ガスからメタノールを得るに際して、メタノールを分離した合成ガスの少なくとも一部がメタン化反応の原料ガスとして用いられるため、メタノール合成プロセスにおいて通常必要となる未反応ガスの原料ガスへのリサイクル量が減少し、メタノール分離後の合成ガスをメタン化反応の原料ガスとして有効利用できる。尚、メタノールを分離した合成ガスの全量がメタン化反応の原料ガスとして用いられる場合には、メタノール合成の原料ガスへの未反応ガスのリサイクルが不要となることから、設備コストが大幅に削減できる。
According to this characteristic configuration, when obtaining methanol from a raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide, a part of carbon dioxide is converted to carbon monoxide in advance by the reverse shift reaction, so that the yield of methanol is improved. Furthermore, the reverse shift reaction is usually performed at 350° C. or higher, preferably 450° C. or higher, but in the methanol synthesis, exhaust heat at this temperature cannot be obtained. In the method and equipment for co-producing methane and methanol of the present invention, the process for synthesizing methane is performed only after the process for separating methanol, and the heat generated by methanation is utilized as a heat source for the reverse shift reaction via a heat exchanger, so that the efficiency of conversion of hydrogen to products (methane and methanol) is increased.
According to this characteristic configuration, when obtaining methanol from a raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide, at least a part of the synthesis gas from which methanol is separated is used as the raw material gas for the methanation reaction, so that the amount of unreacted gas that is usually required in the methanol synthesis process to be recycled to the raw material gas is reduced, and the synthesis gas from which methanol is separated can be effectively used as the raw material gas for the methanation reaction. When the entire amount of the synthesis gas from which methanol is separated is used as the raw material gas for the methanation reaction, it is not necessary to recycle the unreacted gas to the raw material gas for the methanol synthesis, and therefore the equipment cost can be significantly reduced.

た、本発明に係るメタノール及びメタンの併産設備の更なる特徴構成は、メタノール分離部からメタン化反応部へと供給する合成ガスの流量を調整する流量調整部を備える点にある。 A further characteristic feature of the methanol and methane co-production equipment according to the present invention is that it includes a flow rate adjusting section that adjusts the flow rate of the synthesis gas supplied from the methanol separation section to the methanation reaction section.

本発明に係るメタノール及びメタンの併産方法の更なる特徴構成は、工程(d)で得たメタノールを分離した合成ガスの少なくとも一部が工程(a)における逆シフト反応の原料ガスに混合して用いられる点にある。
また、本発明に係るメタノール及びメタンの併産設備の更なる特徴構成は、メタノール分離部から送出された合成ガスの少なくとも一部を逆シフト反応部に原料ガスとして返送するように構成され、
流量調整部は、メタノール分離部から逆シフト反応部へと供給する合成ガスの流量を調整する点にある。
A further characteristic feature of the method for co-producing methanol and methane according to the present invention is that at least a part of the synthesis gas from which methanol has been separated in the step (d) is mixed with the feed gas for the reverse shift reaction in the step (a).
In addition, a further characteristic configuration of the methanol and methane co-production equipment according to the present invention is configured to return at least a part of the synthesis gas sent from the methanol separation section to the reverse shift reaction section as a raw material gas,
The flow rate adjusting section adjusts the flow rate of the synthesis gas supplied from the methanol separation section to the reverse shift reaction section.

本特徴構成によれば、メタン化反応工程における発熱が、逆シフト反応工程における吸熱を賄える範囲において、メタノールとメタンの製造量を任意に選択でき、経済的に有利にメタノールとメタンの併産を行うことができる。 According to this characteristic configuration, the production amounts of methanol and methane can be selected arbitrarily as long as the heat generated in the methanation reaction process can cover the heat absorbed in the reverse shift reaction process, and methanol and methane can be co-produced economically.

本発明のメタノール及びメタンの併産方法並びに併産設備の一態様を示すブロックフロー図である。FIG. 1 is a block flow diagram showing one embodiment of a method and equipment for co-producing methanol and methane according to the present invention. 本発明のメタノール及びメタンの併産方法並びに併産設備の別の一態様を示すブロックフロー図である。FIG. 2 is a block flow diagram showing another embodiment of the method and facility for co-producing methanol and methane according to the present invention. 本発明のメタノール及びメタンの併産方法並びに併産設備の一態様を示すプロセスフロー図である。FIG. 1 is a process flow diagram showing one embodiment of a method and equipment for co-producing methanol and methane according to the present invention. 本発明の方法によらないメタノール及びメタンの併産方法並びに併産設備を示すプロセスフロー図である。FIG. 1 is a process flow diagram showing a method and facility for co-producing methanol and methane other than the method of the present invention. 本発明のメタノール及びメタンの併産方法並びに併産設備の一態様を示すプロセスフロー図である。FIG. 1 is a process flow diagram showing one embodiment of a method and equipment for co-producing methanol and methane according to the present invention. 本発明の方法によらないメタノール及びメタンの併産方法並びに併産設備を示すプロセスフロー図である。FIG. 1 is a process flow diagram showing a method and facility for co-producing methanol and methane other than the method of the present invention.

〔実施形態〕
以下、メタノール及びメタンの併産方法並びに併産設備の実施形態について説明する。図1は、本発明のメタノール及びメタンの併産方法並びに併産設備を示すブロックフロー図である。本実施形態に係るメタノール及びメタンの併産方法は、水素と二酸化炭素とを含む原料ガスから逆シフト反応によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気を含む合成ガスを得る工程(逆シフト反応工程)と、合成ガスを冷却して水を分離する工程(水分離工程)と、水を分離した合成ガスをメタノール合成触媒に通じてメタノールを合成する工程(メタノール合成工程)と、メタノール合成工程で得たガスを冷却して、メタノールを分離する工程(メタノール分離工程)と、水素と二酸化炭素とを含む原料ガスをメタン化触媒に通じてメタンを合成する工程(メタン化反応工程)とを有し、メタン化反応工程で生じた反応熱を逆シフト反応工程の熱源として用いる。
また、本実施形態に係るメタノール及びメタンの併産設備は、上記併産方法における各工程に対応する逆シフト反応部1、水分離部2、メタノール合成部3、メタノール分離部4、メタン化反応部5を有するとともに、メタン化反応部5で生じた反応熱を逆シフト反応部1に供給する熱供給部6を有する。
[Embodiment]
Hereinafter, an embodiment of the method and equipment for co-producing methanol and methane will be described. FIG. 1 is a block flow diagram showing the method and equipment for co-producing methanol and methane of the present invention. The method for co-producing methanol and methane according to this embodiment includes a step of obtaining a synthesis gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and steam from a raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide by a reverse shift reaction (reverse shift reaction step), a step of cooling the synthesis gas and separating water (water separation step), a step of synthesizing methanol by passing the synthesis gas from which water has been separated through a methanol synthesis catalyst (methanol synthesis step), a step of cooling the gas obtained in the methanol synthesis step and separating methanol (methanol separation step), and a step of synthesizing methane by passing the raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide through a methanation catalyst (methanation reaction step), and the reaction heat generated in the methanation reaction step is used as a heat source for the reverse shift reaction step.
The methanol and methane co-production facility according to this embodiment includes a reverse shift reaction section 1, a water separation section 2, a methanol synthesis section 3, a methanol separation section 4, and a methanation reaction section 5 which correspond to each step in the above-mentioned co-production method, and also includes a heat supply section 6 which supplies reaction heat generated in the methanation reaction section 5 to the reverse shift reaction section 1.

逆シフト反応工程(逆シフト反応部1)では、二酸化炭素と水素とを含む原料ガスを、後述するメタン化反応工程で生じる反応熱を熱供給部6により供給して予熱し、逆シフト触媒に接触させて、二酸化炭素と水素との逆シフト反応により、一酸化炭素と水蒸気を生成する。尚、熱供給部6は、例えば、原料ガスとメタン化反応により温度が上昇したガスとの熱交換を行う熱交換器である。 In the reverse shift reaction process (reverse shift reaction section 1), the raw material gas containing carbon dioxide and hydrogen is preheated by supplying reaction heat generated in the methanation reaction process described below from the heat supply section 6, and is brought into contact with the reverse shift catalyst to generate carbon monoxide and water vapor through the reverse shift reaction of carbon dioxide and hydrogen. The heat supply section 6 is, for example, a heat exchanger that exchanges heat between the raw material gas and gas whose temperature has been increased by the methanation reaction.

原料として用いる二酸化炭素及び水素は、逆シフト反応させるにあたって支障のない純度及び性状のものである限り、どのような方法で製造されたものであっても差支えない。水素は、例えば水を電気分解して得た電解水素であってもよい。二酸化炭素は、燃焼排ガスからアミン吸収法などの公知の二酸化炭素回収方法によって回収されたものであってもよく、有機物をメタン発酵させて得られるバイオガスから回収された二酸化炭素であってもよい。 The carbon dioxide and hydrogen used as raw materials may be produced by any method, so long as they have a purity and properties that do not interfere with the reverse shift reaction. Hydrogen may be electrolytic hydrogen obtained by electrolyzing water, for example. Carbon dioxide may be carbon dioxide recovered from combustion exhaust gas by a known carbon dioxide recovery method such as the amine absorption method, or carbon dioxide recovered from biogas obtained by methane fermentation of organic matter.

二酸化炭素または水素に硫黄分やハロゲン化合物、シロキサン化合物、重質炭化水素などが含まれる場合、これらが逆シフト触媒または後段のメタノール合成触媒の劣化を引き起こすことがあるので、必要に応じて反応に供する前にこれらを除去することが好ましい。 If the carbon dioxide or hydrogen contains sulfur, halogen compounds, siloxane compounds, heavy hydrocarbons, etc., these may cause deterioration of the reverse shift catalyst or the downstream methanol synthesis catalyst, so it is preferable to remove these, if necessary, before subjecting them to the reaction.

逆シフト触媒としては、公知のCOシフト触媒である、銅-亜鉛触媒、鉄-クロム触媒などが使用できる。 As a reverse shift catalyst, known CO shift catalysts such as copper-zinc catalyst and iron-chromium catalyst can be used.

予熱温度は、メタン化反応工程の発熱とのバランスによる制約があるが、通常300℃以上550℃以下、好ましくは350℃以上500℃以下とする。この範囲にあれば、二酸化炭素の一酸化炭素への転化率が確保されるとともに、メタン化反応工程の発熱で、予熱に必要な熱を賄うことが容易である。 The preheating temperature is limited by the balance with the heat generated in the methanation reaction process, but is usually set to 300°C or higher and 550°C or lower, and preferably 350°C or higher and 500°C or lower. If it is within this range, the conversion rate of carbon dioxide to carbon monoxide is ensured, and the heat generated in the methanation reaction process can easily cover the heat required for preheating.

逆シフト反応を断熱型の反応器で行う場合には、反応の進行により温度が低下し、これに応じて二酸化炭素の一酸化炭素への転化率が低下するので、必要に応じて複数段に分けて予熱と反応を繰り返してもよい。 When the reverse shift reaction is carried out in an adiabatic reactor, the temperature decreases as the reaction proceeds, and the conversion rate of carbon dioxide to carbon monoxide decreases accordingly. Therefore, preheating and reaction may be repeated in multiple stages as necessary.

水分離工程(水分離部2)では、前記の逆シフト反応により得た、水素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気を含むガスを冷却して、水蒸気を水として分離する。逆シフト反応後のガスは、十分高い温度にあるので、その顕熱は熱回収して、例えば逆シフト反応に供する二酸化炭素と水素とを含む原料ガスと熱交換して、その予熱に用いるのが好ましい。 In the water separation step (water separation section 2), the gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and water vapor obtained by the reverse shift reaction is cooled, and the water vapor is separated into water. Since the gas after the reverse shift reaction is at a sufficiently high temperature, it is preferable to recover its sensible heat and use it, for example, for heat exchange with the raw material gas containing carbon dioxide and hydrogen to be subjected to the reverse shift reaction, thereby preheating it.

逆シフト反応に供する二酸化炭素と水素とを含む原料ガスとの熱交換だけでは、十分に温度が低下しない場合には、さらに冷却水や空冷などの手段により冷却し、好ましくは50℃以下、より好ましくは40℃以下に冷却して、凝縮した水を分離する。例えば、冷凍機などを用いて、さらに低い温度に冷却してから水を分離することで、ガスに残留する水蒸気の量を低減すると、後段のメタノール合成工程で得られるメタノールの量がある程度増加するが、通常は冷却水等での冷却で十分である。 If the temperature is not sufficiently reduced by heat exchange with the raw gas containing carbon dioxide and hydrogen to be subjected to the reverse shift reaction, the gas is further cooled by means of cooling water or air cooling, preferably to 50°C or less, more preferably to 40°C or less, and the condensed water is separated. For example, if the amount of water vapor remaining in the gas is reduced by cooling to a lower temperature using a refrigerator or the like before separating the water, the amount of methanol obtained in the subsequent methanol synthesis process will increase to some extent, but cooling with cooling water or the like is usually sufficient.

メタノール合成工程(メタノール合成部3)では、水を分離した水素、一酸化炭素、二酸化炭素と、微量の水蒸気を含むガスをメタノール合成触媒に接触させて、メタノールを生成する。 In the methanol synthesis process (methanol synthesis section 3), the hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide from which the water has been separated, as well as a gas containing a trace amount of water vapor, are brought into contact with a methanol synthesis catalyst to produce methanol.

メタノール合成触媒としては、公知の銅-亜鉛触媒、クロム-亜鉛触媒、銅-クロム-亜鉛触媒などが使用できる。 As a methanol synthesis catalyst, known copper-zinc catalysts, chromium-zinc catalysts, copper-chromium-zinc catalysts, etc. can be used.

メタノール合成触媒に接触させる温度は、200℃以上350℃以下が好ましく、220℃以上280℃以下がより好ましい。前記の範囲にあると、十分な反応速度と、メタノールへの転化率が確保できるので、触媒量を過大に用いることなく、メタノールの生産量が確保できる。 The temperature at which the reaction mixture is brought into contact with the methanol synthesis catalyst is preferably 200°C or higher and 350°C or lower, and more preferably 220°C or higher and 280°C or lower. If the temperature is within the above range, a sufficient reaction rate and conversion rate to methanol can be ensured, so that the amount of methanol produced can be ensured without using an excessive amount of catalyst.

メタノール合成反応は一定の発熱を伴うことから、メタノール合成反応器としては、発生した熱を除去しながら反応を進行させる熱交換型反応器を用いるのが好ましい。 Since the methanol synthesis reaction generates a certain amount of heat, it is preferable to use a heat exchange type reactor as the methanol synthesis reactor, which allows the reaction to proceed while removing the generated heat.

メタノール分離工程(メタノール分離部4)では、前記のメタノール合成工程により得た、メタノールと未反応の水素、一酸化炭素、二酸化炭素を含むガスを冷却して、メタノールを液体として分離回収する。メタノール合成工程後のガスは、十分高い温度にあるので、その顕熱は熱回収して、例えばメタノール合成に供するガスと熱交換して、その予熱に用いるのが好ましい。 In the methanol separation step (methanol separation section 4), the gas obtained in the methanol synthesis step, which contains methanol and unreacted hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide, is cooled to separate and recover methanol as a liquid. Since the gas after the methanol synthesis step is at a sufficiently high temperature, it is preferable to recover its sensible heat and use it, for example, to exchange it with the gas to be used for methanol synthesis and to preheat it.

メタノールは、常温でも一定の蒸気圧を持つことから、熱交換による冷却や、水冷あるいは空冷による冷却に加えて、冷凍機と熱交換器を用いて、常温以下まで冷却するとメタノールの回収量を高めることができる。好ましくは20℃以下、より好ましくは10℃以下に冷却して、メタノールを分離する。 Since methanol has a certain vapor pressure even at room temperature, the amount of methanol recovered can be increased by cooling it to below room temperature using a refrigerator and heat exchanger, in addition to cooling it by heat exchange, water cooling, or air cooling. Methanol is separated by cooling it to preferably below 20°C, more preferably below 10°C.

メタン化反応工程(メタン化反応部5)では、前記のメタノールを分離後の、未反応の水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を含むガスをメタン化触媒に接触させて、メタンを生成する。 In the methanation reaction step (methanation reaction section 5), the gas containing unreacted hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide after separation of the methanol is contacted with a methanation catalyst to produce methane.

メタン化反応工程において用いるメタン化触媒としては、NiやRuなどを含有する公知のメタン化触媒を用いることができる。 The methanation catalyst used in the methanation reaction process can be a known methanation catalyst containing Ni, Ru, or the like.

メタン化触媒に接触させる際の入口温度は、200℃以上350℃以下が好ましく、225℃以上275℃以下がより好ましい。前記の範囲にあると、十分な反応速度が得られやすいことから、触媒量を過大に用いることなくメタン化反応を進行させることが容易になり、かつ、メタン化反応の出口温度が高まりすぎないことから、触媒の耐久性を確保することが容易になる。 The inlet temperature when contacting the methanation catalyst is preferably 200°C or higher and 350°C or lower, and more preferably 225°C or higher and 275°C or lower. If it is within the above range, a sufficient reaction rate is easily obtained, making it easy to proceed with the methanation reaction without using an excessive amount of catalyst, and since the outlet temperature of the methanation reaction does not become too high, it is easy to ensure the durability of the catalyst.

メタン化反応は、比較的大きな発熱を伴うため、反応の進行に伴い、ガスの温度が上昇し、それに伴って平衡転化率が低下する。従って、1段の反応で所望の転化率を得ることは通常困難である。一方で、熱交換型の反応器を採用すると、逆シフト反応に必要な高温の熱を取り出すことが困難になる。そこで、入口側には断熱型の反応器を用い、反応熱により温度が上昇した出口ガスを逆シフト反応に供するガスとの熱交換(即ち、メタン化反応工程で生じた反応熱を逆シフト反応工程の熱源として利用)により冷却したのち、次段反応器に導入するプロセスとするのが好ましい。断熱型の反応器を冷却用の熱交換器を介して多段に連結してもよく、入口側の少なくとも1つの断熱型反応器と、出口側の少なくとも1つの熱交換型反応器とを、冷却用の熱交換器を介して、連結して用いてもよい。 Since the methanation reaction generates a relatively large amount of heat, the gas temperature rises as the reaction proceeds, and the equilibrium conversion rate decreases accordingly. Therefore, it is usually difficult to obtain the desired conversion rate in a single-stage reaction. On the other hand, if a heat exchange type reactor is used, it becomes difficult to extract the high-temperature heat required for the reverse shift reaction. Therefore, it is preferable to use an adiabatic reactor on the inlet side, and cool the outlet gas whose temperature has risen due to the reaction heat by heat exchange with the gas to be used for the reverse shift reaction (i.e., use the reaction heat generated in the methanation reaction process as a heat source for the reverse shift reaction process), and then introduce it into the next-stage reactor. Adiabatic reactors may be connected in multiple stages via a heat exchanger for cooling, and at least one adiabatic reactor on the inlet side and at least one heat exchange type reactor on the outlet side may be connected via a heat exchanger for cooling.

メタン化反応は、比較的大きな発熱を伴うことから、触媒の熱劣化が問題となる場合もある。反応器出口側のガスを、反応器入口側に戻して、反応に供するガスを希釈することもできる。この反応器構成を用いると、希釈効果により温度上昇が抑えられることから触媒の耐久性が改善される。加えて、反応器出口温度が低下することにより、平衡転化率が高まる効果も生じるため、単純な多段反応器の構成よりも反応器の段数を削減できる場合がある。 Since the methanation reaction generates a relatively large amount of heat, thermal degradation of the catalyst can be a problem in some cases. The gas from the reactor outlet side can be returned to the reactor inlet side to dilute the gas used in the reaction. When this reactor configuration is used, the dilution effect suppresses temperature rise, improving the durability of the catalyst. In addition, the lower reactor outlet temperature has the effect of increasing the equilibrium conversion rate, so it may be possible to reduce the number of reactor stages compared to a simple multi-stage reactor configuration.

メタン化反応後のガスを冷却して、水分を分離することにより、メタンを主成分とするガスが得られる。 The gas after the methanation reaction is cooled and the water is separated to obtain gas mainly composed of methane.

反応圧力は、3MPa以上10MPa以下とするのが好ましく、4MPa以上7MPa以下とするのがより好ましい。反応圧力がこの範囲にあると、設備コストを抑制しながら、メタンに対するモル比で0.5~1程度のメタノールを得ることができる。 The reaction pressure is preferably 3 MPa or more and 10 MPa or less, and more preferably 4 MPa or more and 7 MPa or less. If the reaction pressure is in this range, it is possible to obtain methanol at a molar ratio to methane of about 0.5 to 1 while suppressing equipment costs.

図1に示す態様のメタノール及びメタンの併産方法並びに併産設備では、逆シフト反応部1に供給された二酸化炭素と水素とを含む原料ガスから得られる合成ガスを基に、まずメタノールが合成され、これを分離した後の未反応の合成ガスを原料としてメタンが合成される。生産されるメタノールとメタンのモル比は、反応圧力及び逆シフト反応の進行度合いなどによって決まり、通常3:7~5:5の範囲である。 In the methanol and methane co-production method and equipment shown in Figure 1, methanol is first synthesized based on synthesis gas obtained from a feed gas containing carbon dioxide and hydrogen supplied to the reverse shift reaction section 1, and methane is synthesized using the unreacted synthesis gas remaining after separation. The molar ratio of methanol to methane produced is determined by the reaction pressure and the progress of the reverse shift reaction, and is usually in the range of 3:7 to 5:5.

本態様の方法では、メタノール合成反応後の未反応の合成ガスは、その全量がメタン化反応の原料として用いられるので、メタノール転化率を高めるために、例えば20MPaというような、従来のメタノール合成で採用されるような極端な高圧を選択する必要はなく、また未反応の合成ガスをメタノール合成反応の入口側に戻すリサイクルコンプレッサーなどの高価な設備も不要である。 In the method of this embodiment, the entire amount of unreacted synthesis gas after the methanol synthesis reaction is used as a raw material for the methanation reaction, so there is no need to select extremely high pressures, such as 20 MPa, as are used in conventional methanol synthesis to increase the methanol conversion rate, and there is no need for expensive equipment such as a recycle compressor that returns unreacted synthesis gas to the inlet side of the methanol synthesis reaction.

本態様のメタノール及びメタンの併産方法並びに併産設備では、反応条件により、生産されるメタノールとメタンのモル比が変化する。二酸化炭素と水素との反応によりメタノールを得る場合、二酸化炭素に対するモル比で3倍の水素が必要であり、メタンを得る場合は、二酸化炭素に対するモル比で4倍の水素が必要である。従って、本態様のメタノール及びメタンの併産方法で、逆シフト反応に供給する二酸化炭素と水素の割合は、二酸化炭素に対する水素のモル比で3以上4以下とするが、メタンを都市ガス原料とする場合には、水素や二酸化炭素が多量に残存することは好ましくない。例えば、生産されるメタノールとメタンのモル比が、4:6である場合、二酸化炭素に対する水素のモル比が3.6となるように混合したガスを逆シフト反応部1に供給することで、メタン化反応後のガスに含まれるメタン以外のガスの濃度を低くすることができる。 In the present embodiment of the method and equipment for co-producing methanol and methane, the molar ratio of methanol to methane produced varies depending on the reaction conditions. When obtaining methanol by the reaction of carbon dioxide with hydrogen, three times as much hydrogen is required in terms of molar ratio to carbon dioxide, and when obtaining methane, four times as much hydrogen is required in terms of molar ratio to carbon dioxide. Therefore, in the present embodiment of the method for co-producing methanol and methane, the ratio of carbon dioxide to hydrogen supplied to the reverse shift reaction is set to a molar ratio of hydrogen to carbon dioxide of 3 to 4, but when methane is used as a raw material for city gas, it is not preferable for a large amount of hydrogen or carbon dioxide to remain. For example, when the molar ratio of methanol to methane produced is 4:6, the concentration of gases other than methane contained in the gas after the methanation reaction can be reduced by supplying a mixed gas to the reverse shift reaction section 1 so that the molar ratio of hydrogen to carbon dioxide is 3.6.

図2は、本発明の別の態様のメタノール及びメタンの併産方法並びに併産設備を示すブロックフロー図である。本実施形態に係るメタノール及びメタンの併産方法並びに併産設備も、逆シフト反応工程(逆シフト反応部1)と、水分離工程(水分離部2)、メタノール合成工程(メタノール合成部3)、メタノール分離工程(メタノール分離部4)、メタン化反応工程(メタン化反応部5)とを有する。ただし、図1に示した態様とは異なり、メタノール分離工程(メタノール分離部4)でメタノールを分離した後の合成ガスが流量調整部7を経由し、合成ガスの大部分が逆シフト反応部1の入口に返送され、残部が別に用意された水素と二酸化炭素とを含む原料ガスに混合されてメタン化反応工程の原料として用いられる。尚、流量調整部7は、逆シフト反応部1に返送する合成ガス量とメタン化反応部5に供給する合成ガス量とを任意で調整可能に構成されている。 Figure 2 is a block flow diagram showing a method and equipment for co-producing methanol and methane according to another embodiment of the present invention. The method and equipment for co-producing methanol and methane according to this embodiment also have a reverse shift reaction step (reverse shift reaction section 1), a water separation step (water separation section 2), a methanol synthesis step (methanol synthesis section 3), a methanol separation step (methanol separation section 4), and a methanation reaction step (methanation reaction section 5). However, unlike the embodiment shown in Figure 1, the synthesis gas after separation of methanol in the methanol separation step (methanol separation section 4) passes through a flow rate adjustment section 7, and most of the synthesis gas is returned to the inlet of the reverse shift reaction section 1, and the remainder is mixed with a separately prepared raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide and used as a raw material for the methanation reaction step. The flow rate adjustment section 7 is configured to be able to arbitrarily adjust the amount of synthesis gas returned to the reverse shift reaction section 1 and the amount of synthesis gas supplied to the methanation reaction section 5.

この態様では、メタン化反応工程における発熱が、逆シフト反応の吸熱を賄える範囲で、メタノールとメタンの生産量の比を任意に設定することができる。 In this embodiment, the ratio of methanol to methane production can be set as desired, as long as the heat generated in the methanation reaction process can cover the heat absorbed in the reverse shift reaction.

本態様の方法では、逆シフト反応により二酸化炭素の一部が一酸化炭素に変換されているので、単通でのメタノール転化率が高くなる。このため未反応合成ガスを入口側に戻すリサイクルコンプレッサーなどの設備の規模が従来公知の方法や設備と比較して小さくなる。また単通でのメタノール転化率が高くなることから、リサイクルされる未反応ガスの割合が減ることにより、メタノール合成触媒に導入される合成ガスの流量が削減されることから、メタノール合成触媒量も削減でき、触媒及び反応器にかかる費用を低減することができる。 In the method of this embodiment, a portion of the carbon dioxide is converted to carbon monoxide by the reverse shift reaction, so the methanol conversion rate in a single pass is high. This means that the scale of equipment such as a recycle compressor that returns unreacted synthesis gas to the inlet side is smaller than in conventional known methods and equipment. In addition, because the methanol conversion rate in a single pass is high, the proportion of unreacted gas that is recycled is reduced, which reduces the flow rate of synthesis gas introduced into the methanol synthesis catalyst, and therefore the amount of methanol synthesis catalyst can be reduced, and the costs of the catalyst and reactor can be reduced.

未反応ガスのリサイクルを伴うメタノール合成設備では、通常未反応の合成ガスの一部は、不活性成分の蓄積を防ぐため、パージガスとして系外に抜き出される。この中には、メタンなどの軽質炭化水素も含まれうるが、これらはメタン化原料として利用することができるので、本態様のメタノールとメタンの併産方法並びに併産設備にあっては、逆シフト反応に供する原料とは別に用意された水素と二酸化炭素を含む原料ガスと混合して、メタン化反応工程に供する原料とすることができ、水素から製品となるメタノール及びメタンへの変換効率を高めることができる。 In methanol synthesis equipment with unreacted gas recycling, a portion of the unreacted synthesis gas is usually extracted from the system as purge gas to prevent the accumulation of inert components. This may include light hydrocarbons such as methane, which can be used as methanation feedstock. In the present embodiment of the method and equipment for co-producing methanol and methane, the unreacted synthesis gas can be mixed with a feedstock gas containing hydrogen and carbon dioxide prepared separately from the feedstock used in the reverse shift reaction to be used as the feedstock for the methanation reaction process, thereby increasing the conversion efficiency from hydrogen to the products methanol and methane.

〔実施例及び比較例〕
以下に、プロセス計算に基づく試算例を示す。圧力は5MPaであり、各機器及び配管における圧力損失及び放熱損失は考慮していない。尚、図3は、本発明のメタノール及びメタンの併産方法並びに併産設備の一態様を示すプロセスフロー図である。
[Examples and Comparative Examples]
An example of a trial calculation based on a process calculation is shown below. The pressure is 5 MPa, and pressure loss and heat radiation loss in each device and piping are not taken into consideration. Note that FIG. 3 is a process flow diagram showing one embodiment of the method and equipment for co-producing methanol and methane according to the present invention.

原料ガスは、温度25℃で、二酸化炭素1mol/sと水素3.6mol/sの流量で逆シフト反応部1に供給する。逆シフト反応部1では、熱交換器311において、原料ガスを後述する逆シフト反応後のガスとの熱交換により350℃まで加熱する。次いで、逆シフト反応器312に通じて、逆シフト反応により二酸化炭素の一部が一酸化炭素に変換される。逆シフト反応により温度が低下したガスを、熱交換器313(熱供給部に相当)において、メタン化反応後のガスとの熱交換により520℃まで加熱する。次いで、逆シフト反応器314に通じて、さらに逆シフト反応を進行させて、一酸化炭素の割合をさらに高める(逆シフト反応工程)。逆シフト反応器314の出口ガスは、熱交換器315(=熱交換器311の高温側)で150℃まで原料ガスとの熱交換により冷却し、水分離部2に送る。 The raw material gas is supplied to the reverse shift reaction section 1 at a temperature of 25°C and a flow rate of 1 mol/s of carbon dioxide and 3.6 mol/s of hydrogen. In the reverse shift reaction section 1, the raw material gas is heated to 350°C in the heat exchanger 311 by heat exchange with the gas after the reverse shift reaction described below. Then, the raw material gas is passed to the reverse shift reactor 312, where a part of the carbon dioxide is converted to carbon monoxide by the reverse shift reaction. The gas whose temperature has been reduced by the reverse shift reaction is heated to 520°C in the heat exchanger 313 (corresponding to the heat supply section) by heat exchange with the gas after the methanation reaction. Then, the gas is passed to the reverse shift reactor 314, where the reverse shift reaction is further advanced to further increase the proportion of carbon monoxide (reverse shift reaction process). The outlet gas of the reverse shift reactor 314 is cooled to 150°C by heat exchange with the raw material gas in the heat exchanger 315 (= the high temperature side of the heat exchanger 311) and sent to the water separation section 2.

水分離部2では、逆シフト反応後のガスを、熱交換器321で冷却水を用いて40℃までさらに冷却する。冷却により凝縮した水は、気液分離ドラム322で、合成ガスから分離する(水分離工程)。 In the water separation section 2, the gas after the reverse shift reaction is further cooled to 40°C using cooling water in a heat exchanger 321. The water condensed by cooling is separated from the synthesis gas in a gas-liquid separation drum 322 (water separation process).

メタノール合成部3では、水分離部2で水分を分離した合成ガスを、熱交換器331で後述するメタノール合成反応後のガスとの熱交換により150℃まで加熱し、さらに熱交換器332で、後述するメタン化反応後のリサイクルガスとの熱交換により250℃まで加熱し、次いでメタノール合成反応器333に通じて、合成ガスからのメタノール合成を行う。メタン化反応後のリサイクルガスとの熱交換による250℃までの昇温は、必ずしも必要なものではない。通常のメタノール合成反応では、メタノール合成反応器出口ガスと入口ガスとの熱交換で、メタノール合成反応器入口ガスをメタノール合成反応の開始に必要な温度、例えば200℃程度まで予熱し、メタノール合成反応器内での反応及び熱交換により、徐々にメタノール合成反応に適切な温度まで温度上昇させていくことが一般的である。ただし、メタン化反応後のリサイクルガスとの熱交換により250℃まで昇温した方が、メタノール合成反応に適切な温度で速やかに反応が開始する点で有利である。 In the methanol synthesis section 3, the synthesis gas from which water has been separated in the water separation section 2 is heated to 150°C in the heat exchanger 331 by heat exchange with the gas after the methanol synthesis reaction described later, and further heated to 250°C in the heat exchanger 332 by heat exchange with the recycled gas after the methanation reaction described later, and then passed to the methanol synthesis reactor 333 to synthesize methanol from the synthesis gas. It is not necessarily necessary to raise the temperature to 250°C by heat exchange with the recycled gas after the methanation reaction. In a normal methanol synthesis reaction, the inlet gas of the methanol synthesis reactor is preheated to a temperature required to start the methanol synthesis reaction, for example, about 200°C, by heat exchange between the outlet gas and inlet gas of the methanol synthesis reactor, and the temperature is gradually raised to a temperature appropriate for the methanol synthesis reaction by reaction and heat exchange in the methanol synthesis reactor. However, it is advantageous to raise the temperature to 250°C by heat exchange with the recycled gas after the methanation reaction, in that the reaction starts quickly at a temperature appropriate for the methanol synthesis reaction.

メタノール合成反応器333は熱交換型反応器であり、メタノール合成反応により生成する発熱を除去しながら概ね250℃を保って反応が進行し、250℃の平衡組成までメタノール合成反応が進行する(メタノール合成工程)。発熱は高圧蒸気として回収される。メタノール合成反応後のガスは、熱交換器334(熱交換器331の高温側)で150℃まで熱回収して、メタノール分離部4に送られる。 The methanol synthesis reactor 333 is a heat exchange type reactor, in which the reaction proceeds while maintaining a temperature of approximately 250°C while removing the heat generated by the methanol synthesis reaction, and the methanol synthesis reaction proceeds to an equilibrium composition of 250°C (methanol synthesis process). The heat generated is recovered as high-pressure steam. The gas after the methanol synthesis reaction is heat-recovered to 150°C in the heat exchanger 334 (the high-temperature side of the heat exchanger 331) and sent to the methanol separation section 4.

メタノール分離部4では、メタノール合成反応後のガスから、熱交換器341で冷却水を用いて40℃まで冷却し、さらに冷凍機と熱交換器(図示せず)を用いて常温以下まで冷却し、気液分離ドラム342により、生成したメタノールを分離する(メタノール分離工程)。 In the methanol separation section 4, the gas after the methanol synthesis reaction is cooled to 40°C using cooling water in a heat exchanger 341, and further cooled to below room temperature using a refrigerator and a heat exchanger (not shown), and the produced methanol is separated in a gas-liquid separation drum 342 (methanol separation process).

メタン化反応部5では、メタノール分離部4でメタノールを分離した合成ガスの全量を、後述する熱交換器352の出口から分岐したガスと混合し250℃で、メタン化反応器351に通じて、合成ガスのメタン化反応を行う(メタン化反応工程)。メタン化反応器351は断熱型の反応器であり、メタン化の進行に伴い温度が上昇して、600℃の平衡組成までメタン化反応が進行する。熱交換器352は熱交換器313の高温側(放熱側)であって、メタン化反応後のガスは熱交換により479℃まで冷却され、72.3%がリサイクルコンプレッサー(図示せず)を用いて、リサイクルガスとして入口側に返送される。リサイクルガスは、まず熱交換器353(熱交換器332の高温側)でメタノール合成触媒入口側のガスとの熱交換により416℃まで冷却し、さらに熱交換器354で水との熱交換により、高圧蒸気として熱回収しながら、350℃まで冷却して、メタノールを分離した合成ガスに混合する。残る27.7%は、熱交換器355に通じて、高圧蒸気として熱回収しながら、250℃まで冷却して、メタン化反応器356に送られる。メタン化反応器356は熱交換型反応器であり、反応により生成する発熱を除去しながら概ね250℃を保って反応が進行し、250℃の平衡組成までメタン化反応が進行し、発熱は高圧蒸気として回収される。反応後のガスは、熱交換器357により、150℃まで熱回収して低圧蒸気を得たのち、さらに熱交換器358により冷却水で冷却して、気液分離ドラム359で水を分離することで、メタン主成分ガスが得られる。 In the methanation reaction section 5, the entire amount of the synthesis gas from which methanol has been separated in the methanol separation section 4 is mixed with the gas branched from the outlet of the heat exchanger 352 described later, and is passed through the methanation reactor 351 at 250°C to carry out the methanation reaction of the synthesis gas (methanation reaction process). The methanation reactor 351 is an adiabatic reactor, and the temperature rises as methanation progresses, and the methanation reaction proceeds up to an equilibrium composition of 600°C. The heat exchanger 352 is the high-temperature side (heat dissipation side) of the heat exchanger 313, and the gas after the methanation reaction is cooled to 479°C by heat exchange, and 72.3% is returned to the inlet side as recycled gas using a recycle compressor (not shown). The recycled gas is first cooled to 416°C by heat exchange with gas on the inlet side of the methanol synthesis catalyst in heat exchanger 353 (the high temperature side of heat exchanger 332), and further cooled to 350°C while recovering heat as high pressure steam by heat exchange with water in heat exchanger 354, and mixed with the synthesis gas from which methanol has been separated. The remaining 27.7% is passed through heat exchanger 355, where it is cooled to 250°C while recovering heat as high pressure steam, and sent to methanation reactor 356. Methanation reactor 356 is a heat exchange type reactor, in which the reaction proceeds while maintaining the temperature at approximately 250°C while removing heat generated by the reaction, and the methanation reaction proceeds until the equilibrium composition reaches 250°C, and the heat is recovered as high pressure steam. After the reaction, the gas is cooled to 150°C in heat exchanger 357 to obtain low-pressure steam, which is then further cooled with cooling water in heat exchanger 358. Water is separated in gas-liquid separation drum 359 to obtain methane-based gas.

プロセスの主要な箇所における、温度及び流量を表1に示す。 The temperatures and flow rates at key points in the process are shown in Table 1.

Figure 0007628399000001
Figure 0007628399000001

メタノール及びメタンの生産量は、それぞれ0.400mol/s、0.597mol/sであった。原料水素に対する生成物(メタノール及びメタン)の発熱量の比率は79.9%であった。また、生成したメタン主成分ガスの脱水後の組成は、メタン97.66%、水素1.86%、二酸化炭素0.48%であった。また、表1に示す通り、メタノール合成触媒の入口ガス量は4.118mol/sであった。メタノール合成触媒の設計触媒量をガス時間当たり空間速度(GHSV)毎時2000で設計する場合、166リットルのメタノール合成触媒が必要となり、メタノール合成触媒の単位体積当たりのメタノール生産量は、8.66mol[メタノール]/(h・L[触媒])となった。 The production rates of methanol and methane were 0.400 mol/s and 0.597 mol/s, respectively. The ratio of the calorific value of the products (methanol and methane) to the raw hydrogen was 79.9%. The composition of the main methane gas produced after dehydration was 97.66% methane, 1.86% hydrogen, and 0.48% carbon dioxide. As shown in Table 1, the inlet gas flow rate of the methanol synthesis catalyst was 4.118 mol/s. When the designed catalyst amount of the methanol synthesis catalyst is designed at a gas hourly space velocity (GHSV) of 2000 per hour, 166 liters of methanol synthesis catalyst are required, and the methanol production rate per unit volume of the methanol synthesis catalyst is 8.66 mol [methanol]/(h·L [catalyst]).

図4は、図3の構成から、逆シフト反応部1と水分離部2を省いた構成のプロセスフロー図であり、図3に対する比較例となっている。 Figure 4 is a process flow diagram of a configuration in which the reverse shift reaction section 1 and the water separation section 2 are omitted from the configuration of Figure 3, and is a comparative example to Figure 3.

原料ガスは、温度25℃で、二酸化炭素1mol/sと水素3.778mol/sの流量でメタノール合成部3に直接導入される。メタノール合成部3では、原料となる二酸化炭素と水素とを含むガスを、熱交換器431で後述するメタノール合成反応後のガスとの熱交換により150℃まで加熱し、さらに熱交換器432で、後述するメタン化反応後のリサイクルガスとの熱交換により250℃まで加熱し、次いでメタノール合成反応器433に通じて、合成ガスからのメタノール合成を行う。メタノール合成反応器433は熱交換型反応器であり、メタノール合成反応により生成する発熱を除去しながら概ね250℃を保って反応が進行し、250℃の平衡組成までメタノール合成反応が進行する。発熱は高圧蒸気として回収される。メタノール合成反応後のガスは、熱交換器434(熱交換器431の高温側)で150℃まで熱回収して、メタノール分離部4に送られる。 The raw gas is introduced directly into the methanol synthesis section 3 at a temperature of 25°C and a flow rate of 1 mol/s of carbon dioxide and 3.778 mol/s of hydrogen. In the methanol synthesis section 3, the gas containing the raw materials carbon dioxide and hydrogen is heated to 150°C by heat exchange with the gas after the methanol synthesis reaction described later in the heat exchanger 431, and further heated to 250°C by heat exchange with the recycled gas after the methanation reaction described later in the heat exchanger 432, and then passed to the methanol synthesis reactor 433 to synthesize methanol from the synthesis gas. The methanol synthesis reactor 433 is a heat exchange type reactor, and the reaction proceeds while maintaining approximately 250°C while removing the heat generated by the methanol synthesis reaction, and the methanol synthesis reaction proceeds to an equilibrium composition of 250°C. The heat is recovered as high-pressure steam. The gas after the methanol synthesis reaction is heat recovered to 150°C in the heat exchanger 434 (the high-temperature side of the heat exchanger 431) and sent to the methanol separation section 4.

メタノール分離部4では、メタノール合成反応後のガスから、熱交換器441で冷却水を用いて40℃まで冷却し、さらに冷凍機と熱交換器(図示せず)を用いて常温以下まで冷却し、気液分離ドラム442により、生成したメタノールを分離する。 In the methanol separation section 4, the gas after the methanol synthesis reaction is cooled to 40°C using cooling water in a heat exchanger 441, and further cooled to below room temperature using a refrigerator and a heat exchanger (not shown), and the produced methanol is separated in a gas-liquid separation drum 442.

メタン化反応部5では、メタノール分離部4でメタノールを分離した合成ガスを、後述する熱交換器452の出口から分岐したガスと混合し250℃で、メタン化反応器451に通じて、合成ガスのメタン化反応を行う。メタン化反応器451は断熱型の反応器であり、メタン化の進行に伴い温度が上昇して、579℃の平衡組成までメタン化反応が進行する。熱交換器452では、高圧蒸気として熱回収しながら489℃まで冷却され、72.3%がリサイクルコンプレッサー(図示せず)を用いて、リサイクルガスとして入口側に返送される。リサイクルガスは、まず熱交換器453(熱交換器432の高温側)でメタノール合成触媒入口側のガスとの熱交換により433℃まで冷却し、さらに熱交換器354で水との熱交換により、高圧蒸気として熱回収しながら、350℃まで冷却して、メタノールを分離した合成ガスに混合する。残る27.7%は、熱交換器455に通じて、高圧蒸気として熱回収しながら、250℃まで冷却して、メタン化反応器456に送られる。メタン化反応器456は熱交換型反応器であり、反応により生成する発熱を除去しながら概ね250℃を保って反応が進行し、250℃の平衡組成までメタン化反応が進行し、発熱は高圧蒸気として回収される。反応後のガスは、熱交換器457により、150℃まで熱回収して低圧蒸気を得たのち、さらに熱交換器458により冷却水で冷却して、気液分離ドラム459で水を分離することで、メタン主成分ガスが得られる。 In the methanation reaction section 5, the synthesis gas from which methanol has been separated in the methanol separation section 4 is mixed with the gas branched from the outlet of the heat exchanger 452 described later, and is passed through the methanation reactor 451 at 250 ° C to carry out the methanation reaction of the synthesis gas. The methanation reactor 451 is an adiabatic reactor, and the temperature rises as the methanation proceeds, and the methanation reaction proceeds to an equilibrium composition of 579 ° C. In the heat exchanger 452, the gas is cooled to 489 ° C while recovering heat as high-pressure steam, and 72.3% is returned to the inlet side as recycled gas using a recycle compressor (not shown). The recycled gas is first cooled to 433 ° C by heat exchange with the gas on the inlet side of the methanol synthesis catalyst in the heat exchanger 453 (the high-temperature side of the heat exchanger 432), and then cooled to 350 ° C while recovering heat as high-pressure steam in the heat exchanger 354, and mixed with the synthesis gas from which methanol has been separated. The remaining 27.7% is passed through a heat exchanger 455, where it is cooled to 250°C while recovering heat as high-pressure steam, and sent to a methanation reactor 456. The methanation reactor 456 is a heat exchange type reactor in which the reaction proceeds at approximately 250°C while removing the heat generated by the reaction, and the methanation reaction proceeds to an equilibrium composition of 250°C, and the heat is recovered as high-pressure steam. The gas after the reaction is cooled to 150°C by a heat exchanger 457 to obtain low-pressure steam, and is further cooled with cooling water by a heat exchanger 458, and the water is separated in a gas-liquid separation drum 459 to obtain a gas that is mainly composed of methane.

プロセスの主要な部位における、温度及び流量を表2に示す。 The temperatures and flow rates at key points in the process are shown in Table 2.

Figure 0007628399000002
Figure 0007628399000002

メタノール及びメタンの生産量は、それぞれ0.222mol/s、0.774mol/sであった。原料水素発熱量に対する生成物(メタノール及びメタン)の発熱量の比率は78.7%であった。また、生成したメタン主成分ガスの脱水後の組成は、メタン97.52%、水素1.98%、二酸化炭素0.50%であった。また、表2に示す通り、メタノール合成触媒の入口ガス量は4.778mol/sであった。メタノール合成触媒の設計触媒量をガス時間当たり空間速度(GHSV)毎時2000で設計する場合、193リットルのメタノール合成触媒が必要となり、メタノール合成触媒の単位体積当たりのメタノール生産量は、4.15mol[メタノール]/(h・L[触媒])となった。 The production rates of methanol and methane were 0.222 mol/s and 0.774 mol/s, respectively. The ratio of the calorific value of the product (methanol and methane) to the calorific value of the raw hydrogen was 78.7%. The composition of the main methane gas produced after dehydration was 97.52% methane, 1.98% hydrogen, and 0.50% carbon dioxide. As shown in Table 2, the inlet gas flow rate of the methanol synthesis catalyst was 4.778 mol/s. When the designed catalyst amount of the methanol synthesis catalyst is designed at a gas hourly space velocity (GHSV) of 2000 per hour, 193 liters of methanol synthesis catalyst are required, and the methanol production rate per unit volume of the methanol synthesis catalyst is 4.15 mol [methanol]/(h·L [catalyst]).

図4の構成では、図3の構成と比較して、メタノール合成触媒の単位体積当たりのメタノール収量が小さく、メタノール及びメタンの併産プロセスとして経済性が劣ることが明らかである。加えて、メタン化により製造されるメタン主成分ガスに含まれる水素及び二酸化炭素の濃度が高い、すなわちメタンの純度が低い。 Compared to the configuration in Figure 3, the configuration in Figure 4 has a smaller methanol yield per unit volume of the methanol synthesis catalyst, and is clearly less economical as a process for simultaneously producing methanol and methane. In addition, the concentrations of hydrogen and carbon dioxide contained in the main component gas of methane produced by methanation are high, i.e., the purity of methane is low.

図5は、本発明のメタノール及びメタンの併産方法並びに併産設備の別の一態様を示すプロセスフロー図である。 Figure 5 is a process flow diagram showing another embodiment of the method and equipment for co-producing methanol and methane according to the present invention.

メタノール合成用の原料ガスは、温度25℃で、二酸化炭素1mol/sと水素3mol/sの流量で逆シフト反応部1に供給する。逆シフト反応部1では、熱交換器511において、原料ガスを後述する逆シフト反応後のガスとの熱交換により350℃まで加熱する。次いで、逆シフト反応器512に通じて、逆シフト反応により二酸化炭素の一部が一酸化炭素に変換される。逆シフト反応により温度が低下したガスを、熱交換器513(熱供給部に相当)において、メタン化反応後のガスとの熱交換により520℃まで加熱する。次いで、逆シフト反応器514に通じて、さらに逆シフト反応を進行させて、一酸化炭素の割合をさらに高める(逆シフト反応工程)。逆シフト反応器514の出口ガスは、熱交換器515(=熱交換器511の高温側)で150℃まで原料ガスとの熱交換により冷却し、水分離部2に送る。 The raw gas for methanol synthesis is supplied to the reverse shift reaction section 1 at a temperature of 25°C and a flow rate of 1 mol/s of carbon dioxide and 3 mol/s of hydrogen. In the reverse shift reaction section 1, the raw gas is heated to 350°C in the heat exchanger 511 by heat exchange with the gas after the reverse shift reaction described below. Then, the raw gas is passed to the reverse shift reactor 512, where a part of the carbon dioxide is converted to carbon monoxide by the reverse shift reaction. The gas whose temperature has been reduced by the reverse shift reaction is heated to 520°C in the heat exchanger 513 (corresponding to the heat supply section) by heat exchange with the gas after the methanation reaction. Then, the gas is passed to the reverse shift reactor 514, where the reverse shift reaction is further advanced to further increase the proportion of carbon monoxide (reverse shift reaction process). The outlet gas of the reverse shift reactor 514 is cooled to 150°C by heat exchange with the raw gas in the heat exchanger 515 (= the high temperature side of the heat exchanger 511) and sent to the water separation section 2.

水分離部2では、逆シフト反応後のガスを、熱交換器521で冷却水を用いて40℃までさらに冷却する。冷却により凝縮した水は、気液分離ドラム522で、合成ガスから分離する(水分離工程)。 In the water separation section 2, the gas after the reverse shift reaction is further cooled to 40°C using cooling water in a heat exchanger 521. The water condensed by cooling is separated from the synthesis gas in a gas-liquid separation drum 522 (water separation process).

メタノール合成部3では、水分離部2で水分を分離した合成ガスを、熱交換器531で後述するメタノール合成反応後のガスとの熱交換により150℃まで加熱し、さらに熱交換器532で、後述するメタン化反応後のリサイクルガスとの熱交換により250℃まで加熱し、次いでメタノール合成反応器533に通じて、合成ガスからのメタノール合成を行う。メタノール合成反応器533は熱交換型反応器であり、メタノール合成反応により生成する発熱を除去しながら概ね250℃を保って反応が進行し、250℃の平衡組成までメタノール合成反応が進行する(メタノール合成工程)。発熱は高圧蒸気として回収される。メタノール合成反応後のガスは、熱交換器534(熱交換器531の高温側)で150℃まで熱回収して、メタノール分離部4に送られる。 In the methanol synthesis section 3, the synthesis gas from which water has been separated in the water separation section 2 is heated to 150°C in the heat exchanger 531 by heat exchange with the gas after the methanol synthesis reaction described later, and further heated to 250°C in the heat exchanger 532 by heat exchange with the recycled gas after the methanation reaction described later, and then passed to the methanol synthesis reactor 533 to synthesize methanol from the synthesis gas. The methanol synthesis reactor 533 is a heat exchange type reactor, and the reaction proceeds while maintaining approximately 250°C while removing the heat generated by the methanol synthesis reaction, and the methanol synthesis reaction proceeds to an equilibrium composition of 250°C (methanol synthesis process). The heat is recovered as high-pressure steam. The gas after the methanol synthesis reaction is heat recovered to 150°C in the heat exchanger 534 (the high-temperature side of the heat exchanger 531) and sent to the methanol separation section 4.

メタノール分離部4では、メタノール合成反応後のガスから、熱交換器541で冷却水を用いて40℃まで冷却し、冷凍機と熱交換器(図示せず)を用いて常温以下まで冷却し、気液分離ドラム542により、生成したメタノールを分離する(メタノール分離工程)。メタノール分離部4でメタノールを分離した合成ガスは、流量調整部543において、体積基準で1%がパージガスとして系外に抜き出され、残部がリサイクルコンプレッサー(図示せず)を用いて、逆シフト反応部入口に返送される。 In the methanol separation section 4, the gas after the methanol synthesis reaction is cooled to 40°C using cooling water in a heat exchanger 541, and then cooled to room temperature or below using a refrigerator and a heat exchanger (not shown), and the produced methanol is separated in a gas-liquid separation drum 542 (methanol separation process). 1% by volume of the synthesis gas from which methanol has been separated in the methanol separation section 4 is extracted to the outside of the system as purge gas in a flow rate adjustment section 543, and the remainder is returned to the inlet of the reverse shift reaction section using a recycle compressor (not shown).

メタン化反応用の原料ガスは、温度25℃で、二酸化炭素1mol/sと水素4mol/sの流量でメタン化反応部5に供給される。原料ガスは、熱交換器551において、後述するメタン化反応後のガスとの熱交換により250℃まで加熱され、さらに後述する熱交換器556の出口から分岐したガスと混合して、250℃でメタン化反応器552に導入される。メタン化反応器552は断熱型の反応器であり、メタン化の進行に伴い温度が上昇して、600℃の平衡組成までメタン化反応が進行する(メタン化反応工程)。熱交換器553は熱交換器513の高温側(放熱側)であって、メタン化反応後のガスは熱交換により454℃まで冷却される。次いで導入される熱交換器554は熱交換器532の高温側(放熱側)であって、メタン化後のガスは熱交換により385℃までさらに冷却される。次の熱交換器555は熱交換器551の高温側(放熱側)であって、原料ガスとの熱交換により298℃までさらに冷却される。次の熱交換器556で、高圧蒸気として熱回収しながら、メタン化後のガスは250℃まで冷却される。冷却後のガスの67.6%はリサイクルコンプレッサー(図示せず)を用いて、リサイクルガスとして入口側に返送される。残る32.4%は、メタン化反応器557に送られる。メタン化反応器557は熱交換型反応器であり、反応により生成する発熱を除去しながら概ね250℃を保って反応が進行し、250℃の平衡組成までメタン化反応が進行し、発熱は高圧蒸気として回収される。反応後のガスは、熱交換器558により、150℃まで熱回収して低圧蒸気を得たのち、さらに熱交換器559により、冷却水で冷却して、気液分離ドラム560で水を分離することで、メタン主成分ガスが得られる。 The raw gas for the methanation reaction is supplied to the methanation reaction section 5 at a temperature of 25°C and a flow rate of 1 mol/s of carbon dioxide and 4 mol/s of hydrogen. The raw gas is heated to 250°C in the heat exchanger 551 by heat exchange with the gas after the methanation reaction described later, and is further mixed with the gas branched from the outlet of the heat exchanger 556 described later and introduced into the methanation reactor 552 at 250°C. The methanation reactor 552 is an adiabatic reactor, and the temperature rises as the methanation proceeds, and the methanation reaction proceeds to an equilibrium composition of 600°C (methanation reaction process). The heat exchanger 553 is the high-temperature side (heat dissipation side) of the heat exchanger 513, and the gas after the methanation reaction is cooled to 454°C by heat exchange. The next heat exchanger 554 is the high-temperature side (heat dissipation side) of the heat exchanger 532, and the gas after the methanation is further cooled to 385°C by heat exchange. The next heat exchanger 555 is the high temperature side (heat dissipation side) of the heat exchanger 551, and is further cooled to 298°C by heat exchange with the raw material gas. In the next heat exchanger 556, the gas after methanation is cooled to 250°C while recovering heat as high pressure steam. 67.6% of the cooled gas is returned to the inlet side as recycled gas using a recycle compressor (not shown). The remaining 32.4% is sent to the methanation reactor 557. The methanation reactor 557 is a heat exchange type reactor, and the reaction proceeds while maintaining approximately 250°C while removing heat generated by the reaction, and the methanation reaction proceeds to an equilibrium composition of 250°C, and the heat is recovered as high pressure steam. The gas after the reaction is heat recovered to 150°C by the heat exchanger 558 to obtain low pressure steam, and is further cooled with cooling water by the heat exchanger 559, and water is separated in the gas-liquid separation drum 560 to obtain methane-based gas.

メタノール合成反応器533の入口及び出口における、温度及び流量を表3に示す。 The temperature and flow rate at the inlet and outlet of the methanol synthesis reactor 533 are shown in Table 3.

Figure 0007628399000003
Figure 0007628399000003

メタノール及びメタンの生産量は、それぞれ0.983mol/s、0.995mol/sであった。原料水素の発熱量に対する生成物(メタノール及びメタン)の発熱量の比率は79.9%であった。また、生成したメタン主成分ガスの脱水後の組成は、メタン97.44%、水素2.05%、二酸化炭素0.51%であった。また、表3に示す通り、メタノール合成触媒の入口ガス量は9.261mol/sであった。メタノール合成触媒の設計触媒量をガス時間当たり空間速度(GHSV)毎時2000で設計する場合、374リットルのメタノール合成触媒が必要となり、メタノール合成触媒の単位体積当たりのメタノール生産量は、9.48mol[メタノール]/(h・L[触媒])となった。 The production rates of methanol and methane were 0.983 mol/s and 0.995 mol/s, respectively. The ratio of the calorific value of the product (methanol and methane) to the calorific value of the raw hydrogen was 79.9%. The composition of the main methane gas produced after dehydration was 97.44% methane, 2.05% hydrogen, and 0.51% carbon dioxide. As shown in Table 3, the inlet gas flow rate of the methanol synthesis catalyst was 9.261 mol/s. When the designed catalyst amount of the methanol synthesis catalyst is designed at a gas hourly space velocity (GHSV) of 2000 per hour, 374 liters of methanol synthesis catalyst are required, and the methanol production rate per unit volume of the methanol synthesis catalyst is 9.48 mol [methanol]/(h·L [catalyst]).

なお、図5の構成において、メタノール分離後のパージガスをメタン化の原料に混合した場合、メタン主成分ガスの脱水後の組成は同等で、メタンの生産量は1.011mol/sに増加した。ただし、メタン化反応用の原料ガスの流量は4.017mol/sに調整することが必要であった。この条件では、原料水素の発熱量に対する生成物(メタノール及びメタン)の発熱量の比率は80.5%に向上した。これはパージガスがメタン化原料として利用されたことによる。 In the configuration of Figure 5, when the purge gas after methanol separation was mixed with the raw material for methanation, the composition of the methane-based gas after dehydration was the same, and the methane production rate increased to 1.011 mol/s. However, it was necessary to adjust the flow rate of the raw gas for the methanation reaction to 4.017 mol/s. Under these conditions, the ratio of the calorific value of the products (methanol and methane) to the calorific value of the raw hydrogen increased to 80.5%. This is because the purge gas was used as the raw material for methanation.

図6は、図5の構成から、逆シフト反応部1と水分離部2を省いた構成のプロセスフロー図であり、図5に対する比較例となっている。 Figure 6 is a process flow diagram of a configuration in which the reverse shift reaction section 1 and the water separation section 2 are omitted from the configuration of Figure 5, and is a comparative example to Figure 5.

メタノール合成用の原料ガスは、温度25℃で、二酸化炭素1mol/sと水素3mol/sの流量でメタノール合成部3に供給する。
メタノール合成部3では、熱交換器631で後述するメタノール合成反応後のガスとの熱交換により150℃まで加熱し、さらに熱交換器632で、後述するメタン化反応後のリサイクルガスとの熱交換により250℃まで加熱し、次いでメタノール合成反応器633に通じて、合成ガスからのメタノール合成を行う。メタノール合成反応器633は熱交換型反応器であり、メタノール合成反応により生成する発熱を除去しながら概ね250℃を保って反応が進行し、250℃の平衡組成までメタノール合成反応が進行する。発熱は高圧蒸気として回収される。メタノール合成反応後のガスは、熱交換器634(熱交換器531の高温側)で150℃まで熱回収して、メタノール分離部4に送られる。
The raw material gas for methanol synthesis is supplied to the methanol synthesis section 3 at a temperature of 25° C. and at flow rates of carbon dioxide 1 mol/s and hydrogen 3 mol/s.
In the methanol synthesis section 3, the gas is heated to 150°C by heat exchange with the gas after the methanol synthesis reaction described later in the heat exchanger 631, and further heated to 250°C by heat exchange with the recycled gas after the methanation reaction described later in the heat exchanger 632, and then passed to the methanol synthesis reactor 633 to synthesize methanol from the synthesis gas. The methanol synthesis reactor 633 is a heat exchange type reactor, and the reaction proceeds while maintaining approximately 250°C while removing the heat generated by the methanol synthesis reaction, and the methanol synthesis reaction proceeds to an equilibrium composition of 250°C. The heat is recovered as high-pressure steam. The gas after the methanol synthesis reaction is heat recovered to 150°C in the heat exchanger 634 (the high-temperature side of the heat exchanger 531) and sent to the methanol separation section 4.

メタノール分離部4では、メタノール合成反応後のガスから、熱交換器641で冷却水を用いて40℃まで冷却し、冷凍機と熱交換器(図示せず)を用いて常温以下まで冷却し、気液分離ドラム642により、生成したメタノールを分離する。メタノール分離部4でメタノールを分離した合成ガスは、流量調整部643において、体積基準で1%がパージガスとして系外に抜き出され、残部がリサイクルコンプレッサー(図示せず)を用いて、逆シフト反応部入口に返送される。 In the methanol separation section 4, the gas after the methanol synthesis reaction is cooled to 40°C using cooling water in a heat exchanger 641, and then cooled to room temperature or below using a refrigerator and a heat exchanger (not shown), and the produced methanol is separated in a gas-liquid separation drum 642. Of the synthesis gas from which methanol has been separated in the methanol separation section 4, 1% by volume is extracted to the outside of the system as purge gas in a flow rate adjustment section 643, and the remainder is returned to the inlet of the reverse shift reaction section using a recycle compressor (not shown).

メタン化反応用の原料ガスは、温度25℃で、二酸化炭素1mol/sと水素4mol/sの流量でメタン化反応部5に供給される。原料ガスは、熱交換器651において、後述するメタン化反応後のガスとの熱交換により250℃まで加熱され、さらに後述する熱交換器655の出口から分岐したガスと混合して、250℃でメタン化反応器652に導入される。メタン化反応器652は断熱型の反応器であり、メタン化の進行に伴い温度が上昇して、600℃の平衡組成までメタン化反応が進行する。熱交換器653は熱交換器632の高温側(放熱側)であって、メタン化反応後のガスは熱交換により470℃まで冷却される。次の熱交換器654は熱交換器651の高温側(放熱側)であって、原料ガスとの熱交換により386℃までさらに冷却される。次の熱交換器655で、高圧蒸気として熱回収しながら、メタン化後のガスは250℃まで冷却される。冷却後のガスの67.6%はリサイクルコンプレッサー(図示せず)を用いて、リサイクルガスとして入口側に返送される。残る32.4%は、メタン化反応器656に送られる。メタン化反応器656は熱交換型反応器であり、反応により生成する発熱を除去しながら概ね250℃を保って反応が進行し、250℃の平衡組成までメタン化反応が進行し、発熱は高圧蒸気として回収される。反応後のガスは、熱交換器657により、150℃まで熱回収して低圧蒸気を得たのち、さらに熱交換器658により、冷却水で冷却して、気液分離ドラム659で水を分離することで、メタン主成分ガスが得られる。 The raw gas for the methanation reaction is supplied to the methanation reaction section 5 at a temperature of 25°C and a flow rate of 1 mol/s of carbon dioxide and 4 mol/s of hydrogen. The raw gas is heated to 250°C in the heat exchanger 651 by heat exchange with the gas after the methanation reaction described later, and is further mixed with the gas branched from the outlet of the heat exchanger 655 described later and introduced into the methanation reactor 652 at 250°C. The methanation reactor 652 is an adiabatic reactor, and the temperature rises as the methanation proceeds, and the methanation reaction proceeds to an equilibrium composition of 600°C. The heat exchanger 653 is the high-temperature side (heat dissipation side) of the heat exchanger 632, and the gas after the methanation reaction is cooled to 470°C by heat exchange. The next heat exchanger 654 is the high-temperature side (heat dissipation side) of the heat exchanger 651, and is further cooled to 386°C by heat exchange with the raw gas. In the next heat exchanger 655, the gas after methanation is cooled to 250°C while recovering heat as high-pressure steam. 67.6% of the cooled gas is returned to the inlet side as recycled gas using a recycle compressor (not shown). The remaining 32.4% is sent to the methanation reactor 656. The methanation reactor 656 is a heat exchange type reactor in which the reaction proceeds while maintaining approximately 250°C while removing the heat generated by the reaction, and the methanation reaction proceeds to an equilibrium composition of 250°C, and the heat is recovered as high-pressure steam. The gas after the reaction is cooled to 150°C by heat exchanger 657 to obtain low-pressure steam, and then further cooled with cooling water by heat exchanger 658, and water is separated in gas-liquid separation drum 659 to obtain methane-based gas.

メタノール合成反応器633の入口及び出口における、温度及び流量を表4に示す。 The temperature and flow rate at the inlet and outlet of the methanol synthesis reactor 633 are shown in Table 4.

Figure 0007628399000004
Figure 0007628399000004

メタノール及びメタンの生産量は、それぞれ0.964mol/s、0.995mol/sであった。原料水素の発熱量に対する生成物(メタノール及びメタン)の発熱量の比率は79.2%であった。図5の構成における比率(79.9%)よりも低くなった理由は、メタノール合成工程における単通転化率が低下して、リサイクルガスとして循環される割合が高くなり、パージガス量が増加したためと考えられる。生成したメタン主成分ガスの脱水後の組成は、メタン97.44%、水素2.05%、二酸化炭素0.51%であった。また、表4に示す通り、メタノール合成触媒の入口ガス量は17.85mol/sであった。メタノール合成触媒の設計触媒量をガス時間当たり空間速度(GHSV)毎時2000で設計する場合、720リットルのメタノール合成触媒が必要となり、メタノール合成触媒の単位体積当たりのメタノール生産量は、4.82mol[メタノール]/(h・L[触媒])となった。図5の構成と比較すると、メタノール合成触媒の単位体積当たりのメタノール生産量は半減した。 The production rates of methanol and methane were 0.964 mol/s and 0.995 mol/s, respectively. The ratio of the calorific value of the product (methanol and methane) to the calorific value of the raw hydrogen was 79.2%. The reason that the ratio was lower than the ratio (79.9%) in the configuration of Figure 5 is thought to be that the single-pass conversion rate in the methanol synthesis process decreased, the proportion of the gas circulated as recycled gas increased, and the amount of purge gas increased. The composition of the generated methane-based gas after dehydration was 97.44% methane, 2.05% hydrogen, and 0.51% carbon dioxide. In addition, as shown in Table 4, the inlet gas volume of the methanol synthesis catalyst was 17.85 mol/s. When the designed catalyst volume of the methanol synthesis catalyst is designed at a gas hourly space velocity (GHSV) of 2000 per hour, 720 liters of methanol synthesis catalyst are required, and the methanol production volume per unit volume of the methanol synthesis catalyst is 4.82 mol [methanol]/(h·L [catalyst]). Compared to the configuration in Figure 5, the amount of methanol produced per unit volume of the methanol synthesis catalyst was halved.

表3及び表4のメタノール合成触媒の入口及び出口のガス組成から、メタノール合成の単通転化率を比較すると、図5の構成では38%、図6の構成では21%となっている。逆シフト反応工程を設けた図5の構成では、メタノール合成触媒の入口の一酸化炭素と二酸化炭素の組成比がおよそ1:1となっており、高い単通転化率につながったものと考えられる。一方、図6の構成では、メタノール合成触媒の入口の一酸化炭素と二酸化炭素の組成比がおよそ1:10となって、CO:H=1:3のガスをメタノール合成反応に供した時の平衡転化率(約20%)とほぼ変わらない、低い単通転化率にとどまったものと考えられる。 Comparing the single-pass conversion of methanol synthesis from the gas compositions at the inlet and outlet of the methanol synthesis catalyst in Tables 3 and 4, the configuration in Figure 5 shows 38% and the configuration in Figure 6 shows 21%. In the configuration in Figure 5, which includes a reverse shift reaction step, the composition ratio of carbon monoxide and carbon dioxide at the inlet of the methanol synthesis catalyst is approximately 1:1, which is considered to have led to a high single-pass conversion. On the other hand, in the configuration in Figure 6, the composition ratio of carbon monoxide and carbon dioxide at the inlet of the methanol synthesis catalyst is approximately 1:10, which is considered to have led to a low single-pass conversion rate that is almost the same as the equilibrium conversion rate (approximately 20%) when a gas with a CO 2 :H 2 = 1:3 ratio is subjected to the methanol synthesis reaction.

そして、逆シフト反応工程を設けることで、メタノール合成工程における単通転化率が大きく向上した結果として、メタノール合成触媒の単位体積当たりのメタノール生産量が向上するとともに、未反応ガスのリサイクル量が低減し、パージガス量が低減したことから、原料水素の発熱量に対する生成物(メタノール及びメタン)の発熱量の比率が向上したと考えられる。 The introduction of the reverse shift reaction process significantly improved the single-pass conversion rate in the methanol synthesis process, which resulted in an increase in the amount of methanol produced per unit volume of the methanol synthesis catalyst, a reduction in the amount of unreacted gas recycled, and a reduction in the amount of purge gas. This is believed to have improved the ratio of the calorific value of the products (methanol and methane) to the calorific value of the feed hydrogen.

〔別実施形態〕
〔1〕上記の実施形態では、メタノール合成工程での反応圧力とメタン化反応工程での反応圧力とを同一(5MPa)とした例について特に説明した。しかし、本発明に係るメタノール合成工程及びメタン化反応工程において、圧力は同一であってもよいし、異なっていてもよい。
[Another embodiment]
[1] In the above embodiment, the reaction pressure in the methanol synthesis step and the reaction pressure in the methanation reaction step are the same (5 MPa). However, in the methanol synthesis step and the methanation reaction step according to the present invention, the pressures may be the same or different.

〔2〕図1及び図3に示した態様では、流量調整部を設けず、メタノール分離部4でメタノールを分離した合成ガスの全量をメタン化反応部5に供給するようにしたが、これに限られるものではない。流量調整部を設けた上で、メタノール分離部4でメタノールを分離した合成ガスの一部をパージガスとして系外に抜き出し、残部をメタン化反応部5に供給するようにしてもよいし、合成ガスの全量をメタン化反応部5に供給するようにしてもよい。 [2] In the embodiment shown in Figs. 1 and 3, no flow rate adjustment unit is provided, and the entire amount of the synthesis gas from which methanol has been separated in the methanol separation unit 4 is supplied to the methanation reaction unit 5, but this is not limited to the above. A flow rate adjustment unit may be provided, and a portion of the synthesis gas from which methanol has been separated in the methanol separation unit 4 may be extracted to the outside of the system as a purge gas, and the remainder may be supplied to the methanation reaction unit 5, or the entire amount of the synthesis gas may be supplied to the methanation reaction unit 5.

〔3〕図2に示した態様では、流量調整部7が、逆シフト反応部1に返送する合成ガス量とメタン化反応部5に供給する合成ガス量とを任意で調整可能な構成を採用し、メタノール分離部4でメタノールを分離した後の合成ガスが流量調整部7を経由し、合成ガスの大部分が逆シフト反応部1の入口に返送され、残部が別途用意された原料ガス(水素及び二酸化炭素)に混合されてメタン化反応工程の原料として用いられるようにしたが、これに限られるものではない。流量調整部7は、逆シフト反応部1に返送する合成ガス量、メタン化反応部5に供給する合成ガス量、及びパージガスとして系外に排出する合成ガス量を任意で調整可能に構成されていてもよく、この場合、例えば、メタノールを分離した後の合成ガスのうち、所定量を逆シフト反応部1の入口へ返送し、同じく所定量をメタン化反応部5へ供給し、所定量をパージガスとして系外に排出するようにしてもよい。 [3] In the embodiment shown in FIG. 2, the flow rate adjustment unit 7 is configured to be able to arbitrarily adjust the amount of synthesis gas returned to the reverse shift reaction unit 1 and the amount of synthesis gas supplied to the methanation reaction unit 5, and the synthesis gas after methanol separation in the methanol separation unit 4 passes through the flow rate adjustment unit 7, and most of the synthesis gas is returned to the inlet of the reverse shift reaction unit 1, and the remainder is mixed with a separately prepared raw material gas (hydrogen and carbon dioxide) and used as a raw material for the methanation reaction process, but this is not limited to this. The flow rate adjustment unit 7 may be configured to arbitrarily adjust the amount of synthesis gas returned to the reverse shift reaction unit 1, the amount of synthesis gas supplied to the methanation reaction unit 5, and the amount of synthesis gas discharged outside the system as a purge gas. In this case, for example, a predetermined amount of the synthesis gas after methanol separation may be returned to the inlet of the reverse shift reaction unit 1, a predetermined amount may be supplied to the methanation reaction unit 5, and a predetermined amount may be discharged outside the system as a purge gas.

〔4〕図5に示した態様では、流量調整部543を設け、メタノール分離部4でメタノールを分離した合成ガスの一部をパージガスとして系外に抜き出し、残部を逆シフト反応部1の入口に返送するようにしたが、これに限られるものではない。例えば、メタノールを分離した合成ガスの全量を逆シフト反応部1の入口に返送するようにしてもよいし、流量調整部を設けない構成を採用した上で、合成ガスの全量を逆シフト反応部1の入口に返送するようにしてもよい。 [4] In the embodiment shown in FIG. 5, a flow rate adjustment unit 543 is provided, and a portion of the synthesis gas from which methanol has been separated in the methanol separation unit 4 is extracted to the outside of the system as a purge gas, and the remainder is returned to the inlet of the reverse shift reaction unit 1. However, this is not limited to this. For example, the entire amount of the synthesis gas from which methanol has been separated may be returned to the inlet of the reverse shift reaction unit 1, or a configuration may be adopted in which no flow rate adjustment unit is provided, and the entire amount of the synthesis gas may be returned to the inlet of the reverse shift reaction unit 1.

上記実施形態(別実施形態を含む)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。 The configurations disclosed in the above embodiments (including other embodiments) can be applied in combination with configurations disclosed in other embodiments, provided no contradictions arise. Furthermore, the embodiments disclosed in this specification are merely examples, and the present invention is not limited thereto, and can be modified as appropriate within the scope of the purpose of the present invention.

本発明は、たとえば、都市ガス原料となるメタン主成分ガスと化学品あるいは液体燃料として利用できるメタノールを製造する方法及び設備として利用することができる。 The present invention can be used, for example, as a method and equipment for producing methane-based gas, which is a raw material for city gas, and methanol, which can be used as a chemical product or liquid fuel.

1 逆シフト反応部
2 水分離部
3 メタノール合成部
4 メタノール分離部
5 メタン化反応部
6 熱供給部
7 流量調整部
312,314,512,514 逆シフト反応器
333,533 メタノール合成反応器
351,552 メタン化反応器(断熱型)
356,557 メタン化反応器(熱交換型)
Reference Signs List 1 Reverse shift reaction section 2 Water separation section 3 Methanol synthesis section 4 Methanol separation section 5 Methanation reaction section 6 Heat supply section 7 Flow rate adjustment section 312, 314, 512, 514 Reverse shift reactor 333, 533 Methanol synthesis reactor 351, 552 Methanation reactor (adiabatic type)
356, 557 Methanation reactor (heat exchange type)

Claims (5)

水素と二酸化炭素とから、メタノール及びメタンを併産する方法であって、
(a)水素と二酸化炭素とを含む原料ガスから逆シフト反応によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気を含む合成ガスを得る工程と、
(b)合成ガスを冷却して水を分離する工程と、
(c)水を分離した合成ガスをメタノール合成触媒に通じてメタノールを合成する工程と、
(d)工程(c)で得たガスを冷却して、メタノールを分離する工程と、
(e)水素と二酸化炭素とを含む原料ガスをメタン化触媒に通じてメタンを合成する工程と、を備え、
工程(d)で得たメタノールを分離した合成ガスの少なくとも一部が工程(e)におけるメタン化反応の原料ガスとして用いられ、
工程(e)は工程(d)の後段でのみ行われ、
工程(e)で生じた反応熱を熱交換器を介して工程(a)の熱源として用いるメタノール及びメタンの併産方法。
A process for co-producing methanol and methane from hydrogen and carbon dioxide, comprising the steps of:
(a) obtaining a synthesis gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and water vapor from a raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide by a reverse shift reaction;
(b) cooling the synthesis gas to separate water;
(c) passing the synthesis gas from which water has been separated through a methanol synthesis catalyst to synthesize methanol;
(d) cooling the gas obtained in step (c) to separate methanol;
(e) passing a raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide through a methanation catalyst to synthesize methane;
At least a part of the synthesis gas from which methanol has been separated in the step (d) is used as a raw material gas for the methanation reaction in the step (e);
Step (e) is carried out only after step (d);
A method for co-producing methanol and methane, comprising using the reaction heat generated in step (e) as a heat source for step (a) via a heat exchanger.
工程(d)で得たメタノールを分離した合成ガスの少なくとも一部が工程(a)における逆シフト反応の原料ガスに混合して用いられる請求項1に記載のメタノール及びメタンの併産方法。 The method for co-producing methanol and methane according to claim 1, wherein at least a portion of the synthesis gas obtained in step (d) from which methanol has been separated is mixed with the feed gas for the reverse shift reaction in step (a). 水素と二酸化炭素とから、メタノール及びメタンを併産する設備であって、
水素と二酸化炭素とを含む原料ガスから逆シフト反応によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気を含む合成ガスを得る逆シフト反応部と、
合成ガスを冷却して水を分離する水分離部と、
水を分離した合成ガスをメタノール合成触媒に通じてメタノールを合成するメタノール合成部と、
メタノール合成部から送出されたガスを冷却して、メタノールを分離するメタノール分離部と、
水素と二酸化炭素とを含む原料ガスをメタン化触媒に通じてメタンを合成するメタン化反応部と、
メタン化反応部で生じた反応熱を逆シフト反応部に熱交換器を介して供給する熱供給部とを備え、
メタノール分離部から送出された合成ガスの少なくとも一部をメタン化反応部に原料ガスとして供給するように構成され、メタン化反応部はメタノール分離部の後段にのみ配置されているメタノール及びメタンの併産設備。
A facility for co-producing methanol and methane from hydrogen and carbon dioxide, comprising:
a reverse shift reaction section for obtaining a synthesis gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and water vapor from a raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide by a reverse shift reaction;
a water separation section that cools the synthesis gas and separates water from it;
a methanol synthesis unit that synthesizes methanol by passing the synthesis gas from which water has been separated through a methanol synthesis catalyst;
a methanol separation section for cooling the gas sent from the methanol synthesis section and separating methanol;
a methanation reaction section that synthesizes methane by passing a raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide through a methanation catalyst;
a heat supply section that supplies reaction heat generated in the methanation reaction section to the reverse shift reaction section via a heat exchanger;
A methanol and methane co-production facility configured to supply at least a portion of the synthesis gas sent out from the methanol separation section as a raw material gas to the methanation reaction section , the methanation reaction section being disposed only downstream of the methanol separation section .
メタノール分離部からメタン化反応部へと供給する合成ガスの流量を調整する流量調整部を備える請求項3に記載のメタノール及びメタンの併産設備。 The methanol and methane co-production equipment according to claim 3, further comprising a flow rate adjustment unit that adjusts the flow rate of the synthesis gas supplied from the methanol separation unit to the methanation reaction unit. メタノール分離部から送出された合成ガスの少なくとも一部を逆シフト反応部に原料ガスとして返送するように構成され、
流量調整部は、メタノール分離部から逆シフト反応部へと供給する合成ガスの流量を調整する請求項4に記載のメタノール及びメタンの併産設備。
At least a part of the synthesis gas sent from the methanol separation section is returned to the reverse shift reaction section as a raw material gas,
5. The methanol and methane co-production facility according to claim 4, wherein the flow rate adjusting section adjusts the flow rate of the synthesis gas supplied from the methanol separation section to the reverse shift reaction section.
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