(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平衡によって制限される反応によって形成される化合物を合成する方法であって、該方法は、
ａ）第１熱交換器と、第１熱交換器に作動可能に接続されている反応装置であって、反応槽内に反応区域を画成するために前記反応槽内にわたって伸びる分離壁によって画成される複数の反応区域を有し、前記分離壁は隣接する反応区域の間の温度および圧力差に耐用すべく形成されている反応装置と、該反応装置に作動可能に接続された第２熱交換器とを備える反応装置セットを準備する工程と、
ｂ）供給物流を予熱するために、プレート型熱交換器または拡大面熱交換器として形成された第１熱交換器を介して供給物流を導く工程と、
ｃ）反応装置内において供給物流を反応させる工程と、
ｄ）入来する供給物流を予熱し、かつ反応生成物流を冷却するために、反応生成物流を反応装置から第１熱交換器を介して放出する工程と、
ｅ）反応生成物流を冷却設備流と熱的に接触させて、反応生成物流内において凝縮した生成物を形成する工程と、
ｆ）反応生成物から凝縮した生成物を分離する工程と、
ｇ）反応生成物流を予熱するために、反応生成物流をプレート型熱交換器または拡大面熱交換器として形成された第２熱交換器を介して導く工程と、
ｈ）所望の生成物の転化率を得るために、工程ｂ〜ｇを繰り返す工程であって、前記供給物流は、水素ガスおよび酸化炭素ガスからなる、工程ｂ〜ｇを繰り返す工程とを有する、方法。
【請求項２】
前記供給物流は、蒸気改質器を用いた化学製品生産反応装置の再循環流からのパージガス流であり、かつ供給ガス流を導く工程は、第１熱交換器を介して前記パージガス流を導くことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１熱交換器は、供給物流を反応生成物流と熱的に接触させるための第１部分と、反応生成物流を冷却設備と熱的に接触させるための第１部分から下流に位置する第２部分とによって形成されており、反応生成物流を冷却設備と熱的に接触させる工程は、第１熱交換器内で行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第１熱交換器は、反応生成物流から凝縮した生成物を分離するための、第２部分から下流に位置する第３部分を備え、反応生成物流から凝縮した生成物を分離する工程は、第１熱交換器の第３部分内で行われる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
第１熱交換器と第２熱交換器との間に作動可能に接続され、かつ前記生成物を形成するための反応の温度および圧力に耐用することができる分離器をさらに備え、反応生成物流から凝縮した生成物を分離する工程は、凝縮した生成物および反応生成物流を分離器に通すことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記分離槽は前記分離槽内に分離区域を画成するために前記分離槽内にわたって伸びる分離壁によって画成される複数の分離区域を有し、前記分離壁は隣接する分離区域の間の温度および圧力差に耐用すべく形成されている、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
平衡によって制限される反応によって形成される化合物を合成する方法であって、該方法は、
ａ）第１熱交換器と、第１熱交換器に作動可能に接続されている反応装置であって、反応槽内に反応区域を画成するために前記反応槽内にわたって伸びる分離壁によって画成される複数の反応区域を有し、前記分離壁は隣接する反応区域の間の温度および圧力差に耐用すべく形成されている反応装置と、該反応装置に作動可能に接続された第２熱交換器とを備える反応装置セットを準備する工程と、
ｂ）供給物流を予熱するために、プレート型熱交換器または拡大面熱交換器として形成された第１熱交換器を介して供給物流を導く工程と、
ｃ）反応装置内において供給物流を反応させる工程と、
ｄ）入来する供給物流を予熱し、かつ反応生成物流を冷却するために、反応生成物流を反応装置から第１熱交換器を介して放出する工程と、
ｅ）反応生成物流を冷却設備流と熱的に接触させて、反応生成物流内において凝縮した生成物を形成する工程と、
ｆ）反応生成物から凝縮した生成物を分離する工程と、
ｇ）反応生成物流を予熱するために、反応生成物流をプレート型熱交換器または拡大面熱交換器として形成された第２熱交換器を介して導く工程と、
ｈ）所望の生成物の転化率を得るために、工程ｂ〜ｇを繰り返す工程であって、前記化合物は、メタノール、ジメチルエーテル、およびそれらの混合物のうちから選択される、工程ｂ〜ｇを繰り返す工程とを有する、方法。
【請求項８】
メタノール、ジメチルエーテル、メタノール及びジメチルエーテルの混合物、フィッシャー−トロプシュ・ワックス、及びアンモニアの製造のための、平衡によって制限される反応によって形成される化合物を製造するための生成物合成装置において、
ａ）生成物を形成するための反応の温度および圧力に耐用することができる反応槽であって前記反応槽内に反応区域を画成するために前記反応槽内にわたって伸びる分離壁によって画成される複数の反応区域を有し、前記分離壁は隣接する反応区域の間の温度および圧力差に耐用すべく形成されている反応槽と、
ｂ）生成物を形成するための反応の温度および圧力に耐用することができる分離槽であって前記分離槽内に分離区域を画成するために前記分離槽内にわたって伸びる分離壁によって画成される複数の分離区域を有し、前記分離壁は隣接する分離区域の間の温度および圧力差に耐用すべく形成されている分離槽と、
ｃ）複数の供給物／流出物熱交換器を有する熱交換ブロックであって、それぞれの前記熱交換器は少なくとも１つの前記反応区域および少なくとも２つの前記分離区域に作動連結されている熱交換ブロックとを備える、装置。
【請求項９】
前記反応槽は前記熱交換ブロックのヘッダとして形成されている、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記反応区域のそれぞれは前記反応槽を貫通する入口および出口を有し、前記入口および出口はそれぞれ前記熱交換ブロック内の対応する熱交換器に作動連結される、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記分離区域のそれぞれは前記分離槽を貫通する入口を有して上流の熱交換器と作動連結され、前記分離槽を貫通して第１の出口が下流の熱交換器に作動連結され、前記分離槽を貫通して第２の出口が生成物帰還流に作動連結されている、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記熱交換器ブロックは前記分離槽と一体に連結されている、請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
前記熱交換器は、鑞付けフィン熱交換器、固相接合式熱交換器、拡散接合フィンプレート熱交換器、および螺旋巻回式熱交換器のうちから選択される、請求項８に記載の装置。
【請求項１４】
前記化合物は、メタノール、ジメチルエーテル、およびそれらの混合物のうちから選択される、請求項８に記載の装置。
【請求項１５】
前記供給物／流出物熱交換器は、それぞれ、少なくとも５伝熱単位数の効率を有する、請求項８に記載の装置。
【請求項１６】
前記供給物／流出物熱交換器は、それぞれ前記熱交換器に存在する生成物を凝縮するために用いる冷却設備流と作動連結される、請求項８に記載の装置。
【請求項１７】
前記分離槽は前記分離区域のそれぞれに連結され、生成物帰還流を形成するための堰システムを有する、請求項８に記載の装置。
【請求項１８】
メタノール、ジメチルエーテル、メタノール及びジメチルエーテルの混合物、フィッシャー−トロプシュ・ワックス、及びアンモニアの製造のための、平衡によって制限される反応によって形成される化合物を製造するための生成物合成装置において、
ａ）生成物を形成するための反応の温度および圧力に耐用することができる反応槽であって前記反応槽内に反応区域を画成するために前記反応槽内にわたって伸びる分離壁によって画成される複数の反応区域を有し、前記分離壁は隣接する反応区域の間の温度および圧力差に耐用すべく形成されている反応槽と、
ｂ）生成物を形成するための反応の温度および圧力に耐用することができる分離槽と、
ｃ）少なくとも１つの前記反応区域および前記分離区域に作動連結されている熱交換器とを備える、装置。
【請求項１９】
前記分離壁は、隣接する前記反応区域の間に存在する０．２〜２．０バールの圧力差に耐え得る、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
メタノール、ジメチルエーテル、メタノール及びジメチルエーテルの混合物、フィッシャー−トロプシュ・ワックス、及びアンモニアの製造のための、平衡によって制限される反応によって形成される化合物を製造するための生成物合成装置において、
ａ）生成物を形成するための反応の温度および圧力に耐用することができる反応槽反応槽と、
ｂ）生成物を形成するための反応の温度および圧力に耐用することができる分離槽であって前記分離槽内に分離区域を画成するために前記分離槽内にわたって伸びる分離壁によって画成される複数の分離区域を有し、前記分離壁は隣接する分離区域の間の温度および
圧力差に耐用すべく形成されている分離槽と、
ｃ）前記反応槽および少なくとも２つの前記分離区域に作動連結されている熱交換器とを備える、装置。
【請求項２１】
前記熱交換器は前記分離区域のそれぞれに設けられた供給物／流出物熱交換器を有し、前記供給物／流出物熱交換器は下流の分離区域に作動連結されている、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記供給物／流出物熱交換器はそれぞれ冷却設備流に作動連結され、かつ、各々が供給物流を前記反応槽のための反応生成物流に熱接触するための第１の領域と、前記第１の領域よりも下流の第２の領域であって前記反応生成物流を前記冷却設備に熱接触させるための第２の領域と、前記第２の領域よりも下流の第３の領域であって前記凝縮された生成物を反応生成物流から分離するための第３の領域とを備える、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
平衡によって制限される反応によって形成される化合物を合成する方法において、
ａ）請求項８に記載の装置を設ける工程と、
ｂ）前記装置に供給物流を導く工程と、
ｃ）前記装置からは生成物帰還流を回収する工程とを備える、方法。
【請求項２４】
前記供給物流は、蒸気改質器または自己熱改質器を用いた化学製品生産反応装置の再循環流からのパージガス流であり、かつ供給ガス流を導く工程は、前記装置を介して前記パージガス流を導くことを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記供給物流は、蒸気改質器または自己熱改質器において生成された合成ガスである、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記生成物帰還流を回収する工程において１日あたり２５００トン未満の生成物帰還流を回収する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記生成物帰還流を回収する工程において１日あたり１５００トン未満の生成物帰還流を回収する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記生成物帰還流を回収する工程において１日あたり１０００トン未満の生成物帰還流を回収する、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００５年９月２３日出願の米国仮特許出願第６０／７２０，３３０号からの優先権を主張する。前記特許文献その全容は、参照によって明らかに本願に援用される。
【背景技術】
【０００２】
単純な反応装置において、そのプロセスが本質的に完全な転化を有する化学量論量の反応物を用いることは化学プロセスにおいて稀である。従って、試薬がそのプロセスの有意なコストを占める場合、通常は未反応物質から所望の生成物を物理的に分離した後に、未反応物質は反応装置に再循環されることが多い。時に、例えば、反応物が気体であり、生成物は反応条件において液体であり、かつ連続的に回収され、さらに気体導入インペラ(as induction impellers)を有する撹拌槽型反応装置が用いられる場合には、この分離は、反応装置の内部で行うことができる。この特定の状況において、反応槽(reactor vessel)内において物理的分離および再循環が生じる。
【０００３】
これに代わって、反応物の分離および再循環を反応装置の外部で行うことができる。この構成の一例は、冷却によって気相から生成物を凝縮させることができるプラグフロー気相反応装置であろう。未反応の気体は、その後、再加圧され、恐らく精製または化学的分離のような他のコンディショニングの後、少なくともその一部が反応装置の入口に戻され得る。
【０００４】
所望の最終生成物を形成するために反応装置において用いられる反応物の量が化学量論的であることは稀であるのにはいくつかの理由がある。その理由は、蒸気圧制限が非化学量論的反応を必要とするということであり得る。例えば、高沸点有機物の高圧の気相水素添加において、たとえ理論上は反応物の高いワンパス転化率が可能であっても、水素は大過剰に存在するであろう。別の理由は、反応は平衡によって制限されるということであろう。例えば、酸触媒エステル化において、酸の高い転化率を得るために、アルコールは過剰に存在することが多い。
【０００５】
平衡によって制限される反応（以下、「平衡制限反応」と称する）における反応物の所望の最終生成物への高転化率は、大過剰の反応物を経済的に用いて達成することが可能であるが、別の可能性は反応生成物のうちの１つの除去である。例えば、ガスストリッピングは、エステル化反応から水を除去して、反応装置内の状態を、平衡状態の範囲外へ、または平衡状態から遠ざかるように、連続的に動かし、それにより、反応を完全転化へと促進することができる。
【０００６】
しかしながら、生成物をインサイチュウで除去して、平衡を完全転化に移動させることができない場合には、高い総転化率は、反応物混合物からの生成物の分離、およびそれに続く未反応物質の反応装置への再循環によってのみ達成されるであろう。
【０００７】
加えて、平衡反応が、所望の最終生成物への高転化率に好都合な、特定の条件または態様を有する場合でさえ、反応の動力学は、反応装置を反応物の比較的低い転化率に好都合な条件で稼働させ、次いで、生成物の物理的分離の後に、未反応物質を再利用することによって、より高い全体的な生成速度、またはより良好なプロセス経済性を達成することができることを示唆し得る。反応物の所望の生成物への転化が部分的に過ぎず、生成物の物理的分離の後に反応装置に再循環することができる相当量の未反応物質が残存する、この種の典型的な反応またはプロセスとしては、メタノール、ジメチルエーテル、それらの混合物、フィッシャー−トロプシュ・ワックス、アンモニアに対する合成ガスの反応が挙げ
られる。
【０００８】
メタノールは今日世界で生産される最大量の化学薬品ののうちの１つであるので、例としてメタノールを生成するための平衡制限反応を用いると、メタノールへの転化は、一般的には二段階プロセスで行なわれる。第１工程では、メタンを水で改質するか、または酸素で部分的に酸化して、いくらかの二酸化炭素および残余のメタンを含んで、一酸化炭素および水素を生成する（すなわち合成ガス）。第２工程では、その合成ガスをメタノールに転化する。
【０００９】
合成ガスをメタノールに転化する第２工程は、周知のプロセスである。該プロセスは、一般的には、とりわけ還元亜鉛酸化物／銅酸化物の混合物を含む触媒のような銅系触媒を用いる触媒反応プロセスを伴う。この反応からメタノールの最適な生成を提供するためには、該反応は、４０〜１００バールの範囲内の圧力、２００℃超かつ３２０℃未満の温度で、最も一般的には、２２０〜２８０℃の温度範囲で、行なわれる。合成ガス自体の生成は、一般的には、用いられる改質技術によって、２０〜４０バールの範囲内の圧力で行なわれる。
【００１０】
メタノールの生成のための反応の特定の機構により、生成されるメタノールの濃度は平衡によって制限されるので、反応は完了までは進まない。具体的には、反応装置から退出する生成ガスに含まれるメタノールの量は、ガスの合計の約６〜８ｍｏｌ％を占めるが、それより高くなることもある。このメタノールは、生成物ガス流を１１０℃未満、最も一般的には６０℃未満に冷却することによりメタノールを凝縮させることによって、この生成物ガス流から除去される。そのとき、冷却されたメタノールは、ガス流から除去され得、一方、過剰合成ガスは、その過剰合成ガスをさらに反応させるために、反応装置に戻される。これにより、反応装置に装入される一定量の新たな合成ガスと組み合わされて反応装置に再循環される合成ガスから、さらなるメタノールを得ることができる。
【００１１】
この再循環工程の実施において、１つの周知のプロセスは、分離器から過剰合成ガスを受容し、反応装置および分離器内に生じる圧力損失を克服するために、前記過剰合成ガスを加圧する再循環圧縮機の使用を伴う。この種の反応装置は一般に再循環ループ型反応装置と呼ばれ、図１に概略的に示されている。この反応装置において、反応装置から退出する合成ガス中のメタノール濃度は、再循環圧縮機を通過する過剰合成ガスの体積流量が、一般的には、再循環圧縮機から反応装置に装入される合成ガスとは別に反応装置に導入される新たな合成ガスの体積流量の２倍〜１０倍になるように十分に低い。再循環の結果として反応装置に蓄積される不活性物質の濃度を制御する再加圧の前に、再循環された合成ガス流の約４〜８パーセントのパージガス流も再循環ループから放出される。
【００１２】
上記に記載した再循環ループ型反応装置の著しく不都合な点の１つは再循環圧縮機のコストである。多くの場合、再循環機能は、合成ガスを再循環ループの圧力まで加圧し、また再循環ガスの再加圧も行う単一駆動系圧縮機に組み込まれている。圧縮トレインは装置の高価な物品であり、メタノール製造設備の構築において単一で最も高価な購入部品であり得る。前述したように、合成ガスの高い総転化率を得ることを可能にするためには、高い再循環流量が用いられる。再循環圧縮機はまた、プラントの規模が拡張されるにつれて、単位圧縮体積当たり、著しくより安価になる。したがって、再循環圧縮機を用いるプロセスの使用は、実際問題として、２００５年に１日当たり５，０００トン付近で生産する設備のような、現在最大の単一トレイン生産プラントに関して、メタノールの比較的高い日産量を製造する設備には特恵的である。前記プラントでは、最高効率が必要とされ、再循環圧縮機の使用を経済的に実行可能にするために、合成ガス圧縮機および再循環圧縮機の統合が行われ得る。
【００１３】
再循環ループ型反応装置の代わりとして、前記設備は、多段反応装置セットまたはカスケードプロセス（図２）を用いることができると考えられてきた。前記装置セットまたはプロセスにより、合成ガスは、初めに第１反応装置に供給され、第１反応装置に収容されている触媒と反応させられて、メタノールを生成する。次に、生成物ガスは第１分離器またはノックアウトポットに進入し、そこで、第１反応装置において生成したメタノールは、液体形態に冷却され、過剰な合成ガスから分離される。第１分離器は、重力による、または生成物に遠心力を適用することによるなどの任意の所望の方法で、合成ガスのメタノールを分離するために作動することができる。次に、残った過剰合成ガスは、第２反応装置に供給され、第２反応装置は同じ反応を経験することによって、さらなるメタノールを生成する。さらなるメタノールは第２反応装置から取り出されて、同様の方法で第２分離器に導かれる。反応装置および分離器の数は、合成ガスのメタノールへの所望の転化パーセンテージを達成する多段反応装置セットを形成するように選択することができる。例えば、各反応装置内に５０パーセントのメタノールへの転化率を有するのに最適な合成ガス組成を用いる場合、反応装置セットは、４つの反応装置および４つの分離器を備えるように選択することができる。４つの反応装置および４つの分離器は、第４分離器の後、理論上、９５パーセントの合成ガスのメタノールへの総転化率の達成をもたらす。
【００１４】
しかしながら、合成ガスの化学量論が所望の反応の化学量論から離れている場合、例えば、比率（［水素のモル数］−［二酸化炭素のモル数］）／（［一酸化炭素のモル数］＋［二酸化炭素のモル数］）が２．５〜３．０の間にある場合のように、より現実的な状況において、合成ガス組成物がそれほど最適でない場合には、高転化率（＞９５％）のためには、４つを超える反応装置セット、恐らく１０もの数の反応装置セットが必要である。加えて、合成ガスの生成のために、空気による自己熱改質が行われて、高レベルの窒素による合成ガスの希釈を生じる場合のように、合成ガス中に化学量論的量の反応物が存在するが、高レベルの不活性成分も存在する場合には、多数の反応装置セットが必要であろう。
【００１５】
メタノールの生産プロセスにおいて、反応装置のカスケードを使用する能力が有益であると考えられるいくつかの領域がある。主として、カスケードを用いることによる利点は、再循環圧縮機を必要としないことに由来する。更に、基本的なメタノール生産工場において、再循環圧縮機は、多くの場合、合成ガス圧縮に関連する圧縮機の一部であることに留意すべきである。したがって、基本的な装置における再循環圧縮機と共に合成ガス圧縮機を排除することは、最大の利点をもたらす。
【００１６】
特にこの目的のための反応装置の単純なカスケードの使用が、特定の従来技術の参考文献に開示されているが、そのような反応装置のカスケードの使用について検討している参考文献は、改質器の作動圧がメタノール合成圧力に一致し得る方法のみに注目している。例えば、特許文献１〜４は、各々、酸素ではなく空気を用いた自己熱改質の分野における発明を開示する特許である。しかしながら、これらの特許はメタノール生産プロセスにおけるカスケード反応装置の使用を非常に一般的に開示しているが、それらは、どのように反応装置のカスケードが費用効率に優れるようになり得るかの問題に対処していない。更に、特許文献１〜３は、改質器を自己熱的に作動させ、次に、３〜５つの反応装置セットを用いて、各段階間において生成物の凝縮を行いながら、合成ガスをメトキシ化合物に転化する結果として、再循環圧縮機を排除することができるメタノール生産プロセスを開示している。カスケード法は合成ガスからメタノールへの高い転化率を達成することができないという一般通念を認めており、従来のプラントでは９５％を越える効率が達成可能であるのに対して、８０％未満のメタノール合成部分に対する炭素利用率が示されている。
【００１７】
加えて、特許文献５は、プロセスの全体にわたって十分な作動圧を保証するのに十分な作動圧を有する機械的に実現可能な高圧スチーム改質器を得る手段として、スチーム改質
器の燃焼加熱に酸化体ガスの加圧を用いるメタノール生産プロセスを開示している。前記プロセスはまた、改質器から下流において反応装置のカスケードを備え、その反応装置のカスケードにおいて、改質された合成ガスがメタノールに転化される。改質器に入来する天然ガスを加圧することにより、反応装置のカスケードの上流において合成ガス圧縮機を必要とするのを避けるとともに、再循環圧縮機の必要性を回避する。しかしながら、先の参考文献でのように、反応装置のカスケードは非常に一般的に開示されており、カスケードがいかに経済的に形成されるかに関して議論されていない。
【００１８】
再循環圧縮機の使用を回避するのに有利であると考えられるメタノール生産プロセスに関する他の状況としては、設備から排出されるパージガスから残留メタノールを取り出すために、生産能力の改良の際に、または計画されたメタノール生産設備構築に対する追加の一部として、圧縮機が既存のメタノール生産設備に付加される場合が挙げられる。パージガス流中に存在する可能性があるメタノールおよびパージガス流中に存在する実際のメタノールの損失に対処するこの種の１つの系は、特許文献６に開示されている。前記特許文献の全開示は、参照により余すところなく本願に援用される。開示されたプロセスは、パージガス流中に存在するメタノールを収集するためと、パージガス流の未反応成分をさらに反応させてさらなるメタノールを生成するためとの双方のために、メタノール合成区域によって生成されるパージガス流を別のメタノール合成または生成区域に導く。
【００１９】
しかしながら、’８６０特許に開示されているプロセスは、該プロセスが、パージガスと再循環合成ガスとの複合流を、該複合流をさらに反応させる前に、加圧するために圧縮機を用いるという特定の不都合を有する。先に検討したように、再循環圧縮機はメタノール生産システムにおいて最も高コストの品目であるので、パージガスからメタノールを回収するために付加的な再循環圧縮機を使用することは、特に、現在の最大の単一トレイン生産工場に比べて、比較的低い日産量のメタノールを生産するシステム、例えば、２００５年において１日当たり５，０００トン付近を生産する設備などにおいては、非常に望ましくない。
【００２０】
一連のカスケード反応装置の使用を通じて付加的なコンプレッサ能力が回避され得る別の例は、メタノールプラントの改良またはボトルネック解消の一部として生じ得る。改良またはボトルネックの解消が合成ガス生成の増大を必然的に伴う場合、メタノール転化器の能力を増大させる必要があるであろう。単一反応装置において、触媒をより良好に充填するか、または触媒を多数の床に分割することにより、反応装置の有効性を増大させることが可能であり得る。しかしながら、反応装置が既に有効に触媒を使用している場合には、反応装置の性能を経済的に高めることが可能でない場合がある。さらに、この状況における反応装置の動作に対する別の制限は、反応装置を介したプロセスガスの圧力損失である。再循環速度の増大、触媒容積の増加、供給流量の増大、またはパージ率の低減は、すべて、反応装置を介したプロセスガスの圧力損失を増大させるであろう。もちろん、反応装置中に再導入するためにガスを再加圧することと同様に、再循環圧縮機の能力について必然的な制限が存在するであろう。
【００２１】
これらの問題を軽減する１つの代替案は、メタノール転化器を、低い転化条件であるが、より高いガス供給速度で作動させることであり、それにより、圧力損失限界が回避されるのを可能にし、次いで、別個のカスケード反応装置システムを用いて、付加的な圧縮機を必要とすることなく、または元の反応装置を交換することなく、未反応ガスをメタノールに転化する。これはまた、元の反応装置性能が周知であるとき、スループットの増大の危険性がより低い方法であるという利点を有する。もちろん、カスケードシステムを用いることができる他の多数の状況が存在するであろう。しかし、これらの状況のすべては、カスケードシステムの費用効率の高い設計に頼るものであろう。
【００２２】
従来技術に記載されるようなメタノールの生産に用いられる、多段反応装置セットタイプまたはカスケード反応装置セットタイプの有意な１つの不都合な点は、個々の反応装置セットを形成する各反応装置、熱交換器および分離器の最終用途構造に起因する。特に、合成ガスの一部がそのメタノールへの転化に基づいて各反応装置セットにおいて失われるので、各後続の反応装置セットおよび分離器は、しばしば、入来する合成ガスの流量の低下に適応するために、直前のものより小さくなるように構成される。これは、当初は、それぞれの連続する反応装置セットを構成するのに必要な材料の量の減少に基づいて、非常に有益であると予想され得た。しかしながら、各反応装置セットは同一の機能性、接続、冷却および触媒交換のためのアクセスを必要とする。これは、漸進的に小さい規模で製造するのをより困難または高価にする。さらに、様々な反応装置の間を通過する際における、メタノール含有流の冷却、気液分離および再加熱は、エネルギー効率に優れ、かつ費用効率が高い方法で行われなければならない。さらに、すべての反応装置セットおよび分離器は、合成ガスのメタノールへの転化のために生じる反応が必要とする高い圧力（４０〜１００バール）で作動可能であるように、構成しなければならない。
【００２３】
この不都合への対処を試みるシステムの一例は、反応蒸留を用いたメタノール生産プロセスにおいて特許文献７に開示されている。しかしながら、反応装置床の間には反応装置内における凝縮によるメタノールの取り出しが行われるが、凝縮は必然的に反応温度で行われ、高温における凝縮はメタノールの転化を約６０％に制限する。しかしながら、著しい制限を有するにもかかわらず、これはメタノールの生産において生じ、これは低減された温度での凝縮は実行可能ではないという現在の産業界の見解と一致する。
【００２４】
従って、段間供給物／流出物熱交換器内において反応装置流出物中のメタノールを凝縮させることにより、供給合成ガスのメタノールへの高い率転化を得るために多段反応装置セットを用いた、平衡制限反応の生成物、例えばメタノール、を生産するための多段またはカスケード反応装置セットおよびプロセスを開発することは望ましい。また、多段反応装置セットが、ガス再循環圧縮機を必要とすることなく、かつ好ましくは多数の個別の反応装置、熱交換器および分離器を構築する必要なく、作動可能であることも望ましい。別の観点から、熱交換器デザインは、必要な装置品目の数を最小限にするとともに、効率的な動作および反応装置セットへの組み込みに適しているべきである。
【００２５】
反応装置セットにおいて装置品目の必要数を最小にする目標に関して、従来のメタノール合成ループの特定の問題を参照することによって、装置品目を削除し、かつ装置品目の費用を低減するというこの問題を解決するための従来のアプローチを理解することはより容易である。再循環圧縮機は別として、メタノール合成ループは６つの原理動作、すなわち、１）ガスの予熱、２）メタノールを形成するための前記ガスの反応、３）高度熱としての反応熱の除去、４）メタノール凝縮温度へのガスの冷却、５）冷却水を用いたメタノールの凝縮、および６）蒸気／液体の分離を含む。典型的なプラントにおいて、必要な装置品目を最小にする目的のために、これらの機能の二つの統合があってもよい。前記二つの統合は、多管式反応装置における蒸気発生によって行われる反応熱の除去、および供給物−流出物の交換によるガスの予熱である。したがって、典型的な合成ループは少なくとも６つの装置品目、すなわち、１）スタートアップヒーター、２）供給物／流出物熱交換器、３）反応装置、４）高度熱回収ユニット、５）水冷装置、および６）気液分離器から成るであろう。
【００２６】
反応装置において直接蒸気を発生させることにより、個別の高度熱回収ユニットに対する必要性が排除される。しかしながら、それはまた、反応装置を有する蒸気ドラムを必要とし、したがって、装置品目の数を低減しない。
【００２７】
材料／流出物熱交換器の使用に関して、流出物流の冷却を最大限にすることができる高
効率熱交換器によって、最高のエネルギー効率が得られる。回収される高度熱の量を増加させることにより、供給物／流出物交換器における温度差は低減される。従って、最大の高度熱の回収のためには、高効率熱交換器が必要である。しかしながら、従来技術の多段反応装置セットにおいて用いられるような多管式熱交換器は、多数の熱交換器ユニットを連結することによってのみ、高い有効性を得ることができ、また必要な装置品目の数を増加させる。高度熱の回収の有用性は、ある程度、高度熱が回収される温度に依存する。特に、メタノールプロセスについては、メタノール合成部分からの高度熱の回収は、改質器用の蒸気発生のために用いられる。これは、熱が回収されている最中の流れは、一般的には２００〜２５０℃の最低温度を上回ることを必要とする。しかしながら、メタノール凝縮温度は６０〜１００℃の範囲にある。従って、効率的な稼働のためには、約１５０℃の高温ガス温度範囲で作動することができる熱交換器が必要である。反応熱は、一般的には５０〜１００℃の顕熱に相当するだけ、反応物流を冷却することにより回収される。供給ガスが高度熱回収温度を下回る温度でメタノール反応装置に導入される場合、これは、システムのエネルギー効率の損失を意味し、軽度の冷却要件を増加させる。従って、供給物−流出物交換器における温度差は、５０℃未満、一般的には２０〜３０℃に維持されるであろう。均衡のとれた化学量論、高い作動圧、効率的な熱除去または低い総転化率によるように、反応装置において高いワンパス転化率を達成することができる場合には、温度制約はより緩和され得る。しかしながら、これは、多くの場合、より大きな反応装置の複雑さ、またはより低い全体効率をもたらす。
【００２８】
熱交換器の性能の尺度は、流れの間における温度範囲および対数平均温度差の点から記述することができる。その値（範囲を対数平均温度差で割ったもの）はＮＴＵ数（伝熱単位数）と呼ばれる。また、上記に見られるように、エネルギー効率に優れたメタノールプロセスのためには、供給物／流出物交換器が５を上回る、より好ましくは７を上回るＮＴＵ数で作動することが望ましい。
【００２９】
再循環ループをカスケードシステムで置き換える場合には、装置品目の数に関する問題も軽減されない。再循環しないため、再循環圧縮機を必要としない。しかしながら、触媒との各接触に対して、先に検討したように、最大６つの付加装置品目が存在するであろう。装置品目の数を低減する１つの選択肢は、熱交換器のうちのいくつかを排除することである。例えば、反応装置ガスから高度熱を回収する代わりに、前記ガスは入来供給物ガスを直接加熱するために用いることができる。したがって、供給物／流出物交換器は、増大した運転温度の結果としてより小さくなるが、反応熱は冷却水に失われ、それほど効率的でないプロセスが生成される。
【特許文献１】米国特許第５，１７７，１１４号
【特許文献２】米国特許第５，２４５，１１０号
【特許文献３】米国特許第５，４７２，９８６号
【特許文献４】米国特許第７，０１９，０３９号
【特許文献５】米国特許第６，２５５，３５７号
【特許文献６】米国特許第６，２５８，８６０号
【特許文献７】米国特許第６，７２３，８８６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
従って、従来技術のメタノールカスケードシステムの経済的側面および効率を改善するためには、下記問題、すなわち、１）装置品目の数を最小限にすること、２）供給物／流出物交換器の有効性を増大させること、および３）単体機器品目に多機能を統合すること、を解決することが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
カスケード反応装置システムの経済的側面および効率の改善を行うことができ、かつ本発明の装置および方法の不可欠な部分である１つの方法は、カスケード反応装置システムにおける拡大面またはプレート式熱交換器である。特に、プレート−フィン（鑞付けまたは拡散結合された）または固相接合式熱交換器(printed circuit heat exchanger (PCHE)) は、必要な有効性を低下させる一つの作業に対する多数のユニットの必要性、すなわち予熱器の必要性を排除して、高い有効性を達成することができる。プレート式熱交換器の構築方法はまた、多流熱交換器が単一ユニットに組み合わせられることを可能にする。例えば、反応装置出口ガスは単一のプレート式熱交換器を通過することができる。前記熱交換器では、前記ガスは、第１区域において、２００〜２５０℃に加圧された水のような高温冷媒で冷却される。熱交換器の第２区域において、前記反応装置ガスは反応装置入口流との熱的に接触によって冷却される。最後に、第３区域において、反応装置ガスは、水を凝縮させるために、冷却水によって冷却される。
【００３２】
先に検討したように、一連の反応装置またはカスケードが用いられる場合、熱回収のための適切な設計は、反応装置の大きさが小さくなるにつれて異なり得る。そのセットの初期の反応装置においては、単位当たりの回収されるエネルギーは最大であるので、熱回収のコストはより経済的である。連続的により小さくなる反応装置の各々および関連する熱交換器では、そのセットにおけるメタノールの生成速度がより小さくなるので、単位当たりに入手可能なエネルギー量は減少し、熱回収のコストは高額になる。したがって、先に検討したように、本発明は、第１反応装置として、再循環ループ内において、蒸気発生反応装置またはガス管冷却反応装置を使用し得る。後続の反応装置セットは、それぞれ、高度熱回収、供給物−流出物熱交換および冷却水を用いたメタノールの凝縮を統合した前述の種類の高性能熱交換器を用いる。最後の反応装置セットは、単に供給物／流出物熱交換および水冷却のための高性能熱交換器を用いる。
【００３３】
より小さなメタノール生産ユニットであっても、各反応装置セットのための熱交換機能、すなわち高性能熱交換器を、単一に製造されたユニットの中に組み込むことも可能であり得る。これは、そのような構造に適用可能なプレート式熱交換器の使用によって可能となる。加えて、熱交換器の統合から単一ユニットへの分離、反応装置自体の統合からの分離、および蒸気／液分離器から同一または個別のユニットへの分離も可能である。このより小さな生産規模では、本発明は、装置の単一品目内に含まれる全ての反応装置、単一ユニット内のすべての熱交換器、並びにすべての蒸気／液分離器を有する。その結果、カスケードメタノールプロセスは、３つの基本的な装置品目のみに効果的に低減される。
【００３４】
これらのユニットの統合は、統合ユニットのいくつかの異なる用途を可能にする。例えば、３つまたは４つの反応装置のカスケード反応装置セットユニットをメタノール合成ループからのパージガス流に接続して、前記ユニットを介したパージガス流の内容物のさらなる反応を可能にして、さらなるメタノールを形成するができる。パージガスのみがカスケード反応装置セットユニットを介して導かれるので、これは再循環速度を増大させることなく、ループの全体的な転化パーセンテージを増大させるであろう。また、カスケード反応装置ユニットの追加は、メタンの固定流から生成され得るメタノールの量を増加させるだろう、あるいは、既存の生産プロセスに対するより広範な改装の一部として、再循環圧縮機を介するガス速度(gas rate)を増大することなく、メタノール合成区域の能力を高めるであろう。
【００３５】
従って本発明の第１態様によれば、改善された多段反応装置セット型またはカスケード反応装置セット型化学薬品生産システムが提供される。該システムにおいて、第１反応装置に進入する入来反応ガスは、過剰量の反応ガスおよび／または従来の単一反応装置、カスケード反応装置セット、または再循環ループ型反応装置システムからのパージガスであり、それらのガスは、それぞれ、蒸気改質器または自己熱改質器から供給される。前記ガ
スは、初めに第１高効率プレート式熱交換器または拡大面熱交換器を通過し、それにより、ガス状反応生成物を冷却し、入来する流入合成ガスを予熱するために、入来する合成ガスは第１反応装置を退出するガス状反応生成物の一部またはすべてと熱的に接触する。高度熱の回収のために、第１反応装置を退出するガスのうちの一部またはすべてを、供給物−流出物熱交換区域に進入する前に、付加的な流れと熱的に接触させてもよい。反応生成物の冷却は、熱交換器内において所望の生成物を液体形態に凝縮させる。次に、同じく前述の熱交換器に導入される付加的な冷却設備流との熱的な接触によって、生成物含有流のさらなる冷却が行われ、このような構成は多流熱交換器(multi-stream heat exchanger) として知られている。凝縮した液体生成物を含む冷却された反応生成物は、熱交換器から直接取り出すこともできるし、または次に第１分離器内に流すこともできる。第１分離器では、凝縮した液体生成物は該分離器において取り出され、一方、過剰な反応ガスは所望の化学薬品のさらなる生成のために第２反応装置に導かれる。第２反応装置に達する前に、過剰な反応ガスは、第２高性能熱交換器を通過して、第２反応装置を退出するガス状反応生成物によって暖められ、従って、第２反応装置を退出する生成物ガスに含まれている生成物を凝縮させる。各高性能熱交換器が、必要な冷却水の量を最小にし、かつ蒸気回収量を最大にする向流設計による近接したアプローチ温度(close temperature of approach) を有するので、高性能プレート型熱交換器または拡大面熱交換器は、反応区域の各々において生成された所望の生成物、例えばメタノールを、非常に経済的な方法で凝縮させる。生成物含有流との熱的な接触を生じ、生成物含有流から凝縮する生成物の量を増加させるように、高性能熱交換器への付加的な冷却流の導入によって、さらなる凝縮が行われる。さらに、凝縮によるメタノールの段間における取り出しは、実際的または経済的ではないと述べている、ケイ．アール．ウェスタータープ(K. R. Westerterp)、New Methanol Processes、 "Energy Efficiency in Process Technology" Ed. P. A. Pilarvachi 、 Elsevier Applied Science 、１９９３年、１１４２〜１１５３頁、１１４７頁のような他の参考文献に反して、段間におけるメタノールの凝縮を提供する高性能プレート型熱交換器または拡大面熱交換器の使用は、本発明の装置および方法において、実用的かつ経済的の双方で実行可能な方法で作用する。
【００３６】
本発明の別の態様によれば、カスケードシステムの様々な反応装置セットは、単一の反応槽内に統合された反応区域として形成され、その結果、反応槽および該槽上の適切な入口取付け具および出口取付け具は、メタノール生成反応に必要な温度および圧力に耐えられるように構成されるだけでよい。各反応域からの反応生成物は高性能熱交換器を通過させられる。前記高性能熱交換器は、反応槽内の各反応区域と、反応槽に類似して構成された別個の分離器槽内に位置する分離器区域との間に配置され接続されるブロック状の構成に形成される。反応槽内において様々な反応区域を有し、かつ分離槽内において様々な分離器区域を有する構造は、反応槽および分離槽の各々における各区域間の圧力差は最小限であるので、様々な槽を構成するのに必要な材料のコストを大幅に低減する。これは、そうでなければ遭遇する反応圧と大気圧との間の高い圧力差に耐えることができる材料からなる個々の壁を様々な区域の間に構成する必要をなくす。
【００３７】
本発明のさらなる態様によれば、改善された多段反応装置セット型またはカスケード反応装置セット型メタノール生産システムが提供される。前記生産システムにおいて、メタノールは、初めに、再循環圧縮機を有する従来のメタノール合成ループのような任意の適当なメタノール生産システムの使用によって生成される。前記メタノール生産システムからのパージガス流は、続いて、パージガス流の未反応成分をさらに反応させて、さらなるメタノールを形成する本発明に従って形成された３つ以上の反応装置セットのカスケードシステムを介して導かれる。反応装置は、別々に構成されるか、または反応装置間の差圧に耐え、かつ個々の床を触媒で充填するのを支援するために、反応装置間にアクセスを提供するように設計された分離壁を有する単一槽の一部として構成される。各反応装置セットにおいて、単一多流熱交換器は、高度熱を回収し、供給物／流出物熱交換をもたらし、
水のような冷却媒質によってさらに冷却することにより、メタノールの凝縮を行うために用いられる。さらに、コンパクトな多流熱交換器は、カスケード反応装置セットと合成ループとの間の接合部の量を最小にするように反応装置セットに沿って配置される。
【００３８】
また本発明の別の態様によれば、高性能プレート型熱交換器または拡大面熱交換器を用いる多段反応装置セットを、独立型の静止システムおよび／または可動システムとして、および／または、既存の再循環ループ型反応装置セットまたは既存のカスケード反応装置セットに対する付加装置として用いて、これらの既存の反応装置からメタノールの転化率をさらに増大させたり、または例えば再循環速度を低下させることによって再循環プロセスの有効性を緩和しながら、変更されたプロセスの全体的な転化を維持したりすることができる。
【００３９】
本発明の多数の付加的な態様、特徴、および利点は、図面とともに以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
図面は、本発明の実施の現在意図された最良の形態を図示する。
ここで、図面を参照すると、図１には、本発明と共に用いることができるか、または本発明と置き換えることができるメタノール生産システムが概して参照番号１００で示されている。図面では、開示の全体にわたって同一の参照番号は同一の部品を指している。示されたシステム１００は、改質器１２０からの合成ガス流１６０を受容し、反応装置１４０においてその合成ガスの一部をメタノールに転化し、未反応の合成ガスとメタノールとの複合流１８０を凝縮器または分離器２００に放出する従来のメタノール合成ループである。複合流１８０は、分離器２００において、収集されたメタノール流２２０と、分離器２００から再循環圧縮機２６０に導かれる再循環流２４０とに分離される。圧縮機２６０は、再循環流２４０中のガスを加圧し、再加圧ガス流２８０を反応装置１４０に導く。しかしながら、圧縮機２８０に進入する再循環流２４０の一部は、再加圧の前に、パージガス流３００として流用される。
【００４１】
さらに、本発明とともに使用できる別の従来技術のメタノール生産システムは、図２に示す多段反応装置セットまたはカスケードシステム３２０である。再循環システム１００に類似して、カスケードシステム３２０はまた、合成ガス流１６０を形成し、かつ合成ガス流１６０を第１反応装置１４０に導く改質器１２０を備える。第１反応装置１４０は、合成ガス流１６０の一部をメタノールに転化して、反応装置１４０から退出する複合流１８０を形成する。この複合流１８０は続いて第１分離器２００に進入し、第１分離器２００において、複合流１８０はメタノール流２２０と第１過剰合成ガス流３４０とに分離される。次に、この過剰合成ガス流３４０は、該ガス流のメタノールへのさらなる反応のために、第２反応装置３６０に導かれる。次に、生じた第２複合流３８０は第２分離器４００に送られ、第２分離器４００では、第２メタノール流２２０’が形成され、第２メタノール流２２０’はメタノール流２２０と組み合わせられ、第２過剰合成ガス流３４０’は第３反応装置３６０’に送られる。第３反応装置３６０’は、第２過剰流３４０’から第３複合流３８０’を形成し、第３複合流３８０’は第３分離器４００’に送られ、第３メタノール流２２０”および第３過剰合成ガス流３４０”として退出する。第３メタノール流２２０”はメタノール流２２０および２２０’と組み合わせられ、第３過剰流３４０”は第４反応装置３６０”に送られる。反応装置３６０”は、過剰流３４０”を第４複合流３８０”に転化し、第４複合流３８０”は第４分離器４００に進入する。第４分離器４００”は、複合流３８０”を第４メタノール流２２０’’’とパージガス流４２０とに分離する。
【００４２】
図３には、本発明に従って構成された多段反応装置セットメタノール生産システムが概
して参照番号１０で示されている。システム１０は、改質器（図示せず）から合成ガス流１６を受容し、その合成ガスを段階的にメタノールに転化し、最後にパージガス流２１および複合メタノール流２５を放出する。重大なことに、前記システムは、再循環圧縮機を有さないが、依然として効率的に作動し、１日当たりの２，５００トン未満のメタノール、より詳細には、１日当たり、１，５００トン未満または１，０００トン未満のオーダーのメタノールを生成する比較的小規模な用途において該システムを経済的に用いることを可能にする。しかしながら、有意な害を有することなく、前記システムをより大規模な稼働のために拡大したり、またはその大きさを縮小したりすることもできるだろう。
【００４３】
合成ガスは、一般的には、約６６ｍｏｌの％水素、２０ｍｏｌの％一酸化炭素、９ｍｏｌの％二酸化炭素および２ｍｏｌの％メタンを含有する。また、合成ガスは、合成ガスが形成される改質器にもともと供給されたメタン中に存在した窒素も含有するであろう。実際の組成物は、改質に用いられる圧力および温度、改質の方法（水蒸気改質、自己熱など）、並びに改質器に供給されるメタン流への二酸化炭素の添加または同メタン流中における二酸化炭素の存在の有無に依存するだろう。
【００４４】
システム１０は、下流の各反応装置セットは、直ぐ上流の反応装置セットからの流出物を供給物流として受容し、さらにその供給物流を運び、凝縮メタノール流２４および流出物流２０を放出するように、直列に配置された多数の反応装置セット１１，１３，１５，１７を備える。複数のメタノール流２４は併合されて、複合流２５を形成する。最下流の反応装置セットからの流出物流は、パージガス流２１を形成する。
【００４５】
さらに図３を参照すると、反応装置セット１１，１３，１５，１７の各々は、反応装置１２、分離器１８、および供給物／流出物熱交換器２２を備える。反応装置１２の各々は、供給物流１６または２０を受容して、生成物流１４を放出する。反応装置１２の各々からの生成物流１４は、対応する熱交換器２２を介して導かれ、熱交換器２２において、生成物流１４を、そのセットの反応装置のための供給物流１６または２０からの熱交換によって冷却して、生成物流からメタノールを凝縮する。前記生成物流１４は、熱的な接触が行われるような供給物−流出物交換器２２の構造内における冷却設備の導入によってさらに冷却される。次に、各反応装置セット１１，１３，１５，１７の生成物流１４は、任意の適当な種類の対応する分離器１８に導かれる。次いで、分離器１８は、次の下流の反応装置セットの反応装置１２に帰還流２０を提供する。上述のように、最後の反応装置セット１５の分離器１８からの帰還流２０は、パージガス流２１として放出される。
【００４６】
反応装置１２は、当業において知られているようなメタノール生成反応に使用される任意の適当な型の反応装置となるように選択することができる。好ましくは、各反応装置は、多数の断熱床から成り、各床の後、蒸気が有用なものとして用いられるように生成されるように、プロセス流体を冷却する。プロセスの適正な実施を可能にするには、１つの反応装置当たり２つの断熱床のみで十分である。とりわけ、蒸気ジャケット付きチューブ(steam jacketed tubes)（またはルルギ(Lurgi) 反応装置）、デービー−シネティックス(Davy-Synetix)から入手可能なチューブ冷却反応装置(tube cooled reactor) 、３床以上を有する断熱床反応装置、または恐らく球状または放射状の幾何配列の多重断熱床反応装置(multiple adiabatic bed reactors) のような、従来のメタノール反応装置と比較することによって、適当な代替の反応装置を想起し得る。各反応装置１２は、還元された亜鉛酸化物／銅酸化物の混合物(reduced zinc oxide/copper oxide mixture) を含有する触媒のようなメタノール合成触媒を含む。転化は、一般的には４０〜１００バール、２００℃を上回るが３１０℃を超えない温度、一般的には２２０〜２８０℃で起こる。一般的には、生成物流１４は、約５ｍｏｌの％メタノールを含有するであろう。低い温度において、だが触媒の量を増やすという代償により、より高い転化率を得ることができる。
【００４７】
熱交換器２２は、好ましくは、英国ドーセット所在のヒートリック製の拡散接合固相接合式熱交換器のようなプレート型熱交換器、またはヒートリックから入手可能な拡散接合プレートフィン熱交換器のような拡大面熱交換器、または英国ブラックネル所在チャート・インダストリーズから入手可能な鑞付けプレートフィン熱交換器、螺旋巻回式熱交換器、または従来技術の多管円筒形熱交換器とは対照的に、他の適当な積層プレート熱交換器となるように選択される。プレート型熱交換器または拡大面熱交換器２２は、それらの交換器２２を通過する流体流に対して近接したアプローチ温度を提供することができ、その結果、それらの生成物流は互いに対して５℃以内で交換器２２を退出するので、これらの種類の熱交換器が好ましい。これは、必要な冷却水の量を効果的に最小にし、熱交換器２２からの蒸気回収を最大にし、従って、これらの型の熱交換器は７ＮＴＵ以上の有効性を有する。
【００４８】
熱交換器２２はまた、多数の熱伝導作用が単一の熱交換器２２内で起こり得る多流および／または向流操作が可能である。具体的には、熱交換器２２は、各生成物流１４内のメタノール成分を効果的に冷却して、生成物流１４中のメタノールを凝縮させ、非常に経済的な方法で、分離器１８内におけるメタノールの取り出しを可能にする。メタノールの凝縮を最大にするために、熱交換器に付加的な冷却設備流が導入される。さらに、生成物流１４によって保持された熱は、供給物流１６および帰還流２０が反応装置１２に進入する前に、これらの供給物流１６および帰還流２０の温度を上昇させるために効果的に用いられる。メタノールは、濃度および反応圧に依存して、一般的には１１０℃で凝縮し始める。出口濃度が典型的である場合（５％）においてメタノールの効率的な取り出し（＞７５％）のために、熱交換器２２は、好ましくは、供給物／流出物交換反応装置中に冷却設備流を組み込むことにより、生成物流１６を６０℃未満に冷却するように構成される。最も好ましくは、反応装置帰還流２０は単一のプレート型熱交換器２２を通過することができ、熱交換器２２では、第１区域において、前記ガスは、２００〜２５０℃の加圧水のような高温冷媒で冷却される。次に、熱交換器２２の第２区域において、反応装置ガスは反応装置入口流１６との熱的な接触によって冷却される。最後に、第３区域において、反応装置ガスは冷却水で冷却されて、水を凝縮させる。
【００４９】
図３に示したシステム１０は４つの反応装置セット１１，１３，１５，１７を図示しているが、各反応装置セットの反応装置セットおよび構成要素の数は所望に変更することができる。例えば、４つの反応装置１２を有する図示した実施形態の最適な動作は、経済的に実行可能なプロセスのために要求される合成ガスのメタノールへの９５パーセントの転化を達成するために、化学量論比［（Ｈ２−ＣＯ２）／（ＣＯ＋ＣＯ２）］を２：１〜３：１、好ましくは２．１〜２．２／１に維持するために、供給物流１６の合成ガスの厳密な組成制御を必要とする。しかしながら、付加的な反応装置セットを１０個まで追加することによって、システムは、３：１〜２：１の間の比率を有する広範囲な供給ガス組成を有して、かつ／またはＣＯ２刺激ガス田に存在するように、供給ガスが可変の組成を有することにより、許容可能な全体的な合成ガスの転化率（ＣＯ（Ｘ）に対して９５パーセント超、またはＨ２に対して９０パーセント超）を生ずることができる。
【００５０】
ここで図４を参照すると、本発明のより具体的な実施形態において、システム１０’は、内部に多数の反応区域２６を画定する反応槽２７を備える。反応区域２６の各々は、対応する反応装置セット１１’，１３’，１５’などのための反応装置１２を収容している。システム１０’はまた、各反応装置セット１１’，１３’，１５’などのための多数の分離区域３２をその内部に画定する分離器槽３０を備える。槽２７，３０は、槽２７，３０がメタノール生成反応に必要な高温（２００°Ｃ〜３１０℃）および圧力（４０〜１００バール）に耐えられるように構成されている。種々の反応区域２６を分離するために、隣接した区域２６の間には分離壁２８が配置される。すべての反応区域２６が槽２７内に配置されるので、区域２６同士の間の圧力差は、連続する反応区域２６に流入するプロセ
ス流と同反応区域２６から流出するプロセス流との間における圧力損失のみである。前記圧力損失は、一般的には、約０．２〜２．０バールである。したがって、分離壁２８は、約０．２〜２．０バールの圧力差に耐え得るのみでよい材料から構成される。前記材料は槽２７を形成する材料より非常に安価であり、また壁２８は単純な溶接構造の壁であり得る。構成が容易なことにより、多段反応装置区域を収容する２つ以上の反応槽と、メタノール分離器を収容する２つ以上の分離槽とを用いる設計をもたらし得る。加えて、区域２６の各々への接触は、４０〜１００バールの設計圧力を要する外部接触地点（図示せず）の代わりに、２バールの圧力に耐えることができる内部接触地点（図示せず）において壁２８を介して提供することができる。また、反応装置１２、熱交換器２２、および様々な槽２７，３０中の分離器１８、および後で検討する熱交換器ブロック４０を備えることにより、システム１０は、該システム１０に合成ガスを供給する改質器（図示せず）と同じ圧力で作動でき、したがって、システム１０に供給される前に合成ガスを加圧する必要を排除する。
【００５１】
同様に、システム１０’の特定の実施形態はまた、多数の分離区域３２またはノックアウトポットを画定する分離槽３０を備える。分離区域３２の各々は、対応する反応装置セット１１’，１３’，１５’のための熱交換器２２および分離器１８を備える。分離区域３２は分離壁３４によって互いから分離されている。また、隣接した分離区域３２同士の間における圧力損失は非常に低く、例えば２バール未満であるので、分離壁３４は壁２８に類似した材料から構成することができ、分離槽３０を構成するために用いられる材料より非常に安価であり得る。加えて、図６に示したように、区域３２同士の間における圧力損失が小さいことから、区域３２の各々を接続し、分離区域３２同士の間の圧力差の作用によって、凝縮したメタノール流２４が分離区域３２から液体ドレン３８に沿って隣接する分離区域３２へと下方へ流れるのを許容する堰システム３６を用いることができる。液体ドレン３８および堰システム３６は、それにより、分離区域３２内のメタノール液面の能動的な液面制御を必要とすることなく、かつ依然としてガスシールを維持したまま、メタノール流２４が各分離区域３２またはノックアウトポットの間を流れて複合流２５を形成することを可能にする。その最も単純な構造において、液体が混合相中のガスから重力によって直接沈降し得る場合、区域３２は、混合相入口（生成物流１４）、上方ガス出口（帰還流２０）、および下方流体出口（メタノール流２４）を有して形成され得る。
【００５２】
図４および図５を見ると、熱交換器２２も単一ブロック４０に組み込むことができる。単一ブロック４０において、交換器２２の各々は、交換器２２を通って流れる冷却流体のための入口点および出口点（図示せず）を、それらの入口点および出口点がヘッダ４２に接続され得るように、整列させるように配置される。前記ヘッダ４２は、次に、各熱交換器２２のそれぞれの入口４５に冷却流体流を分配するために配管４４に作動可能に接続される。熱交換器２２が固相接合式熱交換器のような拡大面熱交換器またはプレート型熱交換器から形成されるとき、交換器２２に冷却水および／または加熱蒸気を供給するために、熱交換器２２のそれぞれに供給される単一の流体に対して、単一のヘッダ４２を用いることができる。類似した型であるが分離壁（図示せず）を有するヘッダ（図示せず）もまたブロック４０内の各交換器２２に配置することができる。前記ブロック４０は、ヘッダに反応触媒を配置することにより、槽２７内の区域２６に取って代わる反応区域として機能するように構成され、前記ヘッダは分離区域３２から供給物流１４または帰還流２０の１つを受容する。ヘッダは、ヘッダ内でメタノール転化反応が起こることを可能にし、続いて、メタノールおよび過剰合成ガスを有する生成物流１６をヘッダが接続されている熱交換器２２に再び導く。
【００５３】
図４〜図６のメタノール生産システム１０’は、多数の反応区域２６を備えた反応槽２７、熱交換器２２を有するブロック４０、および分離区域３２を備えた分離槽３０を備える特定の実施形態において、システム１０’は、１日当たり１〜５００メートルトンのメ
タノールを合成する能力を有する可搬式ユニットまたは固定式ユニットのいずれかとして形成されるように構成され得る。また、システム１０’を独立型ユニットとして使用することに加えて、システム１０’を再循環ループ型反応装置または他のメタノール生産システムのパージガス流に接続して、パージガスを反応装置セット１０’の供給物流１６として用いることによって、再循環ループ型反応装置または多段反応装置セットの転化を増大させることができる。この使用は、反応装置セットシステム１０’が反応槽２７、熱交換器ブロック４０および分離槽３０によって形成されている場合、特に有利である。
【００５４】
ここで図７を見ると、システム１０がメタノール回収システム５２として用いられる本発明の別の実施形態が図示されている。メタノール回収システム５２は、先にシステム１０’について説明したのと同様に、再循環ループシステム１００の再循環圧縮機２６０のパージガス流５０に作動可能に接続されている。システム５２は、互いに作動可能に接続された多数の反応装置５４，５４’，５４”を備え、それらの反応装置は好ましくは単純な断熱反応槽として形成されている。再循環圧縮機２６０を退出するパージガス流５０は、第１反応装置５４に進入する前に、初めにパージガス流５０を予熱する第１熱交換器５６を通過する。パージガス流５０は、第１反応装置生成物流５８によって加熱される。第１反応装置生成物流５８は、第１反応装置５４を退出して第１熱交換器５６を通過してパージガス流５０と熱的に接触してパージガス流５０の温度を上昇させる。同時に、パージガス流５０は、メタノールとまだ未反応のパージガスとから成る第１生成物流５８の温度を低下させる。このここで冷却された第１生成物流５８は、次に第１熱交換器５６から第１分離器６０へと通過し、それにより、生成物流５８はさらに冷却されて、第１メタノール流６２および第１未反応パージガス流６４を生じる。第１メタノール流６２は、第１分離器６０から収集されてメタノール生成物流９０を形成し、第１未反応パージガス流６４は、第１熱交換器５６に関して説明したのと同様に、メタノール回収システム５２の第２反応装置５４’から入来する第２生成物流５８’を冷却し、かつ第２生成物流５８’によって加熱されるために、第２熱交換器’５６に導かれる。さらに、第２反応装置５４’を退出する第２生成物流５８’は、第２分離器６０’から収集されてメタノール生成物流９０に追加される第２メタノール流６２と、第２未反応パージガス６４’とを生成するために、第１反応装置５４を退出する生成物流５８に類似した方法で、第２熱交換器５６’および第２分離器６０’によって処理される。
【００５５】
第２未反応パージガス流６４’は、パージガス流５０および第１未反応パージガス流５４の熱交換器５６，５６を介した通過に関して先に説明したのと同じ方法で、第２分離器６０’から第３熱交換器５６”を介して第３反応装置５４”に導かれる。第３反応装置５４”は、第２未反応パージガス流６４”を用いて、第３生成物流を５８”生成し、第３生成物流を５８”は、熱交換器５６”を介して第３分離器６０”に導かれ、第３分離器６０”は、メタノール生成物流９０に添加される回収可能な第３メタノール流６２”と、システム５２から放出される第３パージガス流５４”とを生成する。
【００５６】
反応装置５４，５４’，５４”の数は、必要に応じて１つから所望のメタノール転化率に必要な任意の数まで変更することができ、当業において知られているようなメタノール生成反応に使用される任意の適当な型の反応装置となるように選択することができる。好ましくは、各反応装置は、単純な断熱反応器からなり、最も好ましくは多数の断熱床を備え、蒸気が有用なものとして用いられるように生成されるように、各床の後でプロセス流体の冷却を行う。プロセスの適正な稼働を可能にするためには、１台の反応装置当たり２つの断熱床のみで十分である。先にシステム１０に用いられる反応装置１２に対する代替案として説明したものに類似するように、適当な代替の反応装置を選択することができる。
【００５７】
熱交換器５６，５６’，５６”は、先に検討した熱交換器２２と同様に構成され、好ま
しくは、従来技術多管円筒形熱交換器とは対照的に、拡散接合固相接合式熱交換器のようなプレート型熱交換器、または拡散接合プレートフィン熱交換器または鑞付けプレートフィン熱交換器のような拡大面熱交換器となるように選択される。これらの型の熱交換器は、システム１０に用いられる熱交換器２２に関して説明したのと同じ理由、すなわち、交換器５６，５６’，５６”を通過する流体流に対する近接したアプローチ温度を提供するそれらの能力、および交換器の多流式および／または向流式で機能する能力により好ましい。これは、必要な冷却水の量を効果的に最小にし、熱交換器５６，５６’，５６”からの蒸気回収を最大にする。その結果、熱交換器５６，５６’，５６”はまた、生成物流５８，５８’，５８”のそれぞれの中のメタノール成分を効果的に冷却して、生成物流５８，５８’，５８”中のメタノールを凝縮し、非常に経済的な方法で、分離器６０，６０’，６０”内におけるメタノールの取り出しを可能にする。
【００５８】
さらに、反応装置生成物流５８，５８’，５８”は、熱交換器５６，５６’，５６”に進入する前に、設備流（図示せず）によって冷却することができる。有意なことに、該システムは、依然として効率的に作動する再循環圧縮機を有さず、１日当たり約１，０００〜１，５００トンのメタノールを生産する、比較的規模用途において経済的に用いられることを可能する。しかしながら、より大規模稼働のために同様に拡大することもできるし、または有意な損害を有することなく大きさを縮小することができる。
【００５９】
加えて、メタノール回収システム５２は、熱交換器５６，５６’，５６”のそれぞれ、および分離器６０，６０’，６０”のそれぞれの双方として機能して、メタノール回収システム５２に用いられる構成要素の数を最小にする組み合わせ要素（図示せず）を備えることができる。
【００６０】
さらに、メタノール回収システム５２は、独立型の静止システムまたは可動システムとして用いることができ、かつ／または、既存の再循環ループ型反応装置システム１００または既存のカスケード反応器システム３２０に対する付属装置として用いて、これらの既存の反応装置からのメタノールの転化率を増大させたり、または、例えば、再循環速度を低減することにより再循環プロセスの有効性を緩和しながらも、変更されたプロセスの全体的な転化を維持したりすることができる。また、システム５２は、とりわけ高級アルコールまたはジメチルエーテルのような平衡制限反応によって形成される他の化合物を生産するシステム１０と共に用いることができる。
【００６１】
様々な代替案は、本発明として見なされる主題を詳細に示すとともに、明確に権利請求する以下の特許請求の範囲内にあると意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】従来技術の再循環ループ型反応装置システムの概略図。
【図２】従来技術の多段反応装置セットまたはカスケードシステムの概略図。
【図３】本発明に従って構成された多数の段間供給物／流出物熱交換器を備えた図２の多段反応装置セットの概略図。
【図４】個別の反応装置、熱交換器、および分離器は単一槽内に配置された複数の区域として形成された図３の反応装置セットの第２実施形態の概略図。
【図５】図４の反応装置の供給物／流出物熱交換器用のヘッダ構造の等角図。
【図６】図４の反応装置の分離器に対する堰排出システムの概略図。
【図７】メタノール生産反応器システムのパージガス流に取り付けられた図３の反応装置セットの概略図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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