(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギーを導入することによって炭化水素を含んだ流体を炭素と水素に分解し、エネルギーの少なくとも一部は熱によって提供され、炭素と水素は分解工程の後に少なくとも２００℃の温度を有し、
水を前記分解工程によって生成された炭素の少なくとも一部と８００℃から１７００℃の温度で接触させ、炭素を水と接触させる際には、分解工程で得られた炭素は前記分解工程後、その温度の５０％以下の温度（℃）だけ冷却する状態であり、
前記分解工程で得られた炭素と水の少なくとも一部を合成ガスに変換する合成ガス生成方法であって、
前記分解工程で得られた炭素と前記分解工程で得られた水素を共に水と接触させることを特徴とする合成ガス生成方法。
【請求項２】
エネルギーを導入することによって炭化水素を含んだ流体を炭素と水素に分解し、エネルギーの少なくとも一部は熱によって提供され、炭素と水素は分解工程の後に少なくとも２００℃の温度を有し、
水を前記分解工程によって生成された炭素の少なくとも一部と８００℃から１７００℃の温度で接触させ、炭素を水と接触させる際には、分解工程で得られた炭素は前記分解工程後、その温度の５０％以下の温度（℃）だけ冷却する状態であり、
前記分解工程で得られた炭素と水の少なくとも一部を合成ガスに変換する合成ガス生成方法であって、
炭素を水と接触させる工程の前に、前記分解工程で得られた炭素の少なくとも一部は前記分解工程で得られた水素と分離され、
分離された水素の少なくとも一部は変換工程で生成された合成ガスに添加されることを特徴とする合成ガス生成方法。
【請求項３】
分解工程は１０００℃以上の温度で起こり、炭素は少なくとも１０００℃の温度で水と接触することを特徴とする請求項１または２に記載の合成ガス生成方法。
【請求項４】
変換のための８００℃から１７００℃の温度に到達することが必要な熱は、炭化水素を含んでいる流体を分解するために提供された熱から本質的に、且つ、完全に生ずることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の合成ガス生成方法。
【請求項５】
分解工程によって得られた炭素の少なくとも一部及び／又は分解工程によって得られた水素の一部及び／又は合成ガスの一部の熱の少なくとも一部は、水を炭素と接触させる前に水を加熱するために用いられ及び／又は水が炭素と接触するプロセス室を加熱するために用いられ及び／又は発電のために用いられ、電気は、特に、炭化水素を含有する流体を分解するためのエネルギーを導入するエネルギーキャリアーとして提供されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の合成ガス生成方法。
【請求項６】
炭化水素含有流体を分解するエネルギーはプラズマによって導入されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の合成ガス生成方法。
【請求項７】
分解工程で得られた炭素と分解工程で得られた水素を、エアロゾルの形態の水と接触させることを特徴とする請求項６に記載の合成ガス生成方法。
【請求項８】
付加的な水素の少なくとも一部は、１０００℃以下の温度でマイクロ波プラズマによって炭化水素含有流体を分解することによって発生することを特徴とする請求項２に記載の合成ガス生成方法。
【請求項９】
分解される炭化水素含有流体は天然ガス、メタン、湿性ガス、重油又はそれらの混合物であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の合成ガス生成方法。
【請求項１０】
官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素生成方法であって、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法により合成ガスを最初に発生させ、合成ガスを官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素に変換するために、合成ガスを適当な触媒と接触させ、触媒及び／又は合成ガスの温度は所定範囲の温度に開ループ制御又は閉ループ制御されることを特徴とする官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素生成方法。
【請求項１１】
合成ガスの変換はフィッシャー・トロプシュプロセス、ＳＭＤＳプロセス、ベルギウス・ピアプロセス、ピアプロセス、ピアプロセスとＭｔＬプロセスの組み合わせのいずれかによって実施されることを特徴とする請求項１０に記載の官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素生成方法。
【請求項１２】
合成ガス生成装置であって、
炭化水素含有流体を炭素と水素に分解する炭化水素コンバーターを備え、
炭化水素コンバーターは、炭化水素含有流体用の少なくとも一つの入口と炭素及び／又は水素用の少なくとも一つの出口と、少なくとも部分的に熱からなるエネルギーをプロセス室に導入するための少なくとも一つのユニットとを有した少なくとも一つのプロセス室を備え、
水と炭素の変換用のＣコンバーターを備え、
Ｃコンバーターは、水用の少なくとも一つの入口と、少なくとも炭素用の少なくとも一つの入口と、少なくとも一つの出口とを有した少なくとも一つの別のプロセス室を備え、
少なくとも炭素用の入口は、炭化水素コンバーターの少なくとも一つの出口に直接的に接続され、
炭化水素コンバーター、炭化水素コンバーターの少なくとも一つの出口、Ｃコンバーター、Ｃコンバーターの少なくとも一つの入口は、炭化水素コンバーター内で生成された炭素と水素を共にＣコンバーターに導くように構成されていることを特徴とする合成ガス生成装置。
【請求項１３】
合成ガス生成装置であって、
炭化水素含有流体を炭素と水素に分解する炭化水素コンバーターを備え、
炭化水素コンバーターは、炭化水素含有流体用の少なくとも一つの入口と炭素及び／又は水素用の少なくとも一つの出口と、少なくとも部分的に熱からなるエネルギーをプロセス室に導入するための少なくとも一つのユニットとを有した少なくとも一つのプロセス室を備え、
水と炭素の変換用のＣコンバーターを備え、
Ｃコンバーターは、水用の少なくとも一つの入口と、少なくとも炭素用の少なくとも一つの入口と、少なくとも一つの出口とを有した少なくとも一つの別のプロセス室を備え、
少なくとも炭素用の入口は、炭化水素コンバーターの少なくとも一つの出口に直接的に接続され、
分解により得られた炭素と分解により得られた水素を分離する分離ユニットを備え、前記分離ユニットは分離ユニットで分離した物質用の個別の出口を有し、炭素用の出口はＣコンバーターと接続し、分離ユニットで分離された水素用の個別の入口パイプを備え、水素用の入口パイプは水素をＣコンバーターまたはＣコンバーターの下流に位置する混合室に導くことを特徴とする合成ガス生成装置。
【請求項１４】
エネルギーをプロセス室に導入するための少なくとも一つのユニットは、そのユニットが少なくとも局部的に１０００℃以上の温度を発生することができるように設計されていることを特徴とする請求項１２に記載の合成ガス生成装置。
【請求項１５】
エネルギーをプロセス室に導入するための少なくとも一つのユニットは、プラズマユニットからなることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の合成ガス生成装置。
【請求項１６】
Ｃコンバーターのプロセス室は炭化水素コンバーターの出口パイプによって形成され、出口パイプは水用の入口に接続されていることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の合成ガス生成装置。
【請求項１７】
炭化水素コンバーターはクバーナー反応器からなることを特徴とする請求項１２乃至１６のいずれか１項に記載の合成ガス生成装置。
【請求項１８】
炭化水素コンバーターは更に、炭素と水素とからなるエアロゾルを形成するように構成されていることを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の合成ガス生成装置。
【請求項１９】
炭化水素含有流体を炭素と水素に分解する少なくとも一つの付加的な炭化水素コンバーターを有し、前記炭化水素コンバーターは、
炭化水素含有流体用の少なくとも一つの入口を有した少なくとも一つのプロセス室と、
少なくとも部分的に熱からなるエネルギーをプロセス室に導入するための少なくとも一つのユニット、
分解によって得られた炭素と分解によって得られた水素とを分離する分離ユニットとを備え、
分離ユニットは炭素と水素用の個別の出口を有し、水素用の出口は水素用の別の入口に接続されていることを特徴とする請求項１２乃至１８のいずれか１項に記載の合成ガス生成装置。
【請求項２０】
少なくとも一つの付加的な炭化水素コンバーターは１０００℃以下の温度でマイクロ波プラズマによって分解を実行するタイプであることを特徴とする請求項１９に記載の合成ガス生成装置。
【請求項２１】
合成ガスを官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素に変換する装置であって、
請求項１２乃至２０のいずれか１項に記載の装置と、
触媒が位置するプロセス室と、合成ガスを触媒に接触させる手段と、触媒の温度及び／又は合成ガスの温度を所定の温度に開ループ制御又は閉ループ制御する制御ユニットとを有したＣＯコンバーターとを備えたことを特徴とする合成ガスの炭化水素への変換装置。
【請求項２２】
ＣＯコンバーターはフィッシャー・トロプシュコンバーター、ＳＭＤＳコンバーター、ベルギウス・ピアコンバーター、ピアコンバーター、ピアコンバーターとＭｔＬコンバーターの組み合わせのいずれか、からなることを特徴とする請求項２１に記載の合成ガスの炭化水素への変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素及び水から合成ガスを生成する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
世界経済の重要な部分は、原料またはエネルギー源としての原油に基礎を置いている。これゆえ、個人及び品物の輸送用のオットーディーゼル燃料、船舶用及び電気プラント用燃料としての重油及び家庭の暖房用の軽油は、原油から製造される。また、化学工業用の多くの原料は、直接的にまたは間接的に原油に由来している。現在、原油から製造される製品を他の原料または別のプロセスで代用するために多大な努力が払われている。エネルギー分野において、天然ガス及び再生可能なエネルギーは発電所の運転において原油の代わりに用いられている。電気エンジン、天然ガスエンジン及び水素燃料電池を運輸に適用するために試験がなされているが、それらは商業的には確立されてはいない。
【０００３】
工業的なスケールで天然ガスまたは石炭から油脂製品を生産する試みがなされている。例えば、天然ガスを液体燃料に変換するプロセスが知られている（いわゆるガス液化プロセスまたはＧＴＬプロセス）。それにもかかわらず、これらのプロセスは、一般的に相当量のＣＯ２放出を伴い、かつ、高いコストを伴う。加えて、これらのプロセスは、通常、ＣＯまたはＣＯ２と独立して水素を提供することはできない。それ故、これらの試みは経済的及び生態学的な理由から幾つかの孤立した適用に限られている。
【０００４】
合成ガス（Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｇａｓ）、略してシンガス（ｓｙｎｇａｓ）は、二酸化炭素をも含むことができる一酸化炭素と水素の気体混合物である。例えば、合成ガスは、炭素含有燃料を所定の発熱量を有したガス状生成物、すなわち合成ガスにガス化することによって生成される。合成ガスは天然ガスのエネルギー密度の約５０％である。合成ガスは燃焼可能であり、これゆえ燃料源として使用可能である。合成ガスは、他の化学製品の生成における中間生成物としても使用することができる。例えば、合成ガスは石炭または廃棄物のガス化によって生成することができる。合成ガスの生成の際、炭素は水と反応することが可能であり、また炭化水素は酸素と反応することが可能である。工業ガス、肥料、化学製品及び他の化学製品を生成するために合成ガスを処理するための商業的に利用可能な技術がある。しかしながら、合成ガスの生成及び変換のためのもっとも知られている技術（例えば、水性シフト反応）は、必要量の水素を合成することによってより多量の余分なＣＯ２を発生させ、このＣＯ２が気候に悪影響を与えるガスとして最終的に大気に放出されるという問題がある。合成ガスを製造する別の公知の技術である、２ＣＨ４  ＋  Ｏ２  →  ２ＣＯ  ＋  ４Ｈ２  という反応式によるメタンの部分酸化は、Ｈ２とＣＯの最大比が２．０に到達することができる。しかしながら、不利な点は、強力なエネルギーである純酸素を使用することである。
ヨーロッパ特許公開公報ＥＰ０２１９１６３Ａは、炭化水素を第一反応室で分解し炭素と水素を生成し、炭素を第二反応室に搬送し水と接触反応させる合成ガスの生成方法を開示している。
国際公開公報ＷＯ００／０６６７１Ａ１は、第一反応室において空気の存在下で生物学的物質を炭素と水蒸気やＣＯ２等の廃ガスに変換し、第二反応室において合成ガスが前記炭素と水蒸気から生成される合成ガスの生成方法を開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
それゆえ、本発明により解決すべき第一の問題点は、大量のＣＯ２を発生することなく、炭化水素含有流体を可変の水素含有量を有する合成ガスに変換することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点は請求項１、２及び１３に係る方法及び請求項１７，１８及び２６に係る装置によって解決される。また、実施形態は、従属の請求項に由来している。
【０００７】
特に、合成ガス生成方法は、少なくとも一部は熱によって提供されるエネルギーの導入によって炭化水素含有流体を炭素と水素に分解することで成り立ち、炭素と水素は分解工程後に少なくとも２００℃の温度を有する。分解工程によって発生する炭素の一部は８００℃から１７００℃の間の温度で水と接触し、分解工程後、炭素が水と接触する際に、分解工程によって生成された炭素はその温度の５０％以下の温度（℃）だけ冷却する。ここで、水の少なくとも一部は、分解プロセスによって生成した炭素とともに合成ガスに変換される。この方法によって、相当量のＣＯ２を発生させることなく、炭素含有流体を可変の水素含有量を有した合成ガスに変換することが可能である。有利な方法では、（炭化水素の分解によって）炭素を得るために必要なエネルギーの少なくとも一部は、変換のための熱の形で導入される。加えて、水素と様々な異なった形態の炭素が副生成物として生成可能である。
【０００８】
分解工程が１０００℃以上の温度で起こり、少なくとも１０００℃の温度で、特に１０００℃から１２００℃の温度で、炭素が水と接触する場合には、変換のために提供される付加的な熱が必要でないか、又は、ほんのわずかな付加的な熱のみを必要とする。好ましくは、変換のために８００℃から１７００℃（特に１０００℃から１２００℃）の温度に到達することが必要な熱は、炭化水素含有流体の分解のために用いられる熱によって基本的に、且つ、完全に提供される。ここで、基本的、且つ、完全にとは、必要とされる熱の少なくとも８０％、特に少なくとも９０％は分解工程から生ずるということを意味する。
【０００９】
一実施形態では、分解工程で得られた炭素及び分解工程で得られた水素はともに水と接触する。水素は変換には影響を与えず、付加的な熱伝達物質として機能することが可能である。これは、炭素と水素が１０００℃（好ましい変換温度）以上の温度を有している場合に特に有利である。この場合、変換後のガスは純粋な水性ガスではなく異なった混合比を有した合成ガスである。
【００１０】
また、分解工程で得られた炭素は、炭素を水と接触させる工程の前に分解工程で得られた水素と分離することが可能である。
【００１１】
この方法のエネルギー効率を増すために、分解工程で得られた炭素の少なくとも一部及び／又は水素の一部の熱の少なくとも一部は、水を炭素と接触させる工程の前に水を加熱するために使用することが可能である、及び／又は、水が炭素と接触するプロセス室を加熱するために使用することが可能である。この意味で、変換後に合成ガスが８００℃から１７００℃の温度を有し、且つ、その合成ガスの熱の少なくとも一部を、水を炭素と接触させる工程の前に水を予熱するために使用することが可能である、ということに留意すべきである。分解工程で得られた炭素の少なくとも一部及び／又は水素の一部の熱の少なくとも一部、及び／又は、変換後の合成ガスの一部は、炭化水素含有流体の分解工程用のエネルギーを導入するためのエネルギーキャリアーとして使用することが可能である電気を発生させるために使用することも可能である。
【００１２】
好ましくは、炭化水素を分解するためのエネルギーは主としてプラズマを介して導入される。これはエネルギーを導入するために、特に直接的で、且つ、効率的な方法である。好ましくは、分解工程は、炭化水素の流れを連続的に分解することが可能なクバーナー反応器で行われる。
【００１３】
合成ガスを発生するための方法において、付加的な水素及び／又は一酸化炭素及び／又は別の合成ガスを、所望の組成を得るために合成ガスに加えることが可能である。炭素と水素の両方を水と接触させる場合、ＣＯ／Ｈ２比を減らすため、付加的な一酸化炭素を合成ガスに加えることが特に有効である。基本的に純粋な炭素を水と接触させるための工程の間、ＣＯ／Ｈ２比を増加させるために付加的な一酸化炭素を加えることが有効である。特に、ＣＯ／Ｈ２の所望の混合比を得るために上述した方法（炭素と水素の事前分離を行う方法、炭素と水素の事前分離を行わない方法）によって別々に発生した二つの合成ガスの流れを混合することが可能である。
【００１４】
好ましくは、熱によって少なくとも部分的に行われるエネルギーの導入によって炭化水素含有流体を炭素と水素に分解する工程から付加的な水素が発生する。それゆえ、分解工程は、一つの工程で、Ｃ・Ｈ２Ｏ変換のために必要な炭素及び必要な水素を提供することが可能である。一実施形態では、水素の少なくとも一部は、マイクロ波プラズマによって、１０００℃以下の温度、特に６００℃以下の温度で、炭素含有流体を分解する工程によって生成される。
【００１５】
付加的な水素（Ｃ・Ｈ２Ｏ変換のために必要な炭素の生成によって得られる量以上の水素）が合成ガスの特定の混合比を得るために必要な場合、炭化水素含有流体から低温でエネルギー効率が良い前記水素を生成することが好ましい。好ましくは、合成ガス中のＣＯの水素に対する比率（ＣＯ：Ｈ２）は１：１から１：３の間の値、特に１：２．１の値に調整される。
【００１６】
官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素を生成する方法において、第１工程では、上述したように、合成ガスが生成され、合成ガスを官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素に変換するために合成ガスを適当な触媒と接触させる。ここで、触媒及び／又は合成ガスの温度は所定の温度範囲に設定又は調整される。このようにして、合成ガスを触媒と接触させる前、或いは、接触させる時に、ＣＯを水素と混合することによって合成ガスを生成することが可能である。
【００１７】
一つの実施形態では、合成ガスの変換はフィッシャー・トロプシュプロセス、特にＳＭＤＳプロセスによって行われる。また、合成ガスの変換はベルギウス・ピア（Ｂｅｒｇｉｕｓ−Ｐｉｅｒ）プロセス、ピアプロセス又はピアプロセスとＭｔＬプロセスの組み合わせによって行うことが可能である。官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素の性質を大きく決定するのはプロセスの選択である。
【００１８】
好ましくは、分解すべき炭化水素含有流体は、天然ガス、メタン、湿性ガス、重油又はそれらを混合したガスである。
【００１９】
合成ガス生成装置は炭化水素含有流体を炭素と水素に分解する炭化水素コンバーターを備え、炭化水素コンバーターは炭化水素含有流体用の少なくとも一つの入口及び炭素及び／又は水素用の少なくとも一つの出口を有した少なくとも一つのプロセス室と、少なくとも部分的に熱から成るエネルギーをプロセス室に導入する少なくとも一つのユニットとを備えている。また、装置は水と炭素の変換用のＣコンバーターを備え、Ｃコンバーターは水用の少なくとも一つの入口、少なくとも炭素用の少なくとも一つの入口及び少なくとも一つの出口を有した少なくとも一つの付加的なプロセス室を備え、少なくとも炭素用の入口は炭化水素コンバーターの少なくとも一つの出口に直接的に接続されている。ここで、用語「直接的に接続」とは、Ｃコンバーターへの途中で、炭素を加熱するために付加的なエネルギーを使用することなく、炭化水素コンバーターから排出される炭素が、その炭素の温度（℃）の５０％以上は冷却せず、好ましくは２０％以下の温度（℃）分しか温度が下がらない、ということを意味する。炭素を水素から分離する分離ユニットは、分解工程の位置と炭化水素コンバーターの少なくとも一つの出口との間に設けることが可能である。このユニットは炭化水素コンバーターの一部を形成することが可能であるか又は分離ユニットとして炭化水素コンバーターの外側に位置することが可能である。炭化水素コンバーターの出口とＣコンバーターの入口との間の分離ユニットは、上記条件に適合する限りにおいて、直接接続の邪魔にはならない。
【００２０】
好ましくは、エネルギーをプロセス室に導入するための少なくとも一つのユニットは、そのユニットが１０００℃以上の温度、特に１５００℃以上の温度を少なくとも局部的に発生することが可能であるように構成されている。一実施形態においては、エネルギーをプロセス室に導入するための少なくとも一つのユニットはプラズマユニットである。特に、分解温度が１０００℃以下に保たれる場合には、エネルギーをプロセス室に導入するための少なくとも一つのユニットはマイクロ波プラズマユニットからなる。
【００２１】
装置の特に単純な実施形態にとっては、Ｃコンバーターのプロセス室は、水用の供給パイプに接続されている炭化水素コンバーターの出口パイプによって形成されている。
【００２２】
本発明の一つの実施形態においては、分解によって発生する炭素と水素を分離するための分離ユニットは炭化水素コンバーターの近くに設けられており、分離ユニットからの別々の出口は分離された物質のために設けられており、炭素用の出口はＣコンバーターに接続されている。
【００２３】
好ましくは、炭化水素コンバーターは、長い操作期間の間、炭素含有流体を連続的に分解するために必要な温度を提供することが出来るクバーナー反応器である。
【００２４】
装置は、可変の混合比を有する合成ガスの単純で効率的な生成のために、水素及び／又は炭素及び／又は分離された合成ガスをＣコンバーター又は下流の混合室に供給するための少なくとも一つの分離供給パイプを備えることが可能である。
【００２５】
一つの実施形態では、合成ガス生成用の装置は、炭化水素含有流体を炭素と水素に分解する少なくとも一つの付加的な炭化水素コンバーターを備えている。少なくとも一つの付加的な炭化水素コンバーターは、また炭化水素含有流体用の少なくとも一つの入口を有した少なくとも一つのプロセス室と、少なくとも部分的に熱からなるエネルギーをプロセス室に導入するための少なくとも一つのユニットと、分解によって得られた炭素と水素とを分離する分離ユニットとを備え、分離ユニットは炭素と水素用の個別の出口を有し、水素用の出口は水素用の分離供給パイプに接続されている。エネルギー効率の理由から、少なくとも一つの付加的な炭化水素コンバーターは、マイクロ波プラズマによって１０００℃以下の温度、特に６００℃以下の温度で分解を行うタイプのものが好ましい。
【００２６】
合成ガスを官能基を有する及び／又は官能基を有さない炭化水素に変換する装置は、上記特定のタイプの合成ガスを発生する装置及びＣＯコンバーターを備えている。ＣＯコンバーターは、触媒を装備したプロセス室と、合成ガスを触媒と接触させる手段と、触媒及び／又は合成ガスの温度を所定の温度に制御又は調整する制御ユニットとを備えている。こうして、合成ガスを発生する装置の部分はＣＯコンバーター、例えば、ＣＯ及び付加的な水素、炭素及び／又は別の合成ガス用の混合室に組み込むことが可能である。一実施形態では、ＣＯコンバーターはフィッシャー・トロプシュコンバーター、特にＳＭＤＳコンバーターを備えている。また、ＣＯコンバーターはベルギウス・ピアコンバーター、ピアコンバーター又はピアコンバーターとＭｔＬコンバーターの組み合わせを備えている。同一タイプ又は異なったタイプの幾つかのＣＯコンバーターが装置に含まれることも可能である。
【００２７】
好ましくは、装置はＣＯコンバーター内の合成ガスの圧力を制御又は調整する制御ユニットを備えている。
【００２８】
以下、本発明を実施形態及び図面を参照して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、合成ガス生成用のプラントの概略図である。
【図２】図２は、合成ガス生成用の別のプラントの概略図である。
【図３】図３は、官能基を有する及び／又は官能基を有さない炭化水素生成用のプラントの概略図である。
【図４】図４は、別の実施形態に係る官能基を有する及び／又は官能基を有さない炭化水素生成用の別のプラントの概略図である。
【図５】図５は、別の実施形態に係る官能基を有する及び／又は官能基を有さない炭化水素生成用のプラントの概略図である。
【図６】図６は、別の実施形態に係る官能基を有する及び／又は官能基を有さない炭化水素生成用のプラントの概略図である。
【図７】図７は、別の実施形態に係る合成ガス生成用のプラントの概略図である。
【図８】図８は、別の実施形態に係る官能基を有する及び／又は官能基を有さない炭化水素生成用のプラントの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下の説明において、頂部、底部、右及び左等の用語、及びこれらに類似した用語は、図面において示される方向及び配置に関するものであり、実施形態の説明のためにのみに意味されるものとして留意すべきである。これらの用語は好ましい対応を示すが限定するものではない。また、異なった図面において、同一の符号は同一または類似した部分を説明するために使用される。
【００３１】
以下の明細書において「ホット」材料を取り扱う、または、「ホット」プロセスを実施する方法及び装置を説明する。この詳細な説明において、語句「ホット」は２００℃以上の温度、好ましくは３００℃以上の温度を意味する。
【００３２】
合成ガスは、主として一酸化炭素及び水素からなるいずれのガスであっても良い。一酸化炭素と水素がほぼ等しい分量（１：１）からなるガス（合成ガス）は水性ガスと呼ばれる。ここで用いられる語句「合成ガス」は、合成ガスの特定の混合物としての水性ガスを包含する。
【００３３】
図１は合成ガスを生成するプラント１を示す。図１は、またこの詳細な説明による合成ガスの生成のための基本的な生成工程を明示する。
【００３４】
合成ガスを生成するプラント１は、炭化水素入口４及び第１炭素出口５、任意の水素出口６及び任意の第２炭素出口７を有した炭化水素コンバーター３を備えている。合成ガスの生成用のプラント１は、水入口１０、炭素出口１１（Ｃ入口とも称す）及び合成ガス出口１２を有したＣコンバーター９を備えている。炭化水素コンバーター３及びＣコンバーター９は、炭化水素コンバーター３の炭素出口５が直接接続部８を介してＣコンバーター９の炭素入口１１に接続されるように配置されており、出口５はＣコンバーター９の炭素入口１１を直接に形成している。こうして、炭素を炭化水素コンバーター３からＣコンバーター９に直接に輸送することが可能である。
【００３５】
炭化水素コンバーター３は、導入された炭化水素を炭素と水素に変換または分解することができる炭化水素コンバーターであればいずれのコンバーターであっても良い。炭化水素コンバーター３は炭化水素含有流体用の入口、分解エネルギーを流体に導入する少なくとも１つのユニットと、少なくとも１つの出口とを備えたプロセスチャンバーからなっている。分解エネルギーは、少なくとも部分的に例えばプラズマによってもたらされる熱によって提供される。それにもかかわらず、分解エネルギーは、他の手段によっても提供可能であり、分解が主に熱によって起こる場合には、流体は１０００℃以上に加熱されるべきであり、特に１５００℃以上の温度に加熱されるべきである。
【００３６】
説明される実施形態においては、クバーナー反応器が用いられ、このクバーナー反応器は必要とされる熱をプラズマアークによって提供する。しかしながら、より低い温度で特に１０００℃以下の温度で作動し、例えばマイクロ波プラズマによって熱に加えて付加的なエネルギーを炭化水素に導入する他の反応器が知られている。以下に更に説明するように、本発明は、両方のタイプの反応器（プラズマ無しに作動する反応器も）を考慮しており、特に両タイプの反応器を併用することも考慮している。１０００℃以上の温度で作動する炭化水素コンバーターは高温反応器と称するのに対し、１０００℃以下の温度、特に２００℃から１０００℃の温度で作動するコンバーターは低温反応器と称する。
【００３７】
炭化水素コンバーター内で、炭化水素（ＣｎＨｍ）は熱及び／またはプラズマによって水素と炭素に分解される。炭化水素は、好ましくはガスとして反応器に導入される。標準状態で液体の炭化水素は、反応器への導入前に気化することが可能であり、又は炭化水素は微小液滴として導入することが可能である。いずれの形態も以下において流体と示される。
【００３８】
炭化水素の分解は、酸化炭素または水の形成を抑制するために、可能であれば酸素が存在しない状態でなされるべきである。それにもかかわらず、炭化水素とともに導入される可能性のある少量の酸素はプロセスに害にはならない。
【００３９】
上述したクバーナー反応器はプラズマ燃焼器内で炭化水素含有流体を高温で純炭素（例えば、活性炭、カーボンブラック、グラファイト、工業用すすとして）と水素、および場合により不純物に分解する。炭化水素コンバーター３用の出発原料として用いられる炭化水素含有流体は、例えばメタン、天然ガス、バイオガス、湿性ガスまたは重油である。しかしながら、合成の官能基を有する及び／または官能基を有さない炭化水素も炭化水素コンバーター３用の出発原料として用いることが可能である。最初の分解工程の後、元素は、通常、混合物として、特にエアロゾルの形で存在する。この混合物は、後述するように、この形で別のプロセスに導入することが可能であるか、または混合物は分離ユニット（図示せず）において個々の元素に分離可能である。分離ユニットは個別のユニットとして構成されるけれども、本件特許出願においては、そのような分離ユニットは炭化水素コンバーター３の一部として考えられる。分離ユニットが設けられていない場合には、炭素出口５は炭化水素コンバーター３の唯一の出口であり、炭素と水素の混合物（エアロゾル）を直接にＣコンバーター９に導く。分離ユニットを設ける場合には、少なくとも部分的に水素から分離される炭素を炭素出口５を用いてＣコンバーター９に導入することが可能である。分離された水素、および場合により付加的な炭素は、任意の出口６および７によって排出可能である。
【００４０】
Ｃコンバーター９は、炭素（Ｃ）および水（Ｈ２Ｏ）から合成ガスを生成することができるものであれば、どんなＣコンバーターであってもよい。図１の実施形態において、Ｃコンバーター９内で、Ｈ２Ｏは炭素上を通過するか、または水蒸気は炭素と水素の流れの中に導入され、その流れと混合され、それによって化学式  Ｃ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ  ＋  Ｈ２  のように変換される。
Ｃコンバーター９内で、次の反応が起こる：
Ｃ    ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ  ＋  Ｈ２    ＋１３１．３８ｋＪ／ｍｏｌ    吸熱反応
ＣＯ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  Ｈ２      −４１．１９ｋＪ／ｍｏｌ    発熱反応
ブドワール平衡において、次の反応が起こる：
２Ｃ  ＋  Ｏ２    →  ２ＣＯ          ＋１７２．５８ｋＪ／ｍｏｌ    吸熱反応
【００４１】
全ての３つの反応は互いに平衡であるので、Ｃコンバーター９内のプロセスは、好ましくは８００℃から１７００℃の高温、より好ましくは１０００℃から１２００℃の高温で起こる。というのは、第２の反応が低温で優位的であるからである。上記温度に達するのに必要な熱は炭化水素コンバーター３から生ずる物質によって主として提供される。この点については以下に詳細に説明する。これらの条件の下でＣコンバーター９内の水（Ｈ２Ｏ）は蒸気であり、水は蒸気として既に導入可能である。操作中の水の供給は、強力な冷却を避けるために余剰の水の倍数を避けるように制御される。Ｃコンバーター９内で過剰な冷却がなされる場合、上記反応２が優位的である。
【００４２】
発熱性水性シフト反応  ＣＯ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  Ｈ２  を抑制して合成ガス内の一酸化炭素の割合を最適化するために、Ｃコンバーター９は１０００℃から１２００℃の高温で作動することが最良である。Ｃコンバーター９内の反応は当業者には公知であり、これ故ここでは更には説明しない。
【００４３】
合成ガスの発生用のプラント１の操作を図１を参照して以下に説明する。以下において、炭化水素コンバーター３はクバーナータイプの高温反応器であるとする。炭化水素含有流体（特にガス状）は炭化水素入口４を介して炭化水素コンバーター３に導入される。炭化水素が、例えば、メタン（ＣＨ４）である場合、１モルのメタンから１モルの炭素と２モルの水素が発生する。炭化水素は炭化水素コンバーター３のプラズマトーチ内で約１６００℃で以下の反応式によって変換される。ここで、導入されるエネルギーは電気エネルギーによってプラズマ内で発生する熱である。
ＣｎＨｍ  ＋  エネルギー  →  ｎＣ  ＋  ｍ／２Ｈ２
【００４４】
適切なプロセスコントロールによって、クバーナー反応器はほぼ１００％の炭化水素を連続した操作でその構成要素に変換することが可能である。
【００４５】
以下において、炭素と水素は炭化水素コンバーター３内で分離され、大部分は分離された状態で排出されると考えられる。しかしながら、分離されず、炭素と水素が混合物として排出されてＣコンバーター９に導入されることも可能である。水素はＣコンバーター９内での変換プロセスの障害にはならず、付加的な熱伝達物質として機能する。炭素は少なくとも一部は炭素出口５からＣコンバーター９の炭素入口１１に直接に導かれる。炭化水素コンバーター３の出口５からＣコンバーター９の炭素入口１１に「直接」導くということは、導かれる物質の温度が５０％以上（好ましくは２０％以上）の冷却を受けないような全ての変形を含んでいる。炭化水素コンバーター３から排出された炭素は高温であり、好ましくは１０００℃以上であるので、炭素が持っている熱エネルギーは例えば約１０００℃の温度で作動するＣコンバーター９における変換プロセスに必要な温度を維持するために使うことができる。
【００４６】
炭化水素コンバーター３とＣコンバーター９とを接続する接続部８は、炭素が炭化水素コンバーター３からＣコンバーター９に行く間にあまり冷却されない（温度に関して５０％以下、好ましくは２０％以下）ように設計されている。例えば、接続部８は特別に絶縁されるか及び／または積極的に加熱され、装置は好ましくは付加的な熱が供給されず、すなわち炭化水素コンバーター３における熱導入に加えて付加的な熱が供給されることはない。炭化水素コンバーター３内の操作温度のために、炭化水素コンバーター３で発生する水素も熱エネルギーを持っている。それゆえ、接続部８を加熱する１つの可能性としては、炭化水素コンバーター３とＣコンバーター９間の接続部８を熱交換器ユニットを介して直接的にまたは間接的に加熱するために、水素出口６から排出される水素の熱エネルギーを使用することである。
【００４７】
Ｃコンバーター内に、Ｃコンバーター９の水入口１０を通して導入される水、特に蒸気の形で導入される水は、ホット炭素上に導かれ及び／又はホット炭素と混合される。Ｃコンバーターは高温で操作されるのが最良である。というのは、Ｃコンバーター９内の反応は吸熱反応であり、それに対し、水性シフト反応が発熱反応だからである。反応が圧力と温度に依存することは当業者には公知であるので詳細には説明しない。Ｃコンバーター９に導入される水の量または炭素の量は、いずれも適切な手段によって制御可能である（開ループ）及び／又は調整可能である（閉ループ）。
Ｃ  +  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ  ＋  Ｈ２；        ΔＨ  ＝  ＋１３１．３８ｋＪ／ｍｏｌ
【００４８】
またここで、ブドワール平衡は限定された要素である。これは、１０００℃以上の温度でかつ余剰な水が存在しない状態では、混合物はほぼ一酸化炭素および水素で構成されるためである。Ｃコンバーター９は、好ましくは、温度＞１０００℃で作動するので、Ｃコンバーター９の水入口１０に導入される水を予熱することが有利である。例えば、水の予熱は熱交換器ユニットを介して直接的にまたは間接的にホット水素中に含まれる熱エネルギーを用いて行うことが可能である。好ましくは、炭素中に含まれる熱は水を所望の温度に加熱するためには十分である。炭化水素コンバーター３で発生する熱が約１０００℃の所望の変換温度に到達するために十分でない場合のみにおいて、Ｃコンバーター９またはＣコンバーター内に含まれる元素を加熱するための任意の付加的な加熱ユニットを設けることが可能である。そのようなユニットは、水または炭素用の供給ラインの近くに予熱ユニットとして設けることも可能である。そのようなユニットは、装置が所望の温度状態により早く到達するようにＣコンバーター９またはプラントの媒体を含んでいる部分を開始温度にするためにプラントの立ち上げ段階のためのみに設けることが可能である。炭化水素コンバーター３で発生する熱を介して全ての媒体を含んでいる部分をもっぱら加熱することは最初は長い時間がかかる可能性がある。
【００４９】
ホット合成ガス（ＣＯ  ＋  Ｈ２）は１０００℃より高い温度（Ｃコンバーター９の作動温度による）でＣコンバーター９から排出される。Ｃコンバーター９から排出される合成ガスは、水入口１０に導入される水を熱交換器ユニット（図１では図示せず）を介して直接にまたは間接的に予熱するために用いることが可能である熱エネルギーを保有している。適切な操作パラメーター、すなわち１０００℃から１２００℃の温度（および炭化水素コンバーター３における水素と炭素の分離）によって、合成ガスは生成され、合成ガス中のＣＯとＨ２は１：１の比を有し、この合成ガスは水性ガスと呼ばれる。炭化水素コンバーター３において水素と炭素を分離することなくかつＣコンバーター９においてそれぞれ適切な操作パラメーターとすることなく、すなわち１０００℃から１２００℃の温度に調整しない場合には、約１：３のＣＯ／Ｈ２比を有した合成ガスが生成される。
【００５０】
上述したように、炭化水素コンバーター３は炭素を排出するための第２炭素出口７を備えることが可能である。炭化水素コンバーター３で生成される炭素は、ＣとＨ２各々の分離の後に（またはＣ−Ｈ２混合物として）第１炭素出口５および第２炭素出口７を介して異なった割合で排出することが可能である。第２炭素出口７は、生成された炭素のうち合成ガスを発生させるためにＣコンバーター９で使用されない炭素の一部を排出するために使用される。使用されない炭素の量は、Ｃコンバーター９から排出されるであろう合成ガスの所望の組成に依存する。第２炭素出口７を通して排出される炭素は、活性炭、グラファイト、カーボンブラックもしくはカーボンコーンやカーボンディスク等の別の形態として排出することが可能である。排出された炭素の形態及び品質に応じて、排出された炭素は化学工業またはエレクトロニクス工業用の原料として使用することが可能である。例えば半導体の製造、タイヤ、インク、トナーまたは類似の製品の製造に使用することが可能である。炭化水素コンバーター３によって生成された炭素は極めて良好に処理可能である高純度の原料である。
【００５１】
合成ガスを生成するための上述の方法によって、温水または熱水によりＣコンバーター９において炭化水素コンバーター３から出たホット炭素を外部エネルギー供給が無い状態であるいは少なくとも相当量の外部エネルギー供給が無い状態で合成ガスに変換することが可能である。好ましくは変換温度に到達するのに必要な熱の少なくとも８０％、特に少なくとも９０％は炭化水素コンバーター３から発生する熱によることができる。
【００５２】
図２は合成ガスを生成するためのプラント２０を示し、プラント２０は合成ガスを生成するためのプラント１の上述の要素および混合室２１を備えている。混合室２１は合成ガスを導入するための合成ガス入口２２、水素を導入するためのＨ２入口２３、および合成ガスを排出するための合成ガス出口２４を備えている。合成ガス入口２２はＣコンバーター９の合成ガス出口１２に接続されている。混合室２１のＨ２入口２３は炭化水素コンバーター３のＨ２出口６に接続されている。当業者にとって明らかなように、Ｃ−Ｈ２混合物を炭素出口５を介してＣコンバーター９に導入する実施例では、約１：３のＣ−Ｈ２の混合比を有する合成ガスが自動的に生成される。そのような場合、混合室２１は無くてもよいかまたは混合室２１は異なった混合比を生成するために使用しても良いし、または合成ガスのＨ２含有量を減らすためにＣＯを混合室に導入しても良い。
【００５３】
混合室２１はガスを混合するために適切な装置であればいずれの装置であっても良く、単純な場合には混合室２１は適切な入口および出口を有したパイプの形状をしていても良い。混合室２１によって、および、特に混合ユニット２１のＨ２入口２３及び／又はＣＯ源（図示せず）及び／又は第２合成ガス源に接続された入口（図示せず）を介して導入される（付加的な）水素量を制御／調整（開／閉ループ）することによって、合成ガス出口２４での合成ガスの混合物は、後続のプロセスに適合した組成が得られるように影響されうる。特に、第２合成ガス源は第１Ｃコンバーターに並行して操作される第２Ｃコンバーター９であっても良い。両Ｃコンバーター９には、通常共用される炭化水素コンバーター３または別のコンバーターユニットから炭素及び／又は水素が供給される。特に第１コンバーターにはほぼ純粋な炭素（水素分離後の）が供給可能であり、第２コンバーターには炭素と水素が供給可能である。ここで、第１Ｃコンバーターは約１：１のＣＯ：Ｈ２の混合比を有する実質的に水性ガスを生成し、第２Ｃコンバーターは約１：３のＣＯ：Ｈ２の混合比を有する合成ガスを生成する。これら２つの合成ガスを組み合わせることによって約１：２のＣＯ：Ｈ２の混合比を生じさせ、（第１Ｃコンバーターに導入する前の分離工程からの）余剰の水素は混合比をさらに増加させるために利用される。
【００５４】
多くのプロセスのために、たとえば、フィッシャー・トロプシュ合成のために、ＣＯに対する水素の比は高くあるべきである。混合室２１によって、ＣＯに対する水素の所望の比率、例えば、水性ガスに対応する１：１の比率が、合成ガス出口２４で達成することができる。合成ガスの一部及び／又は水素の一部のみは混合室２１に供給され、混合室に導入されない合成ガスおよび水素の一部が各々純ガスとしてプロセスから排出されるということが考えられる。
それゆえ、例えば、ａ）合成ガスのみを排出すること、ｂ）水素のみを排出すること、ｃ）ＣＯと水素の合成ガス混合物を排出すること、またはｄ）水性ガスの流れ、水素の流れ、および合成ガス混合物（ＣＯと水素との間のいずれの比率でもよい）または一酸化炭素と水素の異なった比率を持った各種の合成ガスの流れを排出することが可能である。
【００５５】
また、図２において合成ガスを生成するプラント２０は、Ｃ熱交換器ユニット２５、合成ガス熱交換器ユニット２６およびＨ２熱交換器ユニット２７を備えている。Ｃ熱交換器ユニット２５は、炭化水素コンバーター３とＣコンバーター９との間の接続部８と熱的に伝導して接触状態にあり、必要な場合には、Ｃコンバーター９において変換温度に到達するために必要とされない余分な熱を接続部から引き出すようになっているか、または必要であればプラントの他の領域から熱を導入するようになっている。
【００５６】
合成ガス熱交換器ユニット２６は、Ｃコンバーター９と混合室２１との間の接続部と熱的に伝導して接触しており、余分な熱を接続部から引き出しおよびホット合成ガスに含まれる余分な熱を引き出すようになっている。引き出された熱は、例えばＣコンバーター９に導入される水を予熱するために使用可能である。この熱移送のためには、当該技術分野で知られているように、いわゆる向流熱交換器ユニットが特に適切である。
【００５７】
Ｈ２熱交換器ユニット２７は炭化水素コンバーター３と混合室２１との間の接続部と熱的に伝導して接触状態にあり、余分な熱を接触部から引き出し、これゆえ接触部内にあるホット水素から引き出すようになっている。熱交換器ユニット２５、２６または２７の１つで引き出された熱は、プラントの他の領域を加熱するために使用され、特にＣコンバーターを保温するため、またはＣコンバーターに導入される水を予熱するために使用可能である。前記熱交換器ユニットで引き出された熱の一部は、例えば蒸気発生器および蒸気タービンまたは他の適切な装置によって電気に変換することが可能である。
【００５８】
プラント２０により合成ガスを生成する操作は、炭化水素コンバーター３およびＣコンバーター９の操作に関して、図１によるプラント１の上述の操作に類似している。合成ガスを発生するプラント２０において、水素とＣＯの所望の混合比率は、合成ガスの所望の組成によって混合室内で設定され、且つ、混合室２１の合成ガス出口２４を介して排出される。好ましくは、しかしながら必ずしもそうではないが、水素は、上述したように、炭化水素コンバーター３によってもたらされる。他の水素源も考えられ、特に第２炭化水素コンバーター３、特に低温炭化水素コンバーターが考えられる。合成ガスの得られる量の全体及び／又はＨ２の得られる量の全体を使わない場合には、混合室で混合されないガス、例えば、合成ガス及び／又はＨ２の一部は別途処理可能である。
【００５９】
図３は官能基を有する及び／または官能基を有さない合成炭化水素の生成用のプラント３０を示し、プラント３０は（図１に示すような）水性ガス生成用のプラントおよびＣＯコンバーター３１を備えている。図１に対応するプラントの構成要素は重複した説明を避けるために説明しない。ＣＯコンバーター３１はＣコンバーター９の下流に位置しており、ＣＯコンバーター３１は合成ガスを導入するための合成ガス入口３２、水素を導入するためのＨ２入口３３、および官能基を有する及び／または官能基を有さない合成炭化水素を排出するための炭化水素出口３４を備えている。ＣＯコンバーター３１の合成ガス入口３２は合成ガス接続部３５によってＣコンバーター９の合成ガス出口１２に接続されている。ＣＯコンバーター３１のＨ２入口３３はＨ２接続部３６によって炭化水素コンバーター３のＨ２出口６に接続されている。
【００６０】
ＣＯコンバーター３１のＨ２入口３３およびＨ２接続部３６は任意の構成要素である、ということを留意すべきである。Ｃコンバーター９から排出される合成ガスの組成によって及びＣＯコンバーター３１で生成される官能基を有した及び／または官能基を有さない合成炭化水素によって、合成ガスがＣコンバーター９の合成ガス出口１２から排出されるときに、合成ガスはＣＯコンバーター３１による更なる処理のために適正な組成を既に有している。この場合、水素をＨ２接続部３６を介して導入することは必要ではない。任意ではあるが、Ｈ２接続部３６は別の物質、例えば合成ガスのＨ２含有量を減らすためのＣＯまたはアルデヒド（ヒドロホルミル化）の合成用のアルケンを導入する機能を果たすことも可能である。
【００６１】
随意的に炭化水素を生成するためのプラント３０もまたプラント２０（図２）に関連して説明した熱交換器ユニット２５，２６，２７を備えており、すなわち、プラント３０もまたＣ熱交換器２５、合成ガス熱交換器２６およびＨ２熱交換器２７を備えており、全ての動作は上述した通りである（図２の説明参照）。
【００６２】
ＣＯコンバーター３１は官能基を有した及び／または官能基を有さない合成炭化水素を生成するためのＣＯコンバーターであればいずれのＣＯコンバーターであっても良い。図３に示す実施形態においては、適切な触媒および温度及び／又は圧力用の制御ユニットを備えたＣＯコンバーターは、好ましくはフィッシャー・トロプシュコンバーター、ベルギウス・ピアコンバーターまたはピアコンバーターである。
【００６３】
１つの実施形態ではＣＯコンバーター３１はフィッシャー・トロプシュコンバーターからなる。フィッシャー・トロプシュコンバーターは、触媒的に合成ガスを炭化水素と水に変換する。フィッシャー・トロプシュ反応器およびフィッシャー・トロプシュプロセスの幾つかの実施形態は当業者には公知であるので説明しない。主たる反応式は以下の様である：
ｎＣＯ  ＋（２ｎ＋１）Ｈ２→  ＣｎＨ２ｎ＋２  ＋  ｎＨ２Ｏ    アルカン用
ｎＣＯ  ＋（２ｎ）Ｈ２→  ＣｎＨ２ｎ  ＋  ｎＨ２Ｏ    アルケン用
ｎＣＯ  ＋（２ｎ）Ｈ２→ＣｎＨ２ｎ＋１ＯＨ  ＋（ｎ−１）Ｈ２Ｏ    アルコール用
【００６４】
フィッシャー・トロプシュプロセスは高温プロセスまたは低温プロセスとして実行可能であり、プロセス温度は通常２００℃から４００℃の範囲である。フィッシャー・トロプシュプロセスの公知の変形例は、高負荷合成、シントール合成およびシェル社のＳＭＤＳプロセス（ＳＭＤＳ＝Ｓｈｅｌｌ  Ｍｉｄｄｌｅ  Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｅ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）である。フィッシャー・トロプシュコンバーターは典型的には湿性ガス（プロパン、ブタン）、ガソリン、ケロシン、軟パラフィン、固形パラフィン、メタン、ディーゼル燃料またはこれら幾つかのガスを混合した炭化水素混合物を生成する。フィッシャー・トロプシュ合成が発熱反応であるということは当業者には公知である。フィッシャー・トロプシュプロセスからの反応熱は、例えば、熱交換器ユニット（図示せず）によって水を予熱するために使用可能である。例えばＣコンバーター９に導入される水を２段予熱するプロセスが考えられ、この場合、第１予熱工程はＣＯコンバーター３１の予熱によって実現され（フィッシャー・トロプシュコンバーターの実施形態において）、そして熱交換器ユニット２５，２６，２７の１つ以上からの熱によって水を加熱する次の工程がある。
【００６５】
別の実施形態では、ＣＯコンバーター３１はベルギウス・ピアコンバーターまたはＭｔＬコンバーター（ＭｔＬ＝Ｍｅｔｈａｎｏｌ−ｔｏ−Ｌｉｑｕｉｄ）とピアコンバーターの組み合わせからなっている。
【００６６】
ベルギウス・ピアコンバーターにおいて、当業者に周知であるベルギウス・ピアプロセスが実行され、炭化水素は炭素を水素により水素化することによって発熱的化学反応で発生する。ベルギウス・ピアプロセスからの生成物の範囲は反応条件と反応プロセスの制御に依存する。主として液体の生成物が得られ、この液体の生成物は燃料、例えば重油とミーディアムオイル（中粘度油）として使うことが可能である。ベルギウス・ピアプロセスの公知の変形例としては、例えば、コンソールプロセスおよびＨ−ｃｏａｌプロセスがある。
【００６７】
ピアコンバーターとＭｔＬコンバーターの上述の組み合わせにおいて、最初に合成ガスはピアプロセスによってメタノールに変換される。ＭｔＬコンバーターはメタノールをガソリンに変換するコンバーターである。広く行き渡ったプロセスはエクソンモービル社またはエッソ社のＭｔＬプロセスである。ＭｔＬコンバーターの出発原料は、典型的にはメタノールであり、例えばピアコンバーターからのメタノールである。ＭｔＬコンバーターによって生成する出口生成物はガソリンであり、このガソリンはオットーエンジンの運転のために適切である。
【００６８】
要約すると、上述した動作原理にかかわらず、ＣＯコンバーター３１は、出力物すなわち最終生成物として、ＣＯとＨ２から官能基を有する及び／または官能基を有さない合成炭化水素を生成するということができる。熱交換器ユニットによって、ＣＯコンバーター３１における発熱性の変換反応の間に生成されるプロセス熱は、プラントの異なった部分を加熱するために用いることが可能であり、または上述のプラントの効率を増加するための電気を発生するために用いることが可能である。
【００６９】
分離及び精製後の最終生成物として直接に更に処理することができない又は収益性の高い販売ができない炭化水素の混合物がＣＯコンバーター３１の出口生成物として得られる限りにおいて、これらの炭化水素、例えばメタンまたは短鎖アルカンは上述したプロセスにおいて再利用することが可能である。この目的のために、プラント３０は、合成的に生成された炭化水素の一部を炭化水素コンバーター３の炭化水素入口４に返送することができるリサイクル接続部３９を備えている。再利用される合成的に生成された炭化水素の組成によって不適当な炭化水素が炭化水素入口４に導入されないように、不適当な炭化水素の処理または分離工程が実施される。
【００７０】
図４は官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素を生成するためのプラント４０の別の実施形態を示す。プラント４０は合成ガスを生成するための上述したプラント２０および図３の実施形態で説明したＣＯコンバーター３１を備えている。混合室２１の合成ガス出口２４はＣＯコンバーター３１の合成ガス入口３２に接続されている。混合室２１は、使用中のＣＯコンバーター３１のニーズに適合している合成ガスを合成ガス出口２４で提供するように設定されている。プラント４０の他の構成要素は、上述したものと同様であり、個々の構成要素の動作は上述した方法と同様である。
【００７１】
プラントのサイズによって、所望の変換能力を得るために複数の炭化水素コンバーターを並列に運転することが考えられる。上述したように、炭化水素コンバーターは高温炭化水素コンバーター及び／又は低温炭化水素コンバーターとして構成することが可能である。高温炭化水素コンバーターは１０００℃以上の温度で作動し、低温炭化水素コンバーターは２００°から１０００℃の温度で作動する。ここで、炭化水素のカーボンおよび水素への分解を行うため、付加的なエネルギー源、例えばマイクロ波ユニットを、エネルギーを炭化水素に直接に入力するために設けることが可能である。
【００７２】
複数の並列して作動する炭化水素コンバーターを有したプラントの例として、図５は官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素を生成するためのプラント３０の別の実施形態を示す。図５は同一または類似した構成要素が説明されている限りにおいて先の実施形態と同一の参照符合を用いている。図５で示される実施形態において、高温炭化水素コンバーター３ａと低温炭化水素コンバーター３ｂの組み合わせが単一の炭化水素コンバーター３の代わりに示されている。
【００７３】
高温炭化水素コンバーター３ａは炭化水素入口４ａ、炭素を排出する第１出口５ａおよび水素を排出する第２出口６ａを備えている。また、単一の出口５ａは炭素と水素の混合物（特にエアロゾル）のために設けることが可能である。第１出口５ａは接続部８によってＣコンバーター９のＣ入口１１に接続されている。高温炭化水素コンバーター３ａの任意の第２出口６ａはＣＯコンバーター３１のＨ２入口３３に接続されている。高温炭化水素コンバーター３ａは炭素用の別の出口（図５では図示せず）を任意的に備えることが可能である。
【００７４】
低温炭化水素コンバーター３ｂは、炭化水素入口４ｂを有したプロセス室、炭素を排出する第１出口５ｂ、水素を排出する第２出口６ｂ、および炭素を排出する任意の第３出口７ｂを備えている。好ましくは、低温炭化水素コンバーター３ｂは、分解後に水素と炭素を分離し、且つ、水素とカーボンを各々の出口に導くための分離ユニットを備えている。第１出口５ｂは、任意的に接続部８を介してＣコンバーター９のＣ入口１１に接続されているが、炭素集積ユニットにも接続されている。低温炭化水素コンバーター３ｂの第２出口６ｂはＣＯコンバーター３１のＨ２入口３３に接続されている。任意の第３出口７ｂは炭素集積ユニットに接続され、この炭素集積ユニットから集積された炭素を例えばカーボンブラック、活性炭または別の形態で引き出すことが可能である。
【００７５】
上述したように、Ｈ２接続部３６ａ，３６ｂを介して水素を導入することが必要でない場合には、ＣＯコンバーター３１のＨ２入口３３およびＨ２接続部３６ａ、３６ｂは任意的な構成要素となる。
【００７６】
炭化水素入口４ａに導入された炭化水素および炭化水素入口４ｂに導入された炭化水素は同一の炭化水素であってもよく、また、異なった炭化水素であってもよい。第１炭化水素源からの炭化水素は炭化水素入口４ａに導入してもよく、例えば天然ガス源から天然ガスを炭化水素入口４ａに導入してもよい。しかしながら、例えば、合成的に生成された官能基を有する及び／又は官能基を有さない炭化水素は、例えば先に説明した任意のリサイクル接続部３９を介して低温炭化水素コンバーター３ｂの炭化水素入口４ｂに導入することが可能である。幾つかの並行に運転される炭化水素コンバーター３，３ａ，３ｂを利用するために、プラント３０は、その規模を簡単に大きくしたり小さくしたり、より制御が簡単であり、且つ、異なった種類の炭素を生成可能である。
【００７７】
また、高温炭化水素コンバーター３ａはＣコンバーター９における変換プロセスのために好ましくは１０００℃以上の温度でホット炭素を生成するために有利に使用可能である。特に、分解によって得られるＣ−Ｈ２混合物は直接的にＣコンバーターに導入可能であるので、高温炭化水素コンバーター３ａは分離ユニットが無くても動作可能である。この場合、Ｃコンバーター９は出口で、例えば、約１：１のＣ−Ｈ２混合比を有した合成ガスを生成する。
【００７８】
しかしながら、低温炭化水素コンバーター３ｂは、ＣＯコンバーター３１において合成ガス生成用又は１：３より大きなＣ−Ｈ２混合比を有するＣ−Ｈ２混合物生成用の付加的な水素を提供するために主として使用される。低温炭化水素コンバーター３ｂから次のプロセスへの熱伝達は必要ではないため、低温炭化水素コンバーター３ｂは１０００℃以下の温度好ましくは可能な限り最も低い温度で有利に操作可能である。
【００７９】
これゆえ、炭化水素コンバーター３ａ，３ｂ（好ましくは高温炭化水素コンバーター３ａ）において生成される炭素の一部は、プラント３０の運転中にＣコンバーター９に導入可能であるのに対し、別の一部の炭素（好ましくは低温炭化水素コンバーター３ｂからの一部）は、更なる生成物を生成するための原料としてプロセスから転用することも可能である。そのような生成物は、例えば、カーボンブラックまたは工業用すす、活性炭、カーボンディスクやカーボンコーンといった、黒い粉末状固形物として得られる特殊炭素等である。
この炭素は、ゴム工業における充填材、カラー印刷、インク、塗料用の色のついたすすとして、または例えば、亜鉛炭素電池、及び陰極または陽極の生成用の電気部品の生成のための出発原料として使用可能である工業的に重要な生成物である。余剰の水素は化学工業のために転用可能であり、また、電気（燃焼によってまたは燃料電池によって）を発生するために使用可能である。ここで、低温炭化水素コンバーター３ｂは、好ましくは低温炭化水素コンバーター３ｂが必要な付加的な水素を提供するのみであるように操作される。
【００８０】
図６は官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素を生成するための上記プラント４０の別の実施形態を示し、この別の実施形態においては複数の並行に運転される高温及び／又は低温炭化水素コンバーターが同様に設けられている。図６に示す炭化水素を生成するプラント４０は、混合室２１がＣＯコンバーター３１の上流に位置している点で図５に示すプラント３０とは異なっている。混合室２１はＣＯコンバーター３１に特に適合する合成ガスを混合し、ＣＯコンバーター３１に合成ガスを送る。図６に示す構成要素は既に説明しており、上述した原理に従って作動する。それゆえ、重複した説明を避けるために詳細な説明は省略する。
【００８１】
図７及び８はプラント２０及び３０の実施形態を示し、プラント２０及び３０はＣ熱交換器ユニット２５、合成ガス熱交換器ユニット２６及びＨ２熱交換器ユニット２７を備えており、各熱交換器ユニットはエンジン／発電機装置４５に接続されている。エンジン／発電機装置４５はプラントの異なった部分からの余剰の熱から少なくとも部分的に電気を発生するために適当であり、前記電気は高圧線配線網に供給することが可能であるか又はプラント２０、特に炭化水素コンバーターを運転するために使うことが可能である。また、エンジン／発電機装置４５は熱交換器ユニット（図８では図示せず）に接続可能であり、この熱交換器ユニットはＣＯコンバーター３１内で起こる発熱性変換プロセスによって発生する熱を放散する。これゆえ、一方では、ＣＯコンバーターを制御され調整された方法で冷却することが可能であり、このことはプロセスの操作のためには有利であり、他方では電気を発生させることが可能である。エンジン／発電機装置４５は熱エネルギーを電気に変えるために適当である装置であればいずれの装置でもあってもよく、例えば蒸気タービンと発電機の組み合わせ又はピストンエンジンと発電機の組み合わせ等である。
【００８２】
運転中、エンジン／発電機装置４５はプラントの余剰の熱を電気に変換し、すなわち、炭素−水変換に必要でない熱を電気に変換する。
【００８３】
エンジン／発電機装置４５及び熱交換器ユニット２５，２６及び２７は上述した全てのプラントで使用することが可能な任意の構成要素である。各々の炭化水素コンバーター３，３ａ，３ｂにおける作動温度によって、各第２炭素出口７，７ａ，７ｂから排出された炭素は相当量の熱エネルギーを含んでいる。排出された炭素の所望の温度によって、大量の熱エネルギーを熱交換器ユニット（図示せず）によって放散することが可能であり、この熱はここで説明されるプロセスで再利用することが可能であり及び／又はエンジン／発電機装置４５を用いて電気に変換することが可能である。
【００８４】
官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素を生成するためのプラント３０及び４０において、炭化水素コンバーター３，３ａ，３ｂからの水素の冷却及び／又はＣコンバーター９からの合成ガスの冷却は、炭化水素及び水素の温度がＣＯコンバーター３１の動作温度以下に低下しない範囲で行われる。ＣＯコンバーター３１の動作温度は、選択されるプロセスによるが通常２００℃から４００℃の間である。
【００８５】
上述した全てのプラントにおいて、炭化水素コンバーター３は１０００℃以上の温度で作動する高温反応器（例えば、クバーナー高温反応器）または２００℃から１０００℃の間の温度で作動する低温反応器（例えば、クバーナー低温反応器）である。現時点でテストされた低温反応器は４００℃から９００℃の温度で作動する。２００℃から９００℃の温度で作動する低温反応器の場合、Ｃコンバーター９が８００℃から１７００℃の間の温度、好ましくは１０００℃から１２００℃の間の温度で作動するので、導入された炭素は炭化水素コンバーター３とＣコンバーター９の間の接続部８で予熱されると考えられる。高温コンバーター及び／又は低温コンバーターとの組み合わせは上述の全てのプラント１，２０，３０及び４０において使用可能であるということは図７及び図８から明らかとなる。
【００８６】
上述した全てのプラント１，２０，３０及び４０において、炭化水素コンバーター３，３ａ，３ｂで生成する炭素の一部がプラント１，２０，３０及び４０のＣコンバーター９において転換されない限り、前記炭素の一部はカーボンブラック、活性炭或いは他の原料として転用可能である。上述したプラントの全てにおいて複数のＣコンバーターが設けられるということが更に留意される。ここで、水が加えられる時に、これらＣコンバーターの各々はカーボンの一部を合成ガスに転換することが可能である。また、望ましくない炭化水素を炭化水素コンバーター３の炭化水素入口４，４ａ，４ｂに供給することによって、ＣＯコンバーター３１で生成される望ましくない官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素を任意的に再利用することは上記全てのプラント３０及び４０において実施することが可能である。
【００８７】
プラント１，２０，３０及び４０において、また合成ガス及び／又は官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素を生成するための方法において、余剰の水素が生成可能である。余剰の水素は、例えば、低い水素含有量を有する合成ガスとともに残り、また、ＣＯコンバーター３１で生成される合成炭化水素によっては、水素を混合室２１又はＣＯコンバーター３１に導入することは必要ではない。これらの場合、余剰の水素は燃焼によって直接に又は燃料電池によって電気に変換可能である。これゆえ、これらの方法は外部から電気的入力がなくても実質的に実施可能である。このことは、強力で一般的な高圧線配電網が得られない離れた場所で作動されるプラントには特に有利である。炭化水素コンバーター３で生成される水素の一部はプロセスから直接に取り出すことが可能であり、産物として市場に提供することが可能であるということに留意すべきである。
【００８８】
全てのプラントにおいて、コンバーター３，９，３１と混合室２１の間での炭素、合成ガス、水素及び外部ＣＯの各々の流れはバルブ、シャッター、スライダー等によって制御可能である。特に、合成ガス及び水素又はＣＯのＣＯコンバーター３１への流入はバルブによって制御可能であると考えられる。そして、合成ガスと水素又は所望の割合でのＣＯの混合はＣＯコンバーター３１内で直接に起こる。
【００８９】
上述の全てのプラントにおいて、ＣＯコンバーター３１は複数のＣＯコンバーター（図示せず）から構成されてもよく、炭化水素コンバーター３，３ａ，３ｂで発生及び分離された水素とＣコンバーター９で発生した合成ガスの総量は複数のＣＯコンバーターに任意に分配することが可能である。個々のＣＯコンバーターは上述のデザインの１つ及び動作モードを有している。ＣＯコンバーターは同一のデザインでも良いし又は異なったデザイン又は動作モードを持っていても良い。異なったＣＯコンバーターを有した実施形態においては、個々のＣＯコンバーターは、それぞれ異なって構成された合成ガスによって操作され、異なった最終生成物を生成する。
【００９０】
方法をさらに例証するため、幾つかの例を以下に示す：
例１
メタン１部を炭化水素コンバーターで分解する場合、１部の炭素と２部の水素が得られる。Ｃコンバーターにおいて、炭素は１部の水と反応し、１部の一酸化炭素と１部の水素を形成する。１．１部の水素を加えた後、合成ガスがＣＯコンバーターで反応しパラフィン（炭化水素化合物）へと変換される。その後、依然として充分な水素はパラフィンを更なる工程でディーゼル、オットー燃料またはケロシンに分解するために利用される。
例２
プロパン（ブタン）１部を炭化水素コンバーターで分解する場合、３（４）部のカーボンと４（５）部の水素が得られる。Ｃコンバーターにおいて炭素は３（４）部の水と反応し、３（４）部の一酸化炭素と３（４）部の水素を形成する。３．３（４．４）部の水素を加えた後、合成ガスがＣＯコンバーターで反応しパラフィンへと変換される。いずれの場合においても、残留する水素の量はパラフィンを更なる工程でディーゼル、オットー燃料またはケロシンに分解するためにまさに充分である。
例３
１部の重油（例えばＣ２０Ｈ４２）を炭化水素コンバーターで分解する場合、２０部の炭素と２１部の水素が得られる。Ｃコンバーターで炭素は２０部の水と反応し、２０部の一酸化炭素と２０部の水素を形成する。２１部の水素を加えた後、合成ガスが別のＣＯコンバーターにおいて反応し２０部のメタノールに変換される。
【００９１】
ここで説明された方法において、炭化水素コンバーター３で炭化水素を分解することによって生成された水素は分解工程で形成された炭素と分離され、低い水素含有量の合成ガスを形成した後に、分離した水素は、低い水素含有量の合成ガスに所望の比率で加えることが可能である。これゆえ、ＣＯに対する水素の比率の範囲は１．０から３．０の間で得られる。余剰の炭素を部分酸化することによって、比率＜１．０となり、余剰の炭素を使用しないことによって、比率＞３．０とすることができる。
【００９２】
本発明を好ましい実施形態に関して詳細に説明したが、説明した実施形態の個々の特徴は、それらの特徴が両立できる限りにおいて自由に組み合わせることが可能である。また、上述した実施形態の個々の特徴は、それらの特徴が絶対に必要でない限りにおいて省くことができる。多くの変形が本発明の範囲から逸脱することなく当業者には明らかである。官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素を発生するプラントの特別の簡易な実施形態においては、Ｃコンバーターは単純なパイプとして（例えば、分離ユニットがなく、高温の炭化水素コンバーターの出口パイプとして）設計可能であり、水入口は前記パイプに通じる。水入口は、二つの媒体の流れが良好に混合しあうように前記パイプに合流するべきである。特に、操作の最初にパイプを動作温度に加熱するために、パイプは入口部分で断熱することが好ましく、加熱ユニットに接続しても良い。また、下流で、パイプは、余剰の熱を引き出して、プラントの他の部分を加熱するため及び／又は発電するため、この熱を使用するようになっている熱交換器に接続されることが好ましい。加えて、パイプは、同一のパイプがＣコンバーターとして機能するのみならず、特定の混合比を有した合成ガスを生成するための混合室としても機能するように、水素用の入口パイプ（例えば、熱交換器の下流で）からなっていてもよい。水素用の入口パイプは低温炭化水素コンバーター（分離ユニットを備える）の水素用の出口から始まっても良い。この場合、所定の混合比を有した合成ガスが排出されるパイプの出力端はＣＯコンバーター内で終わってもよい。
【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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【図８】
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