(57)【要約】【課題】付随する水素副生物をできるだけ抑えつつ、一酸化炭素の生成を増大させる改良された方法を提供する。【解決手段】本発明は、一酸化炭素の製造法を提供する。水素、一酸化炭素、および二酸化炭素を含んだ供給ガス流れを膜ユニットに導入し、そこで供給ガス流れを2つの流れに分ける。一酸化炭素を含有する流れを第2の膜ユニットに導入してさらに精製を施し、二酸化炭素と水素を含有する流れを逆シフト反応器に供給してさらなる一酸化炭素を生成させる。逆シフト反応器から回収した一酸化炭素を第3の膜ユニットにおいて精製し、第1の膜ユニットに戻し、さらに精製を施し、さらなる一酸化炭素生成物として回収する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)  供給ガスの混合物をモノリス反応器に導入する工程;
b)  一酸化炭素、水素、および二酸化炭素を含んだ前記モノリス反応器からの第1の生成ガスを、第1の膜ユニットに導入する工程;
c)  前記第1の膜ユニットにおいて、前記第1の生成ガスから前記一酸化炭素を分離する工程;
d)  前記一酸化炭素を第2の膜ユニットに導入する工程;
e)  前記第1の膜ユニットからの二酸化炭素と水素を逆シフト反応器に導入する工程;
f)  一酸化炭素、水素、および二酸化炭素を含んだ前記逆シフト反応器からの第2の生成ガスを、第3の膜ユニットに導入する工程;
g)  前記第3の膜ユニットにおいて、一酸化炭素と、二酸化炭素および水素とを分離する工程;
h)  前記第3の膜ユニットから回収される一酸化炭素含量の高い流れを前記第1の膜ユニットに供給して、さらなる精製に付す工程;
i)  前記第3の膜ユニットからの二酸化炭素と水素を前記逆シフト反応器に導入する工程;および
j)  工程c)からの一酸化炭素を回収する工程;
を含む、モノリス反応器から一酸化炭素を製造するための改良された方法。
【請求項２】
前記供給ガスが、炭化水素ガス、酸素、および二酸化炭素を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記炭化水素ガスが天然ガスである、請求項2に記載の方法。
【請求項４】
前記第1の膜ユニットが透過性の中空糸を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記第2の膜ユニットと前記第3の膜ユニットが前記第1の膜ユニットと同じである、請求項4に記載の方法。
【請求項６】
前記モノリス反応器が、セラミックモノリス上に付着させたセリア被膜によって担持された金属から実質的になる金属触媒を含み、このとき前記金属が、ニッケル、コバルト、鉄、白金、パラジウム、イリジウム、レニウム、ルテニウム、ロジウム、およびオスミウムからなる群から選択され、前記セラミックが、ジルコニア、アルミナ、イットリア、チタニア、マグネシア、セリア、およびコージライトからなる群から選択され、そして前記モノリスに対する前記セリア被膜の重量％が約５％〜約３０％である、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
前記生成ガスが、前記第1の膜ユニットに流入する前に圧縮される、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
前記生成ガスが、圧縮される前に冷却される、請求項6に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、付随する水素副生物をできるだけ抑えつつ、一酸化炭素の生成を増大させる改良された方法を提供する。合成ガス中の水素含量が減少し、一酸化炭素含量が増大するよう、炭化水素供給物の接触部分酸化によって合成ガスを生成するモノリス反応器に二酸化炭素を加える。
【背景技術】
【０００２】
一酸化炭素生成物から水素と二酸化炭素を分離するのに膜（membrane）が使用され、水素副生物と二酸化炭素副生物をさらなる一酸化炭素に転化させるのに逆シフト反応器（reverse shift reactor）がさらに使用される。
【０００３】
特定の工業への利用(たとえば、酢酸の製造)においては、98〜99%の純度の一酸化炭素が必要とされる。一酸化炭素の製造に付随する水素副生物は、ほとんど経済的な価値はないか、あるいはせいぜい燃料としての有用性があるにすぎない。
【０００４】
炭化水素から水素と一酸化炭素を含有するガスへの転化は、当業界においてよく知られている。このような方法の例としては、接触水蒸気改質、自己熱接触改質、接触部分酸化、および非接触部分酸化などがある。これらの方法はいずれも、利点と欠点を併せもち、種々の割合の水素と一酸化炭素を生成する(合成ガスとしても知られている)。
【０００５】
接触部分酸化は、炭化水素ガス(たとえばメタン)および酸素含有ガス(たとえば空気)を高温で触媒と接触させて、高濃度の水素と一酸化炭素を含有する反応生成物を生成させる発熱反応である。これらの方法において使用される触媒は、一般には、貴金属(たとえば、白金やロジウム)や他の遷移金属(たとえば、適切な担体に担持されたニッケル)である。
【０００６】
部分酸化法により、炭化水素含有ガス(たとえば、天然ガスやナフサ)は、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、および他の微量成分〔たとえば、二酸化炭素(CO2)、水(H2O)、および他の炭化水素〕に転化される。この方法は一般に、予熱した炭化水素と酸素含有ガスを燃焼チャンバー中に導入することによって行われる。燃焼チャンバーにおいて、炭化水素と化学量論量未満の酸素との酸化反応を起こして完全に燃焼させる。この反応は、極めて高い温度(たとえば、700℃より高い温度、しばしば1,000℃を超える温度)および最高150気圧までの圧力で行われる。反応によっては、燃焼チャンバー中に水蒸気またはCO2をさらに導入して合成ガス生成物の成分割合を変え、H2:COの比を調整することができる。
【０００７】
ごく最近、炭化水素ガスと酸素含有ガスとを触媒(たとえば、モノリス担体上に付着させた金属)の存在下において高い空間速度で接触させる、という部分酸化法が開示された。モノリス担体に、貴金属(たとえば、白金、パラジウム、またはロジウムなど)や他の遷移金属(たとえば、ニッケル、コバルト、およびクロムなど)を含浸させる。一般に、これらのモノリス担体は、固体の耐熱材料やセラミック材料(たとえば、アルミナ、ジルコニア、およびマグネシアなど)から製造される。
【発明の開示】
【０００８】
本発明は、
a)  供給ガス混合物をモノリス反応器に導入する工程;
b)  一酸化炭素、水素、および二酸化炭素を含んだモノリス反応器からの生成ガスを、第1の膜ユニットに導入する工程;
c)  第1の膜ユニットにおいて、生成ガスから一酸化炭素を分離する工程;
d)  一酸化炭素を第2の膜ユニットに導入する工程;
e)  第1の膜ユニットからの二酸化炭素と水素を逆シフト反応器に導入する工程;
f)  一酸化炭素、水素、および二酸化炭素を含んだ逆シフト反応器からの第2の生成ガスを、第3の膜ユニットに導入する工程;
g)  第3の膜ユニットにおいて、第2の生成ガスから一酸化炭素を分離する工程;
h)  第3の膜ユニットから回収される一酸化炭素含量の高い流れを第1の膜ユニットに供給する工程;
i)  第3の膜ユニットからの二酸化炭素と水素を逆シフト反応器に導入する工程;および
j)  工程c)からの一酸化炭素を回収する工程;
を含む、モノリス反応器から一酸化炭素を製造するための改良された方法を提供する。
【０００９】
モノリス反応器により、炭化水素供給物の接触部分酸化によって合成ガスが生成される。一酸化炭素が所望の生成物なので、合成ガス中の水素の含量を少なくし、一酸化炭素の含量を多くするために、二酸化炭素を反応器に加える。
【００１０】
一酸化炭素生成物流れから水素と二酸化炭素を分離するのに膜が使用される。第1、第2、および第3の膜ユニットにおける膜は、設計上は従来どおりであり、一般には、ガス混合物からのあるガスの分離を可能にする透過性の中空糸を含む。膜ユニットは、膜に対する相対的な透過性に基づいて、ガス混合物からのガス成分の分離を可能にすることによって機能する。ガス混合物のより透過性の低い成分が、保持流れ(retentate stream)において膜の高圧側にて濃縮され、その一方で、より透過性の高い成分が、透過流れ(permeate stream)において膜の低圧側にて濃縮される。さらに、逆シフト反応器を使用して部分酸化反応の水素副生物と二酸化炭素副生物とを転化させて、さらなる一酸化炭素を生成させる。この方法により、水素副生物の生成をできるだけ抑えつつ、ほぼ完全な炭素-一酸化炭素転化反応(carbon to carbon monoxide conversion)がもたらされる。
【００１１】
これとは別に、本発明は、
a)  一酸化炭素、水素、および二酸化炭素を含んだガス流れを第1の膜ユニットに導入する工程;
b)  第1の膜ユニットにおいて、一酸化炭素と、二酸化炭素および水素とを分離する工程;
c)  一酸化炭素を第2の膜ユニットに導入する工程、ここで一酸化炭素から不純物を除去する;
d)  第1の膜ユニットからの二酸化炭素と水素を逆シフト反応器に導入する工程;
e)  一酸化炭素、水素、および二酸化炭素を含んだ逆シフト反応器からの第2の生成ガスを第3の膜ユニットに導入する工程;
f)  第3の膜ユニットにおいて、第2の生成ガスから一酸化炭素を分離する工程;
g)  第3の膜ユニットから回収される一酸化炭素含量の高い流れを第1の膜ユニットに供給して、さらなる精製に付す工程;
h)  第3の膜ユニットからの二酸化炭素と水素を逆シフト反応器に導入する工程;および
i)  工程c)からの一酸化炭素を回収する工程;
を含む、一酸化炭素を精製するための改良された方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図面を参照しつつ説明する。図面には、本発明の基本的な操作を説明する実施態様が示されている。それぞれ、ライン1を介して天然ガスを、ライン2を介して酸素を、そしてライン3を介して二酸化炭素をモノリス反応器Aに供給する。モノリス反応器は、セラミックモノリス上に付着させたセリア被膜によって担持された金属から実質的になる金属触媒を含む。この金属は、ニッケル、コバルト、鉄、白金、パラジウム、イリジウム、レニウム、ルテニウム、ロジウム、およびオスミウムからなる群から選択される。セラミック材料は、ジルコニア、アルミナ、イットリア、チタニア、マグネシア、セリア、およびコージライトからなる群から選択される。セラミックモノリスに対するセリア被膜の重量パーセントは約1%〜約30%である。1つの実施態様においては、セラミックは、ジルコニア、イットリア、チタニア、マグネシア、セリア、およびコージライトからなる群から選択される。この金属触媒モノリスセラミックについての詳細な説明が、JiangらによるUS2003/0007926A1として2003年1月9日付け公開の同時係属出願第10/143,705号に記載されている。
【００１３】
一酸化炭素、水素、および二酸化炭素を含み、ならびに少量のメタンと水とアルゴンを含有する生成ガスを、ライン4に沿って冷却ユニットC1に導入する。この生成ガスの水素対二酸化炭素比は約0.1〜約10の範囲であるが、一般には約1である。高温の生成ガスを、最初にC1において水で約1000℃〜約400-800℃に冷却する。この合成ガス生成ガス(syngas product gas)を熱交換器でさらに冷却して、水蒸気を生成させることもできるし、あるいは熱を他のプロセス流れに与えることもできる。冷却プロセスの結果、合成ガス生成ガスの温度はほぼ周囲温度となる。冷却により凝縮して生成する水を、生成ガス流れから従来の方法によって分離する。
【００１４】
合成ガス生成流れが圧縮機C2に流入し、そこで約10バール〜約50バールに圧縮される。この範囲によって、必要とされる最終的な一酸化炭素生成物の圧力がほぼ決まる。圧縮とそれに関連した冷却の結果、さらなる水が凝縮され、従来の方法によって分離される。場合によっては、微量の未反応酸素を除去するために、圧縮機の上流もしくは下流にデオキソ反応器(a deoxo reactor)(図示せず)を組み込む。
【００１５】
圧縮した合成ガスを、ライン5に沿って第1の膜ユニットBに導入する。そこで、水素、二酸化炭素、および水が、一酸化炭素含量の少ない透過流れとして、膜の低圧側に優先的に透過する。一酸化炭素の大部分が、一酸化炭素含量の高い保持流れ中にて膜の高圧側に残留する。この高圧流れがライン6を介して第2の膜ユニットCに進み、そこで第1の一酸化炭素流れがさらに一酸化炭素生成物流れに精製され、ライン8を介して一酸化炭素生成物として回収される。この一酸化炭素生成物は、それが製造される設備に応じて、外部の貯蔵所に送ることもできるし、あるいは他のプロセスにおいて使用することもできる。一酸化炭素の含量が比較的高い第2の膜ユニットからの透過物を、ライン7を介して合成ガス圧縮機C2の入口に再循環する。
【００１６】
第1の膜からの透過流れ(水素と一酸化炭素の含量が高い)を、ライン9を介してシフト圧縮機Dに送る。この透過流れを、合成ガス圧縮機C2の圧力(10〜50バール)に近い圧力に圧縮する。圧縮とそれに関連した冷却の結果、水が凝縮し、従来の方法によって分離される。次いでこの流れを、他のプロセス流れからの熱交換と外部加熱(たとえば、加熱炉における)との組み合わせによって加熱し、ライン10を介して逆シフト反応器Eに送る。
【００１７】
水素と二酸化炭素の濃度が高くて、一酸化炭素と水の濃度が低いため、結果として逆シフト反応が起こり、逆シフト反応は吸熱反応であり、ガス流れの入口温度を上昇させることで転化率が増大する。一般には、この入口温度は約500℃〜約1000℃である。逆シフト反応器に流入するガス流れの水素対二酸化炭素比は約0.1〜約10の範囲であるが、一般には約1である。この比は、必要であれば、逆シフト反応器に送る前に補充の二酸化炭素を加えることによって調節することができる。
【００１８】
逆シフト反応器は、触媒床やモノリス反応器であってよく、あるいは既存の改質装置内に組み込むこともできる。逆シフト反応のための触媒は、従来の水蒸気改質触媒または貴金属触媒であるのが好ましい。
【００１９】
逆シフト反応器Eからの生成ガス流れを、第一に逆シフト反応器への供給流れに対向させて、そして第二に冷却水または空気の流れに対向させて冷却する。凝縮した水を、従来の方法によって流れから取り除く。逆シフト反応器Eからの生成ガス流れを、ライン11に沿って第3の膜ユニットFに導入する。水素、二酸化炭素、および残留水(存在する場合)が、膜の低圧側に優先的に透過する。この第3の膜ユニットFからの、一酸化炭素含量の高い高圧保持流れを、ライン13と5を介して第1の膜ユニットに供給して、さらなる一酸化炭素生成物を得る。低圧の透過流れを、ライン12と9を介してシフト圧縮機の入口に再循環させる。
【００２０】
特定の実施態様に関して本発明を説明してきたが、当業者にとっては、本発明の他の多くの形態や改良形が明白であることは言うまでもない。添付の特許請求の範囲は、一般には、本発明の真の精神と範囲内であるこのような明白な全ての形態と改良形を含むと考えるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】モノリス反応器をベースにした一酸化炭素製造プラントの概略図である。
【図１】
2006176400.tif 000003
【外国語明細書】
2006176400000001.pdf