(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-05-31
(54)【発明の名称】金属ダスティングを低減した熱交換反応器
(51)【国際特許分類】
C01B 3/32 20060101AFI20240524BHJP
C01B 32/40 20170101ALI20240524BHJP
F24V 30/00 20180101ALI20240524BHJP
【ＦＩ】
C01B3/32
C01B32/40
F24V30/00 302
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023574398
(86)(22)【出願日】2022-06-02
(85)【翻訳文提出日】2024-01-30
(86)【国際出願番号】 EP2022065067
(87)【国際公開番号】W WO2022253963
(87)【国際公開日】2022-12-08
(31)【優先権主張番号】21177657.0
(32)【優先日】2021-06-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】590000282
【氏名又は名称】トプソー・アクチエゼルスカベット
(74)【代理人】
【識別番号】100069556
【弁理士】
【氏名又は名称】江崎 光史
(74)【代理人】
【識別番号】100111486
【弁理士】
【氏名又は名称】鍛冶澤 實
(74)【代理人】
【識別番号】100139527
【弁理士】
【氏名又は名称】上西 克礼
(74)【代理人】
【識別番号】100164781
【弁理士】
【氏名又は名称】虎山 一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100221981
【弁理士】
【氏名又は名称】石田 大成
(72)【発明者】
【氏名】モーデンスン・ピーダ・ムルゴー
(72)【発明者】
【氏名】オースベアウ－ピーダスン・キム
【テーマコード（参考）】
4G140
4G146
【Ｆターム（参考）】
4G140EA03
4G140EA06
4G140EB12
4G140EB41
4G146JA01
4G146JB04
4G146JB10
4G146JC02
(57)【要約】
要旨
本技術は、第１のガス供給物と熱交換反応器（ＨＥＲ）を含む熱交換反応器（ＨＥＲ）システムに関する。ＨＥＲは２つの反応ゾーンを有し、第１の反応ゾーン（Ｉ）は第１のガス供給物の全体的な発熱反応を行うように配置され、第２の反応ゾーン（ＩＩ）は前記第１の反応ゾーン（Ｉ）からのガスの全体的な吸熱反応を行うように配置されている。
本技術は、第１のガス供給物と熱交換反応器（ＨＥＲ）を含む熱交換反応器（ＨＥＲ）システムに関する。ＨＥＲは２つの反応ゾーンを有し、第１の反応ゾーン（Ｉ）は第１のガス供給物の全体的な発熱反応を行うように配置され、第２の反応ゾーン（ＩＩ）は前記第１の反応ゾーン（Ｉ）からのガスの全体的な吸熱反応を行うように配置されている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
熱交換反応器ＨＥＲ（２０）において、ＣＯ２およびＨ２を含む第１のガス供給物（２）のＣＯ２シフト反応を介して、前記第１のガス供給物（２）を、合成ガス流（２１）に変換するための方法であって、前記ＨＥＲ（２０）は、
少なくとも１つのプロセス側（２０Ａ）および少なくとも１つの加熱側（２０Ｂ）を含み、
ここで、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側入口（２８）およびプロセス側出口（２９）を備え、
ここで、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）は、プロセス側入口（２８）に最も近くに配置された第１の反応ゾーン（Ｉ）を含み、
かつ、
ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側出口（２９）の最も近くに配置された第２の反応ゾーン（ＩＩ）を含み、
ここで、ＨＥＲの加熱側（２０Ｂ）は、加熱側入口（２６）と、任意で加熱側出口（２７）とを備え、
前記少なくとも１つのプロセス側（２０Ａ）および前記少なくとも１つの加熱側（２０Ｂ）は、加熱側（２０Ｂ）からプロセス側（２０Ｂ）の少なくとも一部への熱伝達が可能であるように配置され、
前記方法は：
－前記プロセス側入口（２８）を介して、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）に第１ガス供給物（２）を供給するステップ；
－前記加熱側入口（２６）を介してＨＥＲの加熱側（２０Ｂ）に加熱流体（１１）を供給し、前記加熱流体（１１）からＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）への熱伝達を可能にするステップ；
－第１の反応ゾーン（Ｉ）において、前記第１のガス供給物（２）の全体的な発熱反応を実施するステップ、ここで、全体的な発熱反応は、左から右への正味に進行する少なくとも以下の反応を含み：
【化1】
【化2】
－任意に、加熱側出口（２７）を介して、前記加熱側（２０Ｂ）から冷却された流体（３１）を排出するステップ、
を含む、前記方法。
【請求項2】
第１の反応ゾーン（Ｉ）におけるガスの温度が３００～８００℃である、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
第２の反応ゾーン（ＩＩ）におけるガスの温度が６００～１２００℃である、請求項１～２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項4】
合成ガス流（２１）および冷却された流体（３１）が組み合わされて、第３の生成物流（３５）を提供する、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項5】
加熱流体（１１）および第２の反応ゾーンを出る合成ガス流（２１）の少なくとも一部が、ＨＥＲ（２０）の内部で組み合わされて、加熱流体（１１）の少なくとも一部として再利用される、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項6】
ＨＥＲ（２０）のそれぞれの出口において、合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）の温度が、金属ダスティングの臨界限界よりも高い温度になるように、プロセス条件が調整される、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項7】
合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）の冷却された出口温度が、５００℃以上、６００℃以上、７００℃以上、または８００℃以上である、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項8】
前記冷却された出口温度における合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）が、１００未満、または５０未満、または１０未満、または５未満、または１未満のＣＯ還元反応の実ガス炭素活性を有する、請求項１～７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項9】
合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）のＨ２／ＣＯ比が、０．５～３．０の範囲、例えば１．９～２．１の範囲、または２～３の範囲である、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項10】
合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）の（Ｈ２－ＣＯ２）／（ＣＯ＋ＣＯ２）比が、１．５～２．５の範囲、例えば１．９～２．１の範囲、または２～２．０５の範囲である、請求項１～９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項11】
Ｈ２とＣＯ２の間の比は、１～５の間、例えば２～４の間、２～３の間、または２．２～２．５の間、または２．８～３．５の間、または２．８～３．２の間であることができる、請求項１～１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項12】
第１の供給物中のＣＨ４／ＣＯ２のモル比が、好ましくは０．５未満、例えば０．２未満、好ましくは０．１未満である、請求項１～１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項13】
第１のガス供給物（２）が、さらにメタンを含む、好適には最大３モル％、または最大８モル％、または最大１２モル％のメタンを含む、請求項１～１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項14】
加熱流体（１１）が、電気式ＲＷＧＳ（ｅ－ＲＷＧＳ）反応器（１０Ａ）、燃焼式ＲＷＧＳ反応器（１０Ｂ）または自熱式ＲＷＧＳ反応器（１０Ｃ）、好ましくは電気式ＲＷＧＳ（ｅ－ＲＷＧＳ）反応器（１０Ａ）から供給される、請求項１～１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項15】
加熱流体（１１）がＣＯ２およびＨ２を含む、請求項１～１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項16】
ＣＯ２およびＨ２を含む第１のガス供給物（２）のＣＯ２シフト反応を介して、前記第１のガス供給物（２）を、合成ガス流（２１）に変換するための、熱交換反応器（ＨＥＲ）（２０）であって、少なくとも１つのプロセス側（２０Ａ）および少なくとも１つの加熱側（２０Ｂ）を含み、
ここで、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側入口（２８）およびプロセス側出口（２９）を備え、
前記プロセス側入口（２８）は、ＣＯ２およびＨ２を含む前記第１のガス供給物（２）を前記プロセス側（２０Ａ）に供給するように配置され、
前記プロセス側出口（２８）は、任意に冷却された流体（３１）と混合して、前記合成ガス流（２１）を前記プロセス側（２０Ａ）から出力するように配置され、
ここで、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）は、プロセス側入口（２８）に最も近くに配置された第１の反応ゾーン（Ｉ）を含み、
かつ、
ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側出口（２９）の最も近くに配置された第２の反応ゾーン（ＩＩ）を含み、
ここで、第１の反応ゾーン（Ｉ）は、前記第１ガス供給（２）の全体的な発熱反応を実施するように配置され、ここで、全体的な発熱反応は、左から右へ正味に進行する少なくとも以下の反応を含み：
【化3】
【化4】
前記加熱側入口（２６）は、前記加熱側（２０Ｂ）に加熱流体（１１）を供給するように配置され、
任意に、前記加熱側出口（２７）は、前記加熱側（２０Ｂ）から冷却された流体（３１）を出力するように配置され、
前記少なくとも１つのプロセス側（２０Ａ）および前記少なくとも１つの加熱側（２０Ｂ）は、加熱側（２０Ｂ）からプロセス側（２０Ｂ）の少なくとも一部への熱伝達が可能であるように配置される、前記熱交換反応器（ＨＥＲ）（２０）。
【請求項17】
ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側入口（２８）からプロセス側出口（２９）まで延びる全長を有し、第１の反応ゾーン（Ｉ）が、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）の全長の５０％未満、例えば３０％未満、好ましくは２０％未満、より好ましくは１０％未満の長さを有する、請求項１６に記載のＨＥＲ（２０）または請求項１～１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項18】
第１の触媒が、少なくともＨＥＲ（２０）の第１の反応ゾーン（Ｉ）に配置される、請求項１６～１７のいずれか１項に記載のＨＥＲ（２０）または請求項１～１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項19】
第１の反応ゾーン（Ｉ）のプロセス側（２０Ａ）の少なくとも一つの端部は、ＨＥＲ（２０）のプロセス側入口（２８）に最も近くにあり、プロセス側入口（２８）からプロセス側出口（２９）に向かう方向において、第１の反応ゾーン（Ｉ）のプロセス側（２０Ａ）の全長の２５％までの長さを有するが、ＨＥＲ（２０Ｂ）の加熱側と直接的に接触していないため、第１の反応ゾーン（Ｉ）のこの端部は、第１の反応ゾーン（Ｉ）における発熱反応によって引き起こされる断熱温度上昇によって主に加熱される、請求項１６～１８のいずれか１項に記載のＨＥＲ（２０）または請求項１～１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項20】
ＨＥＲがバヨネット型ＨＥＲである、請求項１６～１９のいずれか１項に記載のＨＥＲ（２０）または請求項１～１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項21】
ＨＥＲが少なくとも２つのプロセス側（２０Ａ）を有する、請求項１６～２０のいずれか１項に記載のＨＥＲ（２０）または請求項１～１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項22】
ＨＥＲが少なくとも２つの加熱側（２０Ｂ）を有する、請求項１６～２１のいずれか１項に記載のＨＥＲ（２０）または請求項１～１５のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
技術分野
本技術は、熱交換反応器（ＨＥＲ）において、ＣＯ２とＨ２を含む第１のガス供給物を、ＣＯ２シフト反応により合成ガス（シンガス）流に変換する方法に関する。ＨＥＲは２つの反応ゾーンを有し、第１のガス供給物の全体的な発熱反応を実施するように配置された第１の反応ゾーンと、前記第１の反応ゾーンからのガスの全体的な吸熱反応を実施するように配置された第２の反応ゾーン（Ｉ）を有する。
本技術は、熱交換反応器（ＨＥＲ）において、ＣＯ２とＨ２を含む第１のガス供給物を、ＣＯ２シフト反応により合成ガス（シンガス）流に変換する方法に関する。ＨＥＲは２つの反応ゾーンを有し、第１のガス供給物の全体的な発熱反応を実施するように配置された第１の反応ゾーンと、前記第１の反応ゾーンからのガスの全体的な吸熱反応を実施するように配置された第２の反応ゾーン（Ｉ）を有する。
【背景技術】
【0002】
背景
ＣＯ２からのＣＯの製造は、逆水ガスシフト反応によって行うことができる：
ＣＯ２からのＣＯの製造は、逆水ガスシフト反応によって行うことができる：
【化1】
【0003】
これは吸熱反応であるため、反応を進行させるにはエネルギーの投入が必要である。この技術の工業的な実現例はほとんど存在しないが、書類上では、外部加熱によって熱を供給し、加熱された反応ゾーンまたは反応チューブ内で反応を促進する水蒸気メタン改質器（ＳＭＲ）のような構成で反応を促進することができる。
【0004】
しかし、外部加熱は、典型的には、炭化水素燃料の燃焼を意味し、その結果、多くの場合、温室効果ガス排出の削減に焦点を当てている化学産業の現在の関心に反するＣＯ２排出が伴う。原理的には、電気分解によって水素を供給し、水素燃焼によって外部加熱を行うこともできる。しかし、この方法では水素の製造に相当量の電力を必要とするため、コストが高く、好ましくない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】“Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｇａｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ＦＴ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ”； Ｃｈａｐｔｅｒ ４， ｐ．２５８－３５２， ２００４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本技術の目的は、ＣＯ２からＣＯを製造するための効果的な熱交換反応器（ＨＥＲ）および方法を提供することである。特に、本技術では、プロセス側と加熱側の両方における金属ダスティングのリスクを低減し、可能であれば完全に回避する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
概要
本明細書でＣＯ２シフトに使用する方法とＨＥＲ反応器は、熱交換型水蒸気メタン改質器と比較して、金属ダスティングのリスクがはるかに低いことが判明した。
本明細書でＣＯ２シフトに使用する方法とＨＥＲ反応器は、熱交換型水蒸気メタン改質器と比較して、金属ダスティングのリスクがはるかに低いことが判明した。
【0008】
本発明は独立請求項に定義されている通りである。
一実施形態においては、熱交換反応器、ＨＥＲにおけるＣＯ２およびＨ２を含む第１のガス供給物のＣＯ２シフト反応を介して、第１のガス供給物を合成ガス流に変換するための方法が提供され、前記ＨＥＲが以下を含む：
少なくとも１つのプロセス側と少なくとも１つの加熱側であって、ＨＥＲのプロセス側はプロセス側入口とプロセス側出口を備え、
ここで、ＨＥＲのプロセス側は、プロセス側入口に最も近くに配置された第１の反応ゾーン（Ｉ）を含み、
かつ
ＨＥＲのプロセス側は、プロセス側出口に最も近くに配置された第２の反応ゾーン（ＩＩ）を含み、
ここで、ＨＥＲの加熱側は、加熱側入口と、任意に、加熱側出口とを備え、
前記少なくとも１つのプロセス側および前記少なくとも１つの加熱側は、加熱側からプロセス側の少なくとも一部への熱伝達が可能であるように配置され、
前記方法は、以下のステップを含む：
－前記プロセス側入口を介してＨＥＲのプロセス側に第１のガス供給物を供給するステップ；
－前記加熱側入口を介してＨＥＲの加熱側に加熱流体を供給し、前記加熱流体からＨＥＲのプロセス側への熱伝達を可能にするステップ；
－第１の反応ゾーン（Ｉ）において、前記第１のガス供給物の全体的な発熱反応を実施するステップ、ここで、全体的な発熱反応は、少なくとも以下の反応を含み、これらの反応は、左から右へ正味の進行を有する：
－第２の反応ゾーン（ＩＩ）において、前記第１の反応ゾーンからのガスの全体的な吸熱反応を実施するステップ：ここで、全体的な吸熱反応は、少なくとも以下の反応を含み、これらの反応は、左から右への正味の進行を有する：
－冷却された流体と任意に混合して、合成ガス流を、プロセス側出口を介してプロセス側から排出するステップ；および
－任意に、加熱側出口を介して、前記加熱側から、冷却された流体を排出するステップ。
一実施形態においては、熱交換反応器、ＨＥＲにおけるＣＯ２およびＨ２を含む第１のガス供給物のＣＯ２シフト反応を介して、第１のガス供給物を合成ガス流に変換するための方法が提供され、前記ＨＥＲが以下を含む：
少なくとも１つのプロセス側と少なくとも１つの加熱側であって、ＨＥＲのプロセス側はプロセス側入口とプロセス側出口を備え、
ここで、ＨＥＲのプロセス側は、プロセス側入口に最も近くに配置された第１の反応ゾーン（Ｉ）を含み、
かつ
ＨＥＲのプロセス側は、プロセス側出口に最も近くに配置された第２の反応ゾーン（ＩＩ）を含み、
ここで、ＨＥＲの加熱側は、加熱側入口と、任意に、加熱側出口とを備え、
前記少なくとも１つのプロセス側および前記少なくとも１つの加熱側は、加熱側からプロセス側の少なくとも一部への熱伝達が可能であるように配置され、
前記方法は、以下のステップを含む：
－前記プロセス側入口を介してＨＥＲのプロセス側に第１のガス供給物を供給するステップ；
－前記加熱側入口を介してＨＥＲの加熱側に加熱流体を供給し、前記加熱流体からＨＥＲのプロセス側への熱伝達を可能にするステップ；
－第１の反応ゾーン（Ｉ）において、前記第１のガス供給物の全体的な発熱反応を実施するステップ、ここで、全体的な発熱反応は、少なくとも以下の反応を含み、これらの反応は、左から右へ正味の進行を有する：
【化2】
【化3】
－任意に、加熱側出口を介して、前記加熱側から、冷却された流体を排出するステップ。
【0009】
この方法を実施するための熱交換反応器（ＨＥＲ）も提供される。本技術の更なる詳細は、以下の説明文、図、および従属請求項に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【0010】
レジェンド
本技術は、添付の概略図を参照して説明される：
図１は、熱交換反応器（ＨＥＲ）を含む本発明によるＨＥＲシステム（ＨＥＲ装置）を示す。
図２は、ＨＥＲ反応器がバヨネット型ＨＥＲである図１のシステムと同様のＨＥＲシステムを示す。
図３は、電気逆水ガスシフト（ｅ－ＲＷＧＳ）反応器および熱交換反応器（ＨＥＲ）を含む本発明によるシステムを示す。
図４は、図３のシステムと同様のシステムを示しており、このシステムでは、第１および第２の供給物は共通の供給物に由来する。
図５は、図５のシステムと同様のシステムを示しており、このシステムでは、ＨＥＲは２つの別々の加熱側を有している。
図６は、燃焼ユニットをさらに含む、本発明によるシステムを示す。
図７は、図６のシステムに同様のシステムを示しており、このシステムでは、第１および第２の供給物は共通の供給物に由来する。
図７Ａは、凝縮物を除去するためのフラッシュ分離装置が存在する、本発明によるシステムを示す。
図７Ｂは、図７Ａと同様のシステムを示す。
図８～１０は、例４、５、６のＨＥＲ加熱側ガスの温度と実際のガス炭素活性プロファイルを示す。
図１１は、合成ガス流と冷却された流体がＨＥＲ出口の前で組み合わされる、本発明のＨＥＲの代替配置を示している。
本技術は、添付の概略図を参照して説明される：
図１は、熱交換反応器（ＨＥＲ）を含む本発明によるＨＥＲシステム（ＨＥＲ装置）を示す。
図２は、ＨＥＲ反応器がバヨネット型ＨＥＲである図１のシステムと同様のＨＥＲシステムを示す。
図３は、電気逆水ガスシフト（ｅ－ＲＷＧＳ）反応器および熱交換反応器（ＨＥＲ）を含む本発明によるシステムを示す。
図４は、図３のシステムと同様のシステムを示しており、このシステムでは、第１および第２の供給物は共通の供給物に由来する。
図５は、図５のシステムと同様のシステムを示しており、このシステムでは、ＨＥＲは２つの別々の加熱側を有している。
図６は、燃焼ユニットをさらに含む、本発明によるシステムを示す。
図７は、図６のシステムに同様のシステムを示しており、このシステムでは、第１および第２の供給物は共通の供給物に由来する。
図７Ａは、凝縮物を除去するためのフラッシュ分離装置が存在する、本発明によるシステムを示す。
図７Ｂは、図７Ａと同様のシステムを示す。
図８～１０は、例４、５、６のＨＥＲ加熱側ガスの温度と実際のガス炭素活性プロファイルを示す。
図１１は、合成ガス流と冷却された流体がＨＥＲ出口の前で組み合わされる、本発明のＨＥＲの代替配置を示している。
【発明を実施するための形態】
【0011】
詳細な開示
特に指定がない限り、ガス含有量のパーセンテージは体積％である。
特に指定がない限り、ガス含有量のパーセンテージは体積％である。
【0012】
システムはさらに、当業者が必要と考える追加のユニットや接続部（配管など）を含むことができる。
【0013】
加熱とその結果としての冷却にＣＯ含有ガスを使用する場合、いわゆる金属ダスティング現象による炭素生成を考慮しなければならない。考慮すべき中心的な炭素生成反応は、本明細書に記載のＢｏｕｄｏｕａｒｄ反応とＣＯ還元反応である。両反応とも発熱反応であり、その結果、低温の方が有利である。
【0014】
炭素生成のリスクを評価する尺度として、炭素活性（ａｃ）がある：
ａｃ＝Ｋｅｑ（ＣＯｒｅｄ）＊ｐ（ＣＯ）＊ｐ（Ｈ２）／ｐ（Ｈ２Ｏ）
ａｃ＝Ｋｅｑ（ＣＯｒｅｄ）＊ｐ（ＣＯ）＊ｐ（Ｈ２）／ｐ（Ｈ２Ｏ）
【0015】
ここで、Ｋｅｑ（ＣＯｒｅｄ）はＣＯ還元反応の熱力学的平衡定数であり、ｐ（ｉ）はｉの分圧である。ａｃ＜１の場合、炭素生成は起こらないことに留意すべきである。ａｃ＝１となる温度は、一酸化炭素還元温度ＴＣＯとして知られている。
【0016】
Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応についても同様の式が成り立つ。Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応において、ａｃ＝１となる温度は、Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ温度ＴＢとして知られている。
【0017】
第１の実施形態においては、ＣＯ２およびＨ２を含む第１のガス供給物を、比熱交換反応器ＨＥＲにおける前記第１のガス供給物のＣＯ２シフト反応を介して、合成ガス（シンガス）流に変換するための方法が提供される。
【0018】
熱交換反応器
ＨＥＲは、熱交換による吸熱反応に必要な熱を供給するために高温ガスを使用するよう構成され、通常、チューブ壁上で熱交換を行う。熱交換型改質器の構成例としては、典型的にはペレット触媒が充填された複数の平行チューブを有し、供給ガスを受け入れる。反応器の底部では、触媒充填されたチューブからの生成物ガスが上流の改質ユニットからの高温の合成ガスと混合され、組み合わされた合成ガスが触媒充填されたチューブと熱交換を行う。熱交換反応器の他の構成も考えられる。
ＨＥＲは、熱交換による吸熱反応に必要な熱を供給するために高温ガスを使用するよう構成され、通常、チューブ壁上で熱交換を行う。熱交換型改質器の構成例としては、典型的にはペレット触媒が充填された複数の平行チューブを有し、供給ガスを受け入れる。反応器の底部では、触媒充填されたチューブからの生成物ガスが上流の改質ユニットからの高温の合成ガスと混合され、組み合わされた合成ガスが触媒充填されたチューブと熱交換を行う。熱交換反応器の他の構成も考えられる。
【0019】
好ましい実施形態においては、ＨＥＲの触媒は非選択的触媒である。そのような触媒の例としては、Ｎｉ／ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ｎｉ／Ａｌ２Ｏ３、Ｎｉ／ＣａＡｌ２Ｏ４、ＮｉＩｒ／ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ｎｉ／ＺｒＯ２、Ｒｕ／ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ｒｈ／ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ｉｒ／ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ｒｕ／ＺｒＯ２、ＮｉＩｒ／ＺｒＯ２、Ｍｏ２Ｃ、Ｗｏ２Ｃ、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３上の貴金属が挙げられる。その他の例としては、様々な形態のアルミン酸カルシウム上の活性金属、例えば、ニッケル、イリジウム、ロジウム、ルテニウムなどである。
【0020】
ＨＥＲは少なくともプロセス側と加熱側を有する。ＨＥＲのプロセス側にはプロセス側入口とプロセス側出口があり、ＨＥＲの加熱側には加熱側入口と加熱側出口がある。それぞれの入口と出口は、ＨＥＲの各側面内で流体連通している。
【0021】
プロセス側と加熱側は、加熱側からプロセス側への熱伝達が可能なように、内部壁によって互いに分離されている。ある態様においては、ＨＥＲは２つの加熱側を含むことができる。
【0022】
ＨＥＲのプロセス側は、ＣＯ２シフト反応が生じる側である。ＨＥＲのプロセス側は、ＣＯ２シフト反応を促進する１つ以上の触媒で構成される。触媒は、以下に説明するように、メタン化反応と水蒸気改質反応も触媒する。両方の反応ゾーンで使用される触媒は、好適には非選択的である。
【0023】
ＨＥＲの加熱側は、化学反応が起こるようには設計されていない。その代わり、加熱側を通る高温の流体からの熱エネルギーがプロセス側に伝達される。
【0024】
ＨＥＲは、シェル内に配置された複数の触媒充填チューブを含む、典型的な「シェルおよびチューブ」熱交換反応器であることができる。全てのチューブの内部間は流体連通しているが、チューブの内部と外部は流体連通していない。作動中、一方の流体はチューブの内部を流れ、他方の流体はチューブの外部にあるシェル内を流れる。熱は一方の流体から他方の流体へ、チューブの壁を通して伝達される。マニホールドタイプの配列が、チューブの束の各端部に配置される。
【0025】
ＨＥＲは通常、典型的には、ｅ－ＲＷＧＳのようなＲＷＧＳ反応器である関連反応器に近い圧力で作動される。
【0026】
上述したように、ＨＥＲのプロセス側は、プロセス側入口（ここから第１のガス供給物がＨＥＲに入る）とプロセス側出口（ここから合成ガス流がＨＥＲから出る）を含む。第１の反応ゾーン（Ｉ）はプロセス側入口に最も近いところに配置され、第２の反応ゾーン（ＩＩ）はプロセス側出口に最も近くに配置される。「最も近くに配置される」という用語は、幾何学的ではなく、ガス経路の観点から測定されるべきである。
【0027】
第１の反応ゾーン（Ｉ）は、第１のガス供給物の全体的な発熱反応を実施するように配置される。
これらの反応はいずれも第１の反応ゾーン（Ｉ）で生じる。
【化4】
【0028】
第２の反応ゾーン（ＩＩ）は、前記第１の反応ゾーン（Ｉ）からのガスの全体的な吸熱反応を実施するように配置される。このゾーンで生じる主な反応は以下の通りである：
【化5】
【0029】
典型的には、ＲＷＧＳ／水ガスシフト反応と水蒸気改質／メタン化反応の両方は、ＨＥＲの出口において化学平衡にあるか、それに近い状態にある。
【0030】
一実施形態において、ＨＥＲのプロセス側は、プロセス側入口からプロセス側出口まで延びる全長を有し、第１の反応ゾーン（Ｉ）は、ＨＥＲのプロセス側の全長の５０％未満、例えば３０％未満、好ましくは２０％未満、より好ましくは１０％未満の長さを有する。第１の触媒は、少なくとも第１の反応ゾーン（Ｉ）に配置され、少なくとも部分的に第２の反応ゾーン（ＩＩ）に延在することができる。
【0031】
別の実施形態においては、同じタイプの非選択的触媒が第１および第２の反応ゾーンの両方で使用される。非選択的触媒は反応（１）と（２）の両方を触媒する。非選択的触媒はさらに、高級炭化水素、例えば、エタンやプロパンなどの水蒸気改質のような他の反応も触媒することができる。
【0032】
好適には、ＨＥＲのプロセス側入口に最も近い第１の反応ゾーン（Ｉ）の少なくとも端部は、ＨＥＲの加熱側と直接接触していないので、第１の反応ゾーン（Ｉ）のこの端部は、主として前記発熱反応による断熱温度上昇によって加熱される。ＨＥＲのプロセス側入口は、ＨＥＲの端部であり、ここで第１のガス供給物が入る。
【0033】
ＨＥＲ反応器の両方で、触媒上に炭素が形成されないようにすることが不可欠である。さらに、ＣＯを含むガスが製造される場合、特にそのようなガスが冷却される場合に、金属ダスティングのリスク（金属粉塵）が存在することはよく知られている。本発明は、ＨＥＲ反応器における炭素生成と金属ダスティングの両方のリスクを回避、または実質的に低減する。
【0034】
金属ダスティングは、ＣＯを含むガスの存在下で金属壁に生じることがある。金属ダスティングを引き起こす化学反応は、多くの場合、以下のいずれかである：
【化6】
【0035】
第１の反応はＢｏｕｄｏｕａｒｄ反応、第２の反応はＣＯ還元反応として知られている。金属ダスティングは、シビアなケースでは金属壁の急速な劣化を引き起こし、機器の重大な故障につながる可能性がある。
【0036】
本発明の中心的な部分として、非選択的触媒の使用は、以下に説明するいくつかの理由から、選択的触媒の使用よりも好ましい：
【0037】
第１の反応ゾーン（Ｉ）に非選択的触媒を使用した場合、ＲＷＧＳ反応に加えてメタン化が起こる。この結果、化学エネルギーが放出され系が加熱され、メタン化は発熱性であるため、結果として温度が上昇する。ＣＯ還元反応も発熱性であるため、メタン化反応による温度上昇により、ＣＯ還元反応のポテンシャルが低下し、温度があるレベルまで上昇すると、ＣＯ還元反応のポテンシャルが全く存在しなくなる。この正確なレベルは、特定の反応物濃度、入口温度、圧力に依存することになるが、一般的に５００～８００℃の範囲にあり、それを超えてＣＯ還元反応は起こらない。メタン化反応によって発生する発熱は、構造化触媒の表面にある触媒活性部位で最も高い温度上昇を示し、炭素生成も起こりうる場所でもあることに留意すべきであるその結果、この発熱は、触媒上の炭素生成ポテンシャルを低下させる顕著な正の効果を有する。
【0038】
全体として、このＨＥＲの構成により、メタン化反応がこれを逆に緩和するため、触媒や金属表面での炭素生成の副反応を生じることなく、ＨＥＲ内で逆水ガスシフト反応とメタン化反応を促進することができる。相対的に低い入口温度から、５００℃超、好ましくは８００℃超、さらに好ましくは９００℃超または１０００℃超の非常に高い生成物ガス温度まで温度を上昇させることができるＨＥＲの具体的な構成は、メタン化反応から生成されるメタンがＨＥＲ反応器の第１の反応ゾーン（Ｉ）で発生するが、約６００～８００℃を超えると、このメタンは逆メタン化反応によってＣＯを豊富に含む生成物に変換され始めることを意味する。この構成により、ＣＯの還元が問題となる温度領域では、ＣＯの一部を除去し、触媒床の内部でＨ２Ｏを生成することができるが、その後、炭素ポテンシャルが低いか全くない高温領域でＣＯを再生することができる。事実上、高い生成物ガス温度を利用することは、メタンが反応ゾーンに沿ってどこかでピーク濃度を持つにもかかわらず、最終的な合成ガス生成物を非常に低いメタン濃度で供給できることを意味する。一実施形態においては、反応器システムは、第１のガス供給物中にメタンが全くない、または非常に僅かしかなく、合成ガス流中にも非常に僅かしかメタンがない状態で作動されるが、第１のガス供給物および／または合成ガス流中よりも高い反応ゾーン内部のメタン濃度のピークを有する。場合によっては、反応ゾーン内部のこのピークメタン濃度は、入口および出口のメタン濃度よりも一桁高いこともある。
【0039】
上述したように、非選択的触媒を使用する場合、ＣＯ濃度と炭素生成の可能性は低い。ＨＥＲ反応器のプロセス側のガスが反応（１）と（２）に関して平衡であると仮定すると、反応（４）と（５）のいずれかによって炭素が形成される熱力学的な可能性は通常ない。選択的触媒が使用され、反応（１）のみが起こる（反応（２）が起こらない）場合、ＣＯ濃度は著しく高くなる。この場合、反応（４）と（５）の両方から炭素が生成する熱力学的ポテンシャルがあるため、炭素生成のリスクが大幅に高くなる。
【0040】
第１のガス供給物
ＣＯ２とＨ２を含む第１のガス供給物が必要である。この第１の供給物は、システムの外部にある別のガス組成の燃焼生成物であってもよいし、それを含むこともできる。ＣＯ２源の例としては、アミン洗浄装置などのＣＯ２捕捉装置からの排ガスまたはオフガス、生物起源ＣＯ２、直接空気捕捉装置からのＣＯ２および／またはセメント工場や鉄鋼工場からのＣＯ２がある。Ｈ２源の例としては、電気分解（アルカリ電解または固体酸化物電解など）または水蒸気改質から生成された水素がある。第１のガス供給物は、熱交換反応器における第１のガス供給物のＣＯ２シフト反応を経て、合成ガス流に変換される。
ＣＯ２とＨ２を含む第１のガス供給物が必要である。この第１の供給物は、システムの外部にある別のガス組成の燃焼生成物であってもよいし、それを含むこともできる。ＣＯ２源の例としては、アミン洗浄装置などのＣＯ２捕捉装置からの排ガスまたはオフガス、生物起源ＣＯ２、直接空気捕捉装置からのＣＯ２および／またはセメント工場や鉄鋼工場からのＣＯ２がある。Ｈ２源の例としては、電気分解（アルカリ電解または固体酸化物電解など）または水蒸気改質から生成された水素がある。第１のガス供給物は、熱交換反応器における第１のガス供給物のＣＯ２シフト反応を経て、合成ガス流に変換される。
【0041】
本方法で使用される第１の供給物および／または加熱流体の一部は、下流ユニットからのリサイクルガスを含むこともできる。例えば、フィッシャー・トロプシュ合成装置からのオフガス（またはテールガス）のリサイクルである。このようなテールガスは、第１の供給物および／または加熱流体の一部または全部として使用される前に前処理されることができる。別の例としては、メタノールループからのパージガスがある。
【0042】
好適には、前記第１の供給物は、１０～６０％のＣＯ２、例えば２０～３５％のＣＯ２、２５～３５％のＣＯ２を含む。好適には、第１の供給物は、４０～９０％のＨ２、例えば５０～８０％のＨ２、６０～７０％のＨ２、または６５～７０％のＨ２を含む。
【0043】
第１の供給物において、Ｈ２とＣＯ２との間の比は、１～５の間、例えば２～４の間、２～３の間、または２．２～２．５の間、または２．８～３．５の間、または２．８～３．２の間であってよい。さらなる実施形態において、第１の供給物中のＣＨ４／ＣＯ２のモル比は、好ましくは０．５未満、例えば０．２未満、好ましくは０．１未満である。
【0044】
好適には、第１のガス供給物における水素の主な供給源は電解装置である。
【0045】
第１の供給物の一部は、さらに、以下の反応に従ってＨＥＲ反応器の上流で予備改質された炭化水素含有流に由来することができる：
【化7】
【0046】
上記の反応は、典型的には、メタン化反応と水ガスシフト反応（反応（１）の逆）を伴い、主にＣＯ２、Ｈ２、ＣＨ４、および水蒸気の混合物となる。
【0047】
炭化水素流は、パラフィン、例えば、エタン、プロパン、ブタン、および／またはペンタンなどのパラフィンを含む流れ（ストリーム）である。パラフィンの場合、式（３）において、ｍ＝２ｎ＋２である。
【0048】
炭化水素流の別の例は、フィッシャー・トロプシュ合成ユニットやメタノールから炭化水素を製造するユニットからのリサイクルなど、本発明のシステムの下流の合成セクションからリサイクルされるＬＰＧである。
【0049】
第１の供給物は、ＣＨ４、Ｎ２、Ａｒ、Ｏ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏなどの他の成分を含んでいてもよい。エタンを含む他の炭化水素のような他の成分も、典型的には微量であるが考えられる。
【0050】
第１の供給物は、好適には、以下の組成（体積）を有する：
－ ５０－８０％Ｈ２（ドライ）
－ ２０－５０％ＣＯ２（ドライ）
－ ５０－８０％Ｈ２（ドライ）
－ ２０－５０％ＣＯ２（ドライ）
【0051】
実施形態において、第１の供給物は、好適には、体積比で以下の代替組成を有する：
５０－７０％Ｈ２
２０－４０％ＣＯ２
２－１０％ＣＨ４
１－８％ＨＯ２
０－５％ＣＯ
Ａｒ、Ｎ２、エタンなど、その他の成分を合計で０～５％含む。
５０－７０％Ｈ２
２０－４０％ＣＯ２
２－１０％ＣＨ４
１－８％ＨＯ２
０－５％ＣＯ
Ａｒ、Ｎ２、エタンなど、その他の成分を合計で０～５％含む。
【0052】
さらなる実施形態においては、天然ガスが脱硫および／または予備改質によって前処理される場合、天然ガスからの炭素は、第１の供給物中の炭素の総量の２０％未満、好ましくは１０％未満、より好ましくは５％未満である。
【0053】
第１のガス供給物は、さらにメタンを含んでいてもよく、好適には最大３モル％、または最大８モル％、または最大１２モル％のメタンを含む。
【0054】
第１のガス供給物は、前記プロセス側入口を介してＨＥＲのプロセス側に供給される。特定の実施形態においては、第１のガス供給物は、２５０℃～５５０℃、好ましくは２６０℃～４５０℃、好ましくは２７０℃～４００℃、好ましくは２８０℃～３８０℃、好ましくは２９０℃～３７０℃、最も好ましくは３００℃～３６０℃の温度を有する。
【0055】
加熱流体
システムには加熱流体も必要である。この加熱流体の一部または全部は、システム外部の別のガス組成物の燃焼生成物であってもよい。好適には、加熱流体はＣＯ２とＨ２を含む、合成ガス流であってもよい。
システムには加熱流体も必要である。この加熱流体の一部または全部は、システム外部の別のガス組成物の燃焼生成物であってもよい。好適には、加熱流体はＣＯ２とＨ２を含む、合成ガス流であってもよい。
【0056】
加熱流体は、前記加熱側入口を介してＨＥＲの加熱側に供給され、前記加熱流体からＨＥＲのプロセス側への熱伝達が行われる。
【0057】
一実施形態において、加熱流体は、電気式ＲＷＧＳ（ｅ－ＲＷＧＳ）反応器、燃焼式ＲＷＧＳ反応器、または自熱式ＲＷＧＳ反応器、好ましくは電気式ＲＷＧＳ（ｅ－ＲＷＧＳ）反応器から供給される。
【0058】
一実施形態においては、加熱流体が合成ガス流である場合、合成ガス流と冷却された流体はＨＥＲ内で組み合わされ、プロセス側出口から第３の生成物流を供給することができる。言い換えれば、第２の反応ゾーンを出る合成ガスは、高温の加熱流体と混合され、この混合物は冷却され、冷却された流体はＨＥＲ反応器から排出される。
【0059】
上述したように、加熱流体は、電気式ＲＷＧＳ（ｅ－ＲＷＧＳ）反応器、燃焼式ＲＷＧＳ反応器、または自熱式ＲＷＧＳ反応器、好ましくは電気式ＲＷＧＳ（ｅ－ＲＷＧＳ）反応器から供給することができる。
【0060】
一実施形態において、ＣＯ２とＨ２との間の逆水ガスシフト反応を実施するために使用されるＲＷＧＳ反応器は、電気的に加熱された逆水ガスシフト（ｅ－ＲＷＧＳ）反応器である。ｅ－ＲＷＧＳ反応器は、より効率的な逆水ガスシフトプロセスを実施するために電気抵抗加熱反応器を使用し、熱源としての化石燃料の使用を実質的に削減するか、好ましくは回避する。ｅ－ＲＷＧＳ反応器は、選択的または非選択的な触媒を含んでいてもよい。好ましくは、ｅ－ＲＷＧＳ反応器は、非選択的触媒を含む。
【0061】
一実施形態において、ｅ－ＲＷＧＳ反応器は、好適には、以下を備える：
－前記ＲＷＧＳ反応を触媒するために配置された構造化触媒、
ここで、前記構造化触媒は、導電性材料の巨視的構造を含み、前記巨視的構造は、セラミックコーティングを支持し、前記セラミックコーティングは、触媒活性材料（選択的ｅ－ＲＷＧＳ用）を支持する；
－導電性材料の巨視的構造体を含む構造化触媒、
ここで、前記巨視的構造体がセラミックコーティングを支持し、前記セラミックコーティングが非選択的触媒活性材料（非選択的ｅ－ＲＷＧＳ用）を支持する；
－任意に、非選択的ペレット触媒を含む最上層（トップ層）、
－前記構造化触媒を収容する圧力シェル；
ここで、前記圧力シェルは、前記供給物を入れるための入口および合成ガス生成物を入れるための出口を含み；前記入口は、前記供給物が前記構造化触媒の第１の端部において前記構造化触媒に入り、前記合成ガス生成物が前記構造化触媒の第２の端部から前記構造化触媒を出るように配置される、；
－前記構造化触媒と前記圧力シェルとの間の熱断熱層（ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）；並びに、
－前記構造化触媒および前記圧力シェルの外部に配置された電源に電気的に接続された少なくとも２つの導体、
ここで、前記電源は、導電性材料の前記巨視的構造に電流を流すことにより、前記構造化触媒の少なくとも一部を少なくとも５００℃の温度に加熱するように寸法決めされており；
ここで、前記少なくとも２つの導体が、前記構造化触媒の前記第２の端部よりも前記構造化触媒の前記第１の端部に近い前記構造化触媒上の位置で前記構造化触媒に接続され、ここで、前記構造化触媒が、電流を１つの導体から実質的に前記構造化触媒の前記第２の端部まで流し、前記少なくとも２つの導体のうちの第２の導体に戻すように構成される。
－前記ＲＷＧＳ反応を触媒するために配置された構造化触媒、
ここで、前記構造化触媒は、導電性材料の巨視的構造を含み、前記巨視的構造は、セラミックコーティングを支持し、前記セラミックコーティングは、触媒活性材料（選択的ｅ－ＲＷＧＳ用）を支持する；
－導電性材料の巨視的構造体を含む構造化触媒、
ここで、前記巨視的構造体がセラミックコーティングを支持し、前記セラミックコーティングが非選択的触媒活性材料（非選択的ｅ－ＲＷＧＳ用）を支持する；
－任意に、非選択的ペレット触媒を含む最上層（トップ層）、
－前記構造化触媒を収容する圧力シェル；
ここで、前記圧力シェルは、前記供給物を入れるための入口および合成ガス生成物を入れるための出口を含み；前記入口は、前記供給物が前記構造化触媒の第１の端部において前記構造化触媒に入り、前記合成ガス生成物が前記構造化触媒の第２の端部から前記構造化触媒を出るように配置される、；
－前記構造化触媒と前記圧力シェルとの間の熱断熱層（ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）；並びに、
－前記構造化触媒および前記圧力シェルの外部に配置された電源に電気的に接続された少なくとも２つの導体、
ここで、前記電源は、導電性材料の前記巨視的構造に電流を流すことにより、前記構造化触媒の少なくとも一部を少なくとも５００℃の温度に加熱するように寸法決めされており；
ここで、前記少なくとも２つの導体が、前記構造化触媒の前記第２の端部よりも前記構造化触媒の前記第１の端部に近い前記構造化触媒上の位置で前記構造化触媒に接続され、ここで、前記構造化触媒が、電流を１つの導体から実質的に前記構造化触媒の前記第２の端部まで流し、前記少なくとも２つの導体のうちの第２の導体に戻すように構成される。
【0062】
圧力シェルは、好適には２～５０ｂａｒの設計圧力を有する。圧力シェルはまた、５０～２００ｂａｒの設計圧力を有することもある。少なくとも２つの導体は、典型的には、少なくとも２つの導体が圧力シェルから電気的に絶縁されるように、継手（ｆｉｔｔｉｎｇ）内で圧力シェルを通して導かれる。圧力シェルは、冷却ガスが前記圧力シェル内の少なくとも１つの導体の上、周囲、近接、または内部を流れるようにするために、少なくとも１つの継手（ｆｉｔｔｉｎｇ）に近接して、またはそれと組み合わせた１つまたは複数の入口をさらに含むことができる。ｅ－ＲＷＧＳ反応器からのガスの出口温度は、好適には９００℃以上、好ましくは１０００℃以上、さらに好ましくは１１００℃以上である。
【0063】
ｅＲＷＧＳ反応器はまた、異なる設計であってもよく、および／または熱は誘導によって伝達されてもよい。
【0064】
ｅＲＷＧＳ反応器は、代替的に、供給ガスが電気的加熱によって高温、例えば、８００～１０００℃に加熱される第１の加熱端部と、選択触媒または非選択触媒のいずれか、あるいは触媒の組み合わせを含む（断熱）触媒床を含む第２の加熱端部を含むことができる。
【0065】
一実施形態例においては、ＲＷＧＳ反応器は燃焼式ＲＷＧＳ反応器である。燃焼式ＲＷＧＳ反応器は、反応器内に配置された触媒ペレットを充填した多数のチューブから構成され得る。チューブは、典型的には、１０～１３ｍのような非常に長いものであり、触媒への熱伝達を促進するために、全体的に高い外部露出表面積を提供するために、典型的には、８０～１６０ｍｍのような相対的に小さい内径を有する。触媒は、選択触媒または非選択触媒のいずれか、あるいはその組み合わせとすることができる。燃焼式ＲＷＧＳ反応器には燃料ガスが必要である。反応器内に設置されたバーナーは、燃料ガスの燃焼によって反応に必要な熱を供給する。機械的な制約から、得られる熱流束には一般的に限界があり、そのため、チューブの数を増やし、反応器のサイズを大きくすることで容量を増加させる。このタイプの反応器構成は、水蒸気改質に頻繁に使用されており、詳細は“Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｇａｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ＦＴ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ”； Ｃｈａｐｔｅｒ ４， ｐ．２５８－３５２， ２００４（「ＦＴ合成のための合成ガス製造」（第４章、ｐ．２５８－３５２、２００４年））などの技術文献に記載されている。他のタイプの燃焼式ＲＷＧＳ反応器も想定できる。
【0066】
一実施形態においては、ＲＷＧＳ反応器は、自熱式ＲＷＧＳ反応器であり、より好ましくは、１つ以上の予備反応器に続いて下流の自熱式ＲＷＧＳ反応器が続く。第１の予備反応器からの流出ガスは、任意に冷却して、同じ反応が起こる次の予備反応器に送ることができる。さらに予備反応器を使用することもできる。予備反応器は典型的には、断熱または加熱される。最後の予備反応器からの出口ガスは、自熱式ＲＷＧＳ反応器に送られる。
【0067】
予備反応器では反応（１）と（２）が生じる。典型的には、反応（１）と（２）に関して、各予備反応器の出口と自熱式ＲＷＧＳ反応器の出口におけるガス組成は、共に化学平衡かそれに近い状態にある。
【0068】
自熱式ＲＷＧＳ反応器の主な構成要素は、耐火物を内張りした圧力シェル内に収められたバーナー、燃焼室、触媒層である。自熱式ＲＷＧＳ反応器は酸素の供給を必要とする。自熱式ＲＷＧＳ反応器においては、半化学量論量の酸素による自熱式ＲＷＧＳ反応器供給物の部分燃焼に続いて、逆水ガスシフトが行われ、任意に、触媒の固定床で部分燃焼ガスの水蒸気改質も行われる。典型的には、ガスは反応器の出口で水ガスシフト反応と水蒸気改質反応に関して平衡状態かそれに近い状態にある。出口ガスの温度は典型的には８５０～１１００℃の範囲である。このタイプの反応器構成は、炭化水素原料からの合成ガス製造に頻繁に使用されており、詳細は“Ｓｔｕｄｉｅｓ ｉｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｃａｔａｌｙｓｉｓ， Ｖｏｌ． １５２，” Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｇａｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ＦＴ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ”； Ｃｈａｐｔｅｒ ４， ｐ．２５８－３５２， ２００４”（「表面科学と触媒作用の研究、第１の５２巻、「ＦＴ合成のための合成ガス製造」、第４章、ｐ．２５８－３５２、２００４」）などの技術文献に記載されている。
【0069】
燃焼式ＲＷＧＳ反応器に続いて自熱式ＲＷＧＳ反応器を使用することもできる。この場合、ＲＷＧＳ反応器からの流出ガスは、自熱式ＲＷＧＳ反応器に導かれる。この場合、燃焼式ＲＷＧＳ反応器からの流出ガスは典型的には７００～９００℃になる。
【0070】
電気式ＲＷＧＳ反応器に続いて自熱式ＲＷＧＳ反応器を使用することも考慮できる。この場合、電気式ＲＷＧＳ反応器からの流出ガスは典型的には７００～９００℃になる。
【0071】
本発明は、また、ＣＯ２およびＨ２を含む第１のガス供給物のＣＯ２シフト反応を介して、前記第１のガス供給物を、合成ガス流に変換するための、熱交換反応器（ＨＥＲ）を提供し、
熱交換反応器（ＨＥＲ）は、少なくとも１つのプロセス側および少なくとも１つの加熱側を含み、ここで、ＨＥＲのプロセス側が、プロセス側入口およびプロセス側出口を備え、
前記プロセス側入口は、ＣＯ２およびＨ２を含む前記第１のガス供給物を前記プロセス側に供給するように配置され、
前記プロセス側出口は、任意に冷却された流体と混合して、前記合成ガス流を前記プロセス側から出力するように配置され、
ここで、ＨＥＲのプロセス側は、プロセス側入口に最も近くに配置された第１の反応ゾーン（Ｉ）を含み、
かつ、
ＨＥＲのプロセス側が、プロセス側出口の最も近くに配置された第２の反応ゾーン（ＩＩ）を含み、
ここで、第１の反応ゾーン（Ｉ）は、前記第１のガス供給の全体的な発熱反応を実施するように配置され、ここで、全体的な発熱反応は、左から右へ正味に進行する少なくとも以下の反応を含み：
ここで、第２の反応ゾーン（ＩＩ）は、前記第１の反応ゾーン（Ｉ）からのガスの全体的な吸熱反応を実施するように配置され、ここで、全体的な吸熱反応は、左から右へ正味に進行する少なくとも以下の反応を含む：
ここで、ＨＥＲの加熱側は、加熱側入口および、－任意に－加熱側出口を備え、
前記加熱側入口は、前記加熱側に加熱流体を供給するように配置され、
前記加熱側出口は、－それが存在する場合－前記加熱側から冷却された流体を出力するように配置され、
前記少なくとも１つのプロセス側および前記少なくとも１つの加熱側は、加熱側からプロセス側の少なくとも一部への熱伝達が可能であるように配置される。
熱交換反応器（ＨＥＲ）は、少なくとも１つのプロセス側および少なくとも１つの加熱側を含み、ここで、ＨＥＲのプロセス側が、プロセス側入口およびプロセス側出口を備え、
前記プロセス側入口は、ＣＯ２およびＨ２を含む前記第１のガス供給物を前記プロセス側に供給するように配置され、
前記プロセス側出口は、任意に冷却された流体と混合して、前記合成ガス流を前記プロセス側から出力するように配置され、
ここで、ＨＥＲのプロセス側は、プロセス側入口に最も近くに配置された第１の反応ゾーン（Ｉ）を含み、
かつ、
ＨＥＲのプロセス側が、プロセス側出口の最も近くに配置された第２の反応ゾーン（ＩＩ）を含み、
ここで、第１の反応ゾーン（Ｉ）は、前記第１のガス供給の全体的な発熱反応を実施するように配置され、ここで、全体的な発熱反応は、左から右へ正味に進行する少なくとも以下の反応を含み：
【化8】
【化9】
前記加熱側入口は、前記加熱側に加熱流体を供給するように配置され、
前記加熱側出口は、－それが存在する場合－前記加熱側から冷却された流体を出力するように配置され、
前記少なくとも１つのプロセス側および前記少なくとも１つの加熱側は、加熱側からプロセス側の少なくとも一部への熱伝達が可能であるように配置される。
【0072】
システムはさらに、当業者が必要と考える追加的なユニットや接続部（配管など）を含んでいてもよい。
【0073】
ＨＥＲのプロセス側は、好適には、プロセス側入口からプロセス側出口まで延びる全長を有し、第１の反応ゾーン（Ｉ）は、ＨＥＲのプロセス側の全長の５０％未満、例えば３０％未満、好適には２０％未満、より好適には１０％未満の長さを有する。第１の触媒は、好適には少なくともＨＥＲの第１の反応ゾーン（Ｉ）に配置される。第１の反応ゾーン（Ｉ）のプロセス側の少なくとも端部は、ＨＥＲのプロセス側入口に最も近くに配置され、プロセス側入口からプロセス側出口に向かう方向に第１の反応ゾーンのプロセス側の全長の２５％までの長さを有するが、ＨＥＲの加熱側と直接接触していないので、第１の反応ゾーン（Ｉ）のこの端部は、第１の反応ゾーン（Ｉ）での発熱反応による断熱温度上昇によって主に加熱される。特に、前記末端部は、プロセス側入口からプロセス側出口に向かう方向において、第１の反応ゾーンのプロセス側の全長の５～２０％、好ましくは５～１０％の長さを有する。ＨＥＲは好適にはバヨネット型ＨＥＲである。ＨＥＲは、少なくとも２つのプロセス側、および／または少なくとも２つの加熱側を有することができる。
【0074】
ＨＥＲから出力される合成ガス流のＨ２／ＣＯ比は、好適には１．８～２．２の間、例えば１．９～２．１の間である。これは、例えば合成ガスが、フィッシャー・トロプシュ合成によるケロシンやディーゼルなどの合成燃料の下流合成に使用される場合に望ましい。
【0075】
一実施形態においては、ＨＥＲから出力される合成ガス流の（Ｈ２－ＣＯ２）／（ＣＯ＋ＣＯ２）比（合成ガスモジュールとしても知られる）は、１．８～２．２の間、例えば２．０～２．１の間である。これは、合成ガスがメタノールの下流合成に使用される場合などに望ましい。
【0076】
第１の反応ゾーン（Ｉ）では第１のガス供給物の全体的な発熱反応が行われ；第２の反応ゾーン（ＩＩ）では第１の反応ゾーン（Ｉ）からのガスの全体的な吸熱反応が行われ；かつ、合成ガス流はプロセス側出口を介して（ＨＥＲの）プロセス側から排出され、任意に冷却された流体と混合される。冷却された流体は、ＨＥＲの加熱側から加熱側出口を介して排出される。
【0077】
第１の反応ゾーン（Ｉ）のガスの温度は、典型的には、３００～８００℃である。第２の反応ゾーン（ＩＩ）のガスの温度は、典型的には６００～１２００℃である。
【0078】
好適には、プロセス条件は、金属ダスティングの臨界限界よりも高い、ＨＥＲのそれぞれの出口における合成ガス流および／または冷却された流体および／または第３の生成物流の温度を提供するように調整される。これは、金属ダスティングの熱力学的可能性がないか、または金属ダスティングが起こらないか、または非常に低い割合で起こるように、熱力学的可能性が十分に低くなるように、温度が十分に高いことを意味する。
【0079】
例えば、合成ガス流および／または冷却された流体および／または第３の生成物流の冷却出口温度は、５００℃以上、６００℃以上、７００℃以上、または８００℃以上である。冷却された生成物流の温度を制御することで、金属ダスティングのリスクを制御することができる。一般に、温度が低いと、関連する反応の発熱性により、金属ダスティングの可能性が高まる（望ましくない）（ａｃより高い）。
【0080】
前記冷却された出口温度における合成ガス流および／または冷却された流体、および／または第３の生成物流は、好適には、１００未満、または５０未満、または１０未満、または５未満、または１未満のＣＯ還元反応の実ガス炭素活性を有する。
【0081】
典型的には、合成ガス流および／または冷却された流体、および／または第３の生成物流のＨ２／ＣＯ比は、０．５～３．０の範囲、例えば１．９～２．１の範囲、または２～３の範囲である。また、合成ガス流および／または冷却された流体、および／または第３の生成物流の（（Ｈ２－ＣＯ２）／（ＣＯ＋ＣＯ２）比は、１．５～２．５の範囲、例えば１．９～２．１の範囲、または２～２．０５の範囲とすることができる。
【0082】
合成ガス流および／または冷却された流体、および／または第３の生成物流の冷却された出口温度の制御は、ＨＥＲ反応器の適切な設計によって行うことができる。これを達成する１つの方法は、反応ゾーン（Ｉ）における加熱側からプロセス側への熱の移動を最小化または排除することである。好ましい実施形態において上述したように、反応ゾーン（Ｉ）における温度上昇の大部分または全ては、非選択的触媒を用いたメタン化反応による断熱温度上昇によって引き起こされる。好ましい実施形態においては、第１の反応ゾーン（Ｉ）を出るガスの温度は６５０℃超、より好ましくは７００℃超、最も好ましくは７５０℃超である。反応ゾーン（Ｉ）においてプロセス側と加熱側との間の熱移動が起こらない場合には、加熱側からＨＥＲ反応器を出るガスの温度は、プロセス側の反応ゾーン（Ｉ）を出るガスの温度を上回らなければならない。従って、加熱側からＨＥＲ反応器を出るガス（例えば、冷却された第１の生成物ガス）の温度を高く維持するための一つの手段は、反応ゾーン（Ｉ）におけるＨＥＲ反応器内の熱伝達を防止または最小化することである。これは例えば次のようにして行うことができる：
１）上記のようにＨＥＲ反応器の上流に断熱非選択的触媒を設置する。
２）第１の反応ゾーン（Ｉ）の大部分または全部は、ＨＥＲ内／ＨＥＲの加熱側と直接熱接触していない。
３）断熱材のような手段は、反応ゾーン（Ｉ）の少なくとも一部において、プロセス側と加熱側との間のＨＥＲ反応器の一部に設けられている。
１）上記のようにＨＥＲ反応器の上流に断熱非選択的触媒を設置する。
２）第１の反応ゾーン（Ｉ）の大部分または全部は、ＨＥＲ内／ＨＥＲの加熱側と直接熱接触していない。
３）断熱材のような手段は、反応ゾーン（Ｉ）の少なくとも一部において、プロセス側と加熱側との間のＨＥＲ反応器の一部に設けられている。
【0083】
上記１）または２）に従った一実施形態においては、第１のガス供給物は、反応（１）および（２）に従って断熱的に反応し、平衡まで（または平衡に近くまで）反応する。
【0084】
混合手段は、ＨＥＲの下流に配置され、合成ガス流と冷却された流体を混合するように配置される。この配置は、合成ガス流と冷却された流体の両方が同じ下流の用途に使用される場合に有利に使用され、従って、混合はＨＥＲ内でも同様に行われ、このようにして装置内の熱伝達面積を最大限に利用することができる。
【0085】
ＨＥＲは２つの独立した加熱側を持つこともできる。このようなＨＥＲを図３に示す。
【0086】
具体的な実施形態においては、ＨＥＲは多数の二重チューブを含む。二重チューブとは、同程度の長さを持つ２本の同心円状のチューブで、内部チューブの直径が外部チューブよりも小さいものを指す。この配置では、触媒は内部チューブ内および外部チューブの間に配置される。第１の供給物ガスの一部は、ＨＥＲ反応器入口から触媒を充填した内部チューブを通ってＨＥＲ反応器の他端まで流れる。第１の供給物ガスの残りの一部は、外部チューブ間の触媒充填部を通って流れる。加熱流体は、触媒が充填された内部チューブと外部チューブの間の触媒が充填された領域を出るガスからなり、合成ガスと混合され、第３の生成物ガスが得られる。第３の生成物ガスは、内部チューブと外部チューブの間の環状空間を本質的に向流モードで流れ、冷却された第３の生成物ガスが得られる。第３の生成物ガスの冷却により、プロセス側（触媒が充填された内部チューブ、および、外部チューブの間の領域）に必要な熱が供給される。これは、ＨＥＲが２つのプロセス側を持つシステムの例である。
【0087】
さらなる実施形態においては、第３の生成物流は、熱交換器（廃熱ボイラー）でさらに冷却され、その熱は水流から水蒸気を生成するために使用される。このさらに冷却された第３の生成物流は、典型的には３００～５５０℃の温度を有する。生成された水蒸気は、発電や水素製造用電解装置への供給など、さまざまな用途に使用することができる。この場合、電解装置はＨＥＲ反応器と直列に配置することができる。電解ユニットで製造された水素は、第１のガス供給物中の水素の一部または全部として、ＨＥＲ反応器に直接添加することができる。
【0088】
さらに冷却された第３の生成物流は、上述のように水蒸気生成に使用された後、３００～５５０℃の温度を有することができる。このさらに冷却された第３の生成物流は、その後、例えば第１のガス供給物の一部または全部の予熱のような追加の加熱にも使用することができる。さらに冷却された第３の生成物流が一酸化炭素を多く含有していても、熱伝達面の温度が十分に低いため、重度の金属ダストの発生を回避することができる。
【0089】
第３の生成物流は、例えば第１のガス供給物の一部または全部を予熱するための熱源として使用することができる。これには、エネルギー効率を最適化できるという利点がある。第１のガス流の予熱と水蒸気の生成は、並列または直列のいずれかで行われる。
【0090】
一実施形態において、このシステムは、燃焼ユニットと、燃料の第４の供給物とをさらに含むことができ、燃料の前記第３の供給物は、燃焼ユニットに供給されるように配置され、酸化剤の存在下でそこで燃焼されて、燃焼ガスの第５の供給物を提供し、前記第５の供給物は、前記加熱流体の一部または全体として、ＨＥＲの加熱側に供給されるように配置される。好ましくは、前記燃焼ユニットの酸化剤は実質的に純粋な酸素、好ましくは９０％超の酸素、最も好ましくは９９％超の酸素である。これによって、ＨＥＲの伝達のデューティ（ｄｕｔｙ）を高めて、第２の生成物流におけるＣＯ生成量を増加させることができる。
【0091】
燃料の第３の供給物は、水素を含む供給物であってもよく、これは、水蒸気を含む供給物である第５の供給物に燃焼される。実質的に純粋な水蒸気を第５の供給物とすることは、これが合成ガス流と混合される場合に有利である。なぜなら、水蒸気は再び容易に除去され、それによって製造された合成ガスの生成物の品質に影響を与えないからである。
【0092】
あるいは、燃料の第３の供給物は、メタンおよび／または他の炭化水素を含む供給物とし、第５の供給物は二酸化炭素と水蒸気を含む供給物とすることもできる。ＣＯ２は、このようにしてＨＥＲの下流から回収され、上流の供給原料へのインプット（投入物）として使用される。一実施形態においては、外部バーナーは半化学量論的に作動され、第５の供給物は、ＣＨ４、ＣＯ、および／またはＨ２から構成される可能性がある。特に、Ｈ２がＯ２に対して半化学量論的であることが興味深い。
【0093】
上記のように、第５の供給物がＨＥＲの加熱側に別々に供給される場合、冷却された５番目の供給物は、ＣＯ２とＨ２を含む前記第１のガス供給物の一部としてＨＥＲの下流で使用されることができる。この供給物の冷却により、その中の水蒸気の一部が凝縮することがある。
【0094】
典型的には、冷却された第５の供給物は、供給物側に送られる前に、Ｈ２Ｏを凝縮させるために十分に冷却される（図７参照）。従って、このシステムは、任意に凝縮ステージを含むことができる。
【0095】
上記のシステムおよび方法によって製造された合成ガスは、例えばメタノール、合成ガソリン、合成ジェット燃料、合成ディーゼルの製造に使用することができる。
【0096】
具体的な実施形態
図１は、本発明のＨＥＲ２０の一般的な実施形態を示している。第１のガス供給物２は、プロセス側入口２８を介してＨＥＲ２０のプロセス側２０Ａに供給される。加熱流体１１は、加熱流体１１からの熱がＨＥＲ２０のプロセス側２０Ａに伝達されるように、ＨＥＲ２０の加熱側２０Ｂに供給される。このようにして、ＨＥＲ２０のプロセス側２０Ａにおいて、ＣＯを含む合成ガス流２１への第１のガス供給物２の変換が促進され；これにより、前記第１のガス供給物２の全体的な発熱反応が第１の反応ゾーン（Ｉ）で生じ、第１の反応ゾーン（Ｉ）からのガスの全体的な吸熱反応が第２の反応ゾーン（ＩＩ）で生じる。冷却された流体３１は加熱側出口２７から出力される。ＨＥＲからの冷却された流体３１の出口温度は約５００℃以上である。
図１は、本発明のＨＥＲ２０の一般的な実施形態を示している。第１のガス供給物２は、プロセス側入口２８を介してＨＥＲ２０のプロセス側２０Ａに供給される。加熱流体１１は、加熱流体１１からの熱がＨＥＲ２０のプロセス側２０Ａに伝達されるように、ＨＥＲ２０の加熱側２０Ｂに供給される。このようにして、ＨＥＲ２０のプロセス側２０Ａにおいて、ＣＯを含む合成ガス流２１への第１のガス供給物２の変換が促進され；これにより、前記第１のガス供給物２の全体的な発熱反応が第１の反応ゾーン（Ｉ）で生じ、第１の反応ゾーン（Ｉ）からのガスの全体的な吸熱反応が第２の反応ゾーン（ＩＩ）で生じる。冷却された流体３１は加熱側出口２７から出力される。ＨＥＲからの冷却された流体３１の出口温度は約５００℃以上である。
【0097】
【0098】
図３は、本発明のＨＥＲ２０と逆水ガスシフト（ＲＷＧＳ）反応器１０を含むシステム１００の一般的な実施形態を示す。ＣＯ２およびＨ２を含む第１の供給物１は、逆水ガスシフト（ＲＷＧＳ）反応器１０に供給され、そこで第１の生成物流１１、すなわち合成ガス流に変換される。ＲＷＧＳ反応器の出口温度（すなわち第１の生成物流１１）は＞１０００℃（１０００℃超）であるため、この流は下流のＨＥＲで加熱流体として使用することができる。第１の供給物２はＨＥＲ２０のプロセス側２０Ａに供給され、そこで合成ガス流２１に変換される。ＨＥＲは９５０℃の出口温度（すなわち合成ガス流２１）で作動される。第１の生成物流１１は、第１の生成物流１１からの熱がＨＥＲ２０のプロセス側２０Ａに伝達されるように、ＨＥＲ２０の加熱側２０Ｂに供給される。こうして、ＨＥＲ２０のプロセス側２０Ａにおいて、ＣＯを含む第２生成物流２１への第２供給物２の変換が促進され、冷却された第１の生成物流３１が供給される。ＨＥＲからの冷却された第１の生成物流３１の出口温度は、約５００℃以上である。
【0099】
図４は、図３と同様のシステム１００の実施形態を示し、参照番号は図３と同様である。さらに、このシステムでは、ＣＯ２とＨ２を含む一次供給物９が、第１の供給物２と第２の供給物１に分割される。一次供給物９は、１００００Ｎｍ３／ｈの供給速度を有し、約７０％のＨ２と３０％のＣＯ２を含む。この実施形態においては、第１の供給物と第２の供給物は等モルサイズである。その他の詳細は図３による。
【0100】
図５の実施形態においては、図４と同様のシステム１００が提供され、参照番号は図４と同様である。さらに、ＨＥＲ２０は、第１の加熱側２０Ｂ’および第２加熱側２０Ｂ’’を有する。加熱流体１１は第１の加熱側２０Ｂ’に供給され、合成ガス流２１は第２加熱側２０Ｂ’’に供給される。ＨＥＲの第１の加熱側２０Ｂ’からは冷却された流体３１が排出され、第２の加熱側２０Ｂ’’からは冷却された合成ガス流３２が排出される。
【0101】
図６の実施形態においては、図３と同様のシステム１００が提供され、参照番号は図３と同様である。さらに、このシステムは、燃焼ユニット３０と、燃料の第３の供給部４とを備える。燃料の第３の供給物４は、燃焼ユニット３０に供給され、酸化剤４Ｂ（典型的にはＯ２流）の存在下で燃焼され、燃焼ガスの第５の供給物５を提供するように配置される。第５の供給ガス５は、追加の熱源としてＨＥＲの加熱側２０Ｂに供給される。
【0102】
【0103】
図７Ａの実施形態は、図５の実施形態に基づいている。この実施形態においては、燃焼ガスの第５の供給物５は、ＨＥＲの加熱側に通され、冷却された第５の供給物２５は、前記第２供給物１の一部として、および／またはＣＯ２およびＨ２を含む前記第１の供給物２の一部として、ＨＥＲの下流で使用される。図示の実施形態においては、フラッシュ分離器４０が、水流４１を除去するために使用され、第５の供給物２５の残りは、一次供給物９にリサイクルされる。
【0104】
【0105】
図１１は、合成ガス流２１と冷却された流体３１がＨＥＲ出口の前で組み合わされる、本発明のＨＥＲの代替配置を示している。
【実施例】
【0106】
例
比較例１
最初の例として、非選択的触媒を使用した独立型ｅ－ＲＷＧＳ反応器を用いた比較例を示す。このプロセスの作動は表１に要約されている。６９．２％のＨ２、３０．８％のＣＯ２を含む１００００Ｎｍ３／ｈの全供給物は、ｅ－ＲＷＧＳ反応器で３．２１ＧＣａｌ／ｈを使用することにより、Ｈ２／ＣＯ比１．８８の合成ガスに変換され、これは生成されたＣＯ、Ｎｍ３あたり１３４０ｋｃａｌに相当する。
比較例１
最初の例として、非選択的触媒を使用した独立型ｅ－ＲＷＧＳ反応器を用いた比較例を示す。このプロセスの作動は表１に要約されている。６９．２％のＨ２、３０．８％のＣＯ２を含む１００００Ｎｍ３／ｈの全供給物は、ｅ－ＲＷＧＳ反応器で３．２１ＧＣａｌ／ｈを使用することにより、Ｈ２／ＣＯ比１．８８の合成ガスに変換され、これは生成されたＣＯ、Ｎｍ３あたり１３４０ｋｃａｌに相当する。
【0107】
【表1】
【0108】
例２
本発明の第１の実施例として、フィッシャー・トロプシュ合成に適した合成ガスを製造するためのｅ－ＲＷＧＳとＨＥＲの組み合わせを表２に示す。この場合、６９．２％のＨ２と３０．８％のＣＯ２を含む１００００Ｎｍ３／ｈの一次供給物は、ｅ－ＲＷＧＳとＨＥＲにそれぞれ供給される等モルサイズの第１の供給物と第２の供給物に分離される。ｅ－ＲＷＧＳからの流れは、熱力学に従ってガスを１０５０℃に加熱・変換することにより、再びＨ２／ＣＯ比１．８８の合成ガスを生成する。ＨＥＲは９５０℃の出口温度で作動され（加熱ガスからの利用可能な温度によって部分的に与えられる）、一次供給物からのモル流量の５０％（すなわち、第１および第２の供給物の合計モル流量の５０％）を受け取る。第１と第２の生成物流は混合され、ガスを６４６℃に冷却する、すなわち熱交換のために１９６℃の駆動力を残すＨＥＲの加熱源として使用される。全体として、合成ガスのＨ２／ＣＯ比は１．９４で、比較例よりわずかに高い。しかし、これもＣＯ１Ｎｍ３あたり６８９ｋｃａｌしか使用しておらず、比較例と比較して４９％のデューティが減少している。具体的には、ｅ－ＲＷＧＳに必要なデューティは１．６Ｇｃａｌ／ｈであるのに対し、ＨＥＲのプロセス側に移されるデューティは１．４Ｇｃａｌ／ｈであり、これによりＨＥＲは、２つの反応器全体でプロセス側に移されるデューティの合計の４６％を構成する。このデューティの分担は、ＣＯ製造の分担をほぼ反映しており、ＣＯ製造の４９％がＨＥＲで行われている。
本発明の第１の実施例として、フィッシャー・トロプシュ合成に適した合成ガスを製造するためのｅ－ＲＷＧＳとＨＥＲの組み合わせを表２に示す。この場合、６９．２％のＨ２と３０．８％のＣＯ２を含む１００００Ｎｍ３／ｈの一次供給物は、ｅ－ＲＷＧＳとＨＥＲにそれぞれ供給される等モルサイズの第１の供給物と第２の供給物に分離される。ｅ－ＲＷＧＳからの流れは、熱力学に従ってガスを１０５０℃に加熱・変換することにより、再びＨ２／ＣＯ比１．８８の合成ガスを生成する。ＨＥＲは９５０℃の出口温度で作動され（加熱ガスからの利用可能な温度によって部分的に与えられる）、一次供給物からのモル流量の５０％（すなわち、第１および第２の供給物の合計モル流量の５０％）を受け取る。第１と第２の生成物流は混合され、ガスを６４６℃に冷却する、すなわち熱交換のために１９６℃の駆動力を残すＨＥＲの加熱源として使用される。全体として、合成ガスのＨ２／ＣＯ比は１．９４で、比較例よりわずかに高い。しかし、これもＣＯ１Ｎｍ３あたり６８９ｋｃａｌしか使用しておらず、比較例と比較して４９％のデューティが減少している。具体的には、ｅ－ＲＷＧＳに必要なデューティは１．６Ｇｃａｌ／ｈであるのに対し、ＨＥＲのプロセス側に移されるデューティは１．４Ｇｃａｌ／ｈであり、これによりＨＥＲは、２つの反応器全体でプロセス側に移されるデューティの合計の４６％を構成する。このデューティの分担は、ＣＯ製造の分担をほぼ反映しており、ＣＯ製造の４９％がＨＥＲで行われている。
【0109】
組み合わされた（つまり第３の）冷却された生成物ガスのＣＯ還元反応の炭素活性は６．２である。
【0110】
【表2】
【0111】
例３
別の実施例では、ｅ－ＲＷＧＳとＨＥＲの組み合わせが表３に示されており、ＨＥＲがどのように主要なＣＯ生成ユニットとなり得るかを示している。この場合、６９．２％のＨ２と３０．８％のＣＯ２を含む１００００Ｎｍ３／ｈの一次供給物は、それぞれ全モル流量の４５％と５５％の第１の供給物と第２の供給物に分離される。ｅ－ＲＷＧＳからの流れは、熱力学に従ってガスを１０５０℃に加熱・変換することにより、再びＨ２／ＣＯ比１．８８の合成ガスを生成する。ＨＥＲは、出口温度９０５℃（加熱ガスからの利用可能な温度によって部分的に与えられる）で作動され、一次供給物からのモル流量の５５％（すなわち、第１および第２の供給物の合計モル流量の５５％）を受け取る。第１の第２の生成物流は混合され、ガスを６２１℃に冷却する、すなわち熱交換のために１７１℃の駆動力を残すＨＥＲの加熱源として使用される。全体として、合成ガスのＨ２／ＣＯ比は１．９８で、比較例よりわずかに高い。しかし、これも１Ｎｍ３ＣＯあたり６３７ｋｃａｌしか使用しておらず、比較例と比較してデューティが５２％削減されている。具体的には、ｅ－ＲＷＧＳに必要なデューティは１．４Ｇｃａｌ／ｈであるが、ＨＥＲのプロセス側に移されるデューティは１．３Ｇｃａｌ／ｈであり、ＨＥＲは２つの反応器全体でプロセス側に移されるデューティの４８％を占める。このデューティ分担は、ＣＯ製造の分担をほぼ反映しており、ＣＯ製造の５２％がＨＥＲで行われている。
別の実施例では、ｅ－ＲＷＧＳとＨＥＲの組み合わせが表３に示されており、ＨＥＲがどのように主要なＣＯ生成ユニットとなり得るかを示している。この場合、６９．２％のＨ２と３０．８％のＣＯ２を含む１００００Ｎｍ３／ｈの一次供給物は、それぞれ全モル流量の４５％と５５％の第１の供給物と第２の供給物に分離される。ｅ－ＲＷＧＳからの流れは、熱力学に従ってガスを１０５０℃に加熱・変換することにより、再びＨ２／ＣＯ比１．８８の合成ガスを生成する。ＨＥＲは、出口温度９０５℃（加熱ガスからの利用可能な温度によって部分的に与えられる）で作動され、一次供給物からのモル流量の５５％（すなわち、第１および第２の供給物の合計モル流量の５５％）を受け取る。第１の第２の生成物流は混合され、ガスを６２１℃に冷却する、すなわち熱交換のために１７１℃の駆動力を残すＨＥＲの加熱源として使用される。全体として、合成ガスのＨ２／ＣＯ比は１．９８で、比較例よりわずかに高い。しかし、これも１Ｎｍ３ＣＯあたり６３７ｋｃａｌしか使用しておらず、比較例と比較してデューティが５２％削減されている。具体的には、ｅ－ＲＷＧＳに必要なデューティは１．４Ｇｃａｌ／ｈであるが、ＨＥＲのプロセス側に移されるデューティは１．３Ｇｃａｌ／ｈであり、ＨＥＲは２つの反応器全体でプロセス側に移されるデューティの４８％を占める。このデューティ分担は、ＣＯ製造の分担をほぼ反映しており、ＣＯ製造の５２％がＨＥＲで行われている。
【0112】
組み合わされた（つまり第３の）冷却された生成物ガスのＣＯ還元反応における炭素活性は７３である。
【0113】
【表3】
【0114】
例４
別の例においては、ｅ－ＲＷＧＳとＨＥＲの組み合わせが表４に示されており、ＨＥＲ作動が金属ダスティングのために非常に低い駆動力でどのように構成できるかを示している。この場合、６９．２％のＨ２と３０．８％のＣＯ２を含む１００００Ｎｍ３／ｈの一次供給物は、それぞれ全モル流量の６０％と４０％の第１の供給物と第２の供給物に分離される。ｅ－ＲＷＧＳからの流れは、熱力学に従ってガスを１０５０℃に加熱・変換することにより、再びＨ２／ＣＯ比１．８８の合成ガスを生成する。ＨＥＲは出口温度９１５℃で作動され（加熱ガスの利用可能な温度によって部分的に与えられる）、一次供給物からのモル流量の４０％（すなわち、第１および第２供給物の合計モル流量の４０％）を受け取る。第１の第２の生成物流は混合され、ガスを７３７℃に冷却するＨＥＲの加熱源として使用される。全体として、合成ガスのＨ２／ＣＯ比は１．９５で、比較例よりわずかに高い。しかし、これもＣＯ１Ｎｍ３当たり８３２ｋｃａｌしか使用しておらず、比較例と比較して３８％デューティが削減されている。具体的には、ｅ－ＲＷＧＳに必要なデューティは１．９Ｇｃａｌ／ｈであるのに対し、ＨＥＲのプロセス側に移されるデューティは１．０Ｇｃａｌ／ｈであり、これによりＨＥＲは、２つの反応器全体でプロセス側に移されるデューティの合計の３４％を構成する。このデューティの分担は、ＣＯ製造の分担をほぼ反映しており、ＣＯ製造の３８％がＨＥＲで行われている。
別の例においては、ｅ－ＲＷＧＳとＨＥＲの組み合わせが表４に示されており、ＨＥＲ作動が金属ダスティングのために非常に低い駆動力でどのように構成できるかを示している。この場合、６９．２％のＨ２と３０．８％のＣＯ２を含む１００００Ｎｍ３／ｈの一次供給物は、それぞれ全モル流量の６０％と４０％の第１の供給物と第２の供給物に分離される。ｅ－ＲＷＧＳからの流れは、熱力学に従ってガスを１０５０℃に加熱・変換することにより、再びＨ２／ＣＯ比１．８８の合成ガスを生成する。ＨＥＲは出口温度９１５℃で作動され（加熱ガスの利用可能な温度によって部分的に与えられる）、一次供給物からのモル流量の４０％（すなわち、第１および第２供給物の合計モル流量の４０％）を受け取る。第１の第２の生成物流は混合され、ガスを７３７℃に冷却するＨＥＲの加熱源として使用される。全体として、合成ガスのＨ２／ＣＯ比は１．９５で、比較例よりわずかに高い。しかし、これもＣＯ１Ｎｍ３当たり８３２ｋｃａｌしか使用しておらず、比較例と比較して３８％デューティが削減されている。具体的には、ｅ－ＲＷＧＳに必要なデューティは１．９Ｇｃａｌ／ｈであるのに対し、ＨＥＲのプロセス側に移されるデューティは１．０Ｇｃａｌ／ｈであり、これによりＨＥＲは、２つの反応器全体でプロセス側に移されるデューティの合計の３４％を構成する。このデューティの分担は、ＣＯ製造の分担をほぼ反映しており、ＣＯ製造の３８％がＨＥＲで行われている。
【0115】
現在のＨＥＲの構成では、ＨＥＲの第１の反応ゾーン（Ｉ）が発熱性であることが利用され、プロセス側の温度上昇が高くなり、その結果、加熱ガスの冷却温度も低くなる。この制御は、炭素活性がそれ以上上昇しないことを意味する。これらの詳細は、図８に示すＨＥＲの加熱側ガスの温度と実際のガス炭素活性プロファイルによって明確に示されている。ここでは、ＣＯ還元反応の炭素活性が１．６を超えないことがわかる。
【0116】
【表4】
【0117】
例５
別の例においては、ｅ－ＲＷＧＳとＨＥＲの組み合わせが表５に示されており、ＣＯを高含有するメタノール製造に適した合成ガスを製造するために、この構成をどのように使用できるかを示している。この場合、７５％のＨ２と２５％のＣＯ２を含む１００００Ｎｍ３／ｈの一次供給が、それぞれ全モル流量の６０％と４０％の第１の供給物と第２の供給物とに分離される。ｅ－ＲＷＧＳからの流れは、熱力学に従ってガスを１０５０℃に加熱・変換することにより、Ｈ２／ＣＯ比２．６の合成ガスを生成する。ＨＥＲは、出口温度９３０℃（加熱ガスからの利用可能な温度によって部分的に与えられる）で作動され、一次供給物からのモル流量の４０％（すなわち、第１および第２の供給物の合計モル流量の４０％）を受け取る。第１および第２の生成物流は混合され、ガスを７５０℃に冷却するＨＥＲの加熱源として使用される。全体として、合成ガスはＨ２／ＣＯ比が２．６８で、メタノール製造に適したモジュールは２．０である。また、１Ｎｍ３ＣＯあたり８９９ｋｃａｌを使用する。具体的には、ｅ－ＲＷＧＳに必要なデューティは１．８Ｇｃａｌ／ｈであるのに対し、ＨＥＲのプロセス側に移されるデューティは０．９Ｇｃａｌ／ｈであり、これによりＨＥＲは、２つの反応器全体でプロセス側に移されるデューティの合計の３４％を占める。このデューティ分担は、ＣＯ製造の分担をほぼ反映しており、ＣＯ製造の３８％がＨＥＲで行われている。
別の例においては、ｅ－ＲＷＧＳとＨＥＲの組み合わせが表５に示されており、ＣＯを高含有するメタノール製造に適した合成ガスを製造するために、この構成をどのように使用できるかを示している。この場合、７５％のＨ２と２５％のＣＯ２を含む１００００Ｎｍ３／ｈの一次供給が、それぞれ全モル流量の６０％と４０％の第１の供給物と第２の供給物とに分離される。ｅ－ＲＷＧＳからの流れは、熱力学に従ってガスを１０５０℃に加熱・変換することにより、Ｈ２／ＣＯ比２．６の合成ガスを生成する。ＨＥＲは、出口温度９３０℃（加熱ガスからの利用可能な温度によって部分的に与えられる）で作動され、一次供給物からのモル流量の４０％（すなわち、第１および第２の供給物の合計モル流量の４０％）を受け取る。第１および第２の生成物流は混合され、ガスを７５０℃に冷却するＨＥＲの加熱源として使用される。全体として、合成ガスはＨ２／ＣＯ比が２．６８で、メタノール製造に適したモジュールは２．０である。また、１Ｎｍ３ＣＯあたり８９９ｋｃａｌを使用する。具体的には、ｅ－ＲＷＧＳに必要なデューティは１．８Ｇｃａｌ／ｈであるのに対し、ＨＥＲのプロセス側に移されるデューティは０．９Ｇｃａｌ／ｈであり、これによりＨＥＲは、２つの反応器全体でプロセス側に移されるデューティの合計の３４％を占める。このデューティ分担は、ＣＯ製造の分担をほぼ反映しており、ＣＯ製造の３８％がＨＥＲで行われている。
【0118】
現在のＨＥＲの構成では、ＨＥＲの第１の反応ゾーン（Ｉ）が発熱性であることが利用され、プロセス側の温度上昇が高くなり、その結果、加熱ガスの冷却温度も低くなる。この制御は、炭素活性がそれ以上上昇しないことを意味する。これらの詳細は、図９に示した例におけるＨＥＲの加熱側ガスの温度と実際のガス炭素活性によって明確に示されている。ここでは、ＣＯ還元反応の炭素活性が１．５を超えないことがわかる。
【0119】
【表5】
【0120】
例６
別の例においては、ｅ－ＲＷＧＳとＨＥＲの組み合わせが表５に示されており、この構成がメタンを含む一次供給原料の処理にも使用できることを示している。この場合、５６．８％のＨ２、２２．７％のＣＯ２、１１．４％のＣＨ４、および９．１％のＨ２Ｏを含む１００００Ｎｍ３／ｈの一次供給物が、それぞれ全モル流量の７０％と３０％の第１の供給物と第２の供給物とに分離される。ｅ－ＲＷＧＳからの流れは、熱力学に従ってガスを１０５０℃に加熱・変換することで、Ｈ２／ＣＯ比が２．３７の合成ガスを生成する。ＨＥＲは、出口温度９１２℃（加熱ガスからの利用可能な温度によって部分的に与えられる）で作動され、一次供給物からのモル流量の３０％（すなわち、第１および第２の供給物の合計モル流量の３０％）を受け取る。第１と第２の生成物流は混合され、ガスを６８２℃に冷却するＨＥＲの加熱源として使用される。全体として、合成ガスのＨ２／ＣＯ比は２．４１である。これは、１Ｎｍ３ＣＯあたり１４５６ｋｃａｌを使用して行われ、デューティの一部は、より吸熱性の高い改質反応に使用される。具体的には、ｅ－ＲＷＧＳに必要なデューティは４．２Ｇｃａｌ／ｈであるのに対し、ＨＥＲのプロセス側に移されるデューティは１．４Ｇｃａｌ／ｈであり、ＨＥＲは２つの反応器全体でプロセス側に移されるデューティの２６％を占めている。このデューティの分担は、ＣＯ製造の分担をほぼ反映しており、ＣＯ製造の２７％がＨＥＲで行われている。
別の例においては、ｅ－ＲＷＧＳとＨＥＲの組み合わせが表５に示されており、この構成がメタンを含む一次供給原料の処理にも使用できることを示している。この場合、５６．８％のＨ２、２２．７％のＣＯ２、１１．４％のＣＨ４、および９．１％のＨ２Ｏを含む１００００Ｎｍ３／ｈの一次供給物が、それぞれ全モル流量の７０％と３０％の第１の供給物と第２の供給物とに分離される。ｅ－ＲＷＧＳからの流れは、熱力学に従ってガスを１０５０℃に加熱・変換することで、Ｈ２／ＣＯ比が２．３７の合成ガスを生成する。ＨＥＲは、出口温度９１２℃（加熱ガスからの利用可能な温度によって部分的に与えられる）で作動され、一次供給物からのモル流量の３０％（すなわち、第１および第２の供給物の合計モル流量の３０％）を受け取る。第１と第２の生成物流は混合され、ガスを６８２℃に冷却するＨＥＲの加熱源として使用される。全体として、合成ガスのＨ２／ＣＯ比は２．４１である。これは、１Ｎｍ３ＣＯあたり１４５６ｋｃａｌを使用して行われ、デューティの一部は、より吸熱性の高い改質反応に使用される。具体的には、ｅ－ＲＷＧＳに必要なデューティは４．２Ｇｃａｌ／ｈであるのに対し、ＨＥＲのプロセス側に移されるデューティは１．４Ｇｃａｌ／ｈであり、ＨＥＲは２つの反応器全体でプロセス側に移されるデューティの２６％を占めている。このデューティの分担は、ＣＯ製造の分担をほぼ反映しており、ＣＯ製造の２７％がＨＥＲで行われている。
【0121】
現在のＨＥＲの構成においては、ＨＥＲの第１の反応ゾーン（Ｉ）が発熱性であることが利用され、プロセス側の温度上昇が高くなり、その結果、加熱ガスの冷却温度も低くなる。この制御は、炭素活性がそれ以上上昇しないことを意味する。これらの詳細は、図１０に示した例におけるＨＥＲの加熱側ガスの温度と実際のガス炭素活性プロファイルによって明確に示されている。ここでは、ＣＯ還元反応の炭素活性が０．３を超えないことがわかる。
【0122】
【表6】
【0123】
本発明を、多数の態様および実施形態を参照して説明してきた。これらの態様および実施形態は、特許請求の範囲内に留まりつつ、当業者によって任意に組み合わせることができる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【手続補正書】
【提出日】2024-02-28
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
熱交換反応器ＨＥＲ（２０）において、ＣＯ２およびＨ２を含む第１のガス供給物（２）のＣＯ２シフト反応を介して、前記第１のガス供給物（２）を、合成ガス流（２１）に変換するための方法であって、前記ＨＥＲ（２０）は、
少なくとも１つのプロセス側（２０Ａ）および少なくとも１つの加熱側（２０Ｂ）を含み、
ここで、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側入口（２８）およびプロセス側出口（２９）を備え、
ここで、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）は、プロセス側入口（２８）に最も近くに配置された第１の反応ゾーン（Ｉ）を含み、
かつ、
ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側出口（２９）の最も近くに配置された第２の反応ゾーン（ＩＩ）を含み、
ここで、ＨＥＲの加熱側（２０Ｂ）は、加熱側入口（２６）と、任意で加熱側出口（２７）とを備え、
前記少なくとも１つのプロセス側（２０Ａ）および前記少なくとも１つの加熱側（２０Ｂ）は、加熱側（２０Ｂ）からプロセス側（２０Ｂ）の少なくとも一部への熱伝達が可能であるように配置され、
前記方法は：
－前記プロセス側入口（２８）を介して、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）に第１ガス供給物（２）を供給するステップ；
－前記加熱側入口（２６）を介してＨＥＲの加熱側（２０Ｂ）に加熱流体（１１）を供給し、前記加熱流体（１１）からＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）への熱伝達を可能にするステップ；
－第１の反応ゾーン（Ｉ）において、前記第１のガス供給物（２）の全体的な発熱反応を実施するステップ、ここで、全体的な発熱反応は、左から右への正味に進行する少なくとも以下の反応を含み：
【化1】
【化2】
－任意に、加熱側出口（２７）を介して、前記加熱側（２０Ｂ）から冷却された流体（３１）を排出するステップ、
を含む、前記方法。
【請求項2】
第１の反応ゾーン（Ｉ）におけるガスの温度が３００～８００℃である、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
第２の反応ゾーン（ＩＩ）におけるガスの温度が６００～１２００℃である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項4】
合成ガス流（２１）および冷却された流体（３１）が組み合わされて、第３の生成物流（３５）を提供する、請求項１または２に記載の方法。
【請求項5】
加熱流体（１１）および第２の反応ゾーンを出る合成ガス流（２１）の少なくとも一部が、ＨＥＲ（２０）の内部で組み合わされて、加熱流体（１１）の少なくとも一部として再利用される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項6】
ＨＥＲ（２０）のそれぞれの出口において、合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）の温度が、金属ダスティングの臨界限界よりも高い温度になるように、プロセス条件が調整される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項7】
合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）の冷却された出口温度が、５００℃以上、６００℃以上、７００℃以上、または８００℃以上である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項8】
前記冷却された出口温度における合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）が、１００未満、または５０未満、または１０未満、または５未満、または１未満のＣＯ還元反応の実ガス炭素活性を有する、請求項１または２に記載の方法。
【請求項9】
合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）のＨ２／ＣＯ比が、０．５～３．０の範囲、例えば１．９～２．１の範囲、または２～３の範囲である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項10】
合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）の（Ｈ２－ＣＯ２）／（ＣＯ＋ＣＯ２）比が、１．５～２．５の範囲、例えば１．９～２．１の範囲、または２～２．０５の範囲である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項11】
Ｈ２とＣＯ２の間の比は、１～５の間、例えば２～４の間、２～３の間、または２．２～２．５の間、または２．８～３．５の間、または２．８～３．２の間であることができる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項12】
第１の供給物中のＣＨ４／ＣＯ２のモル比が、好ましくは０．５未満、例えば０．２未満、好ましくは０．１未満である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項13】
第１のガス供給物（２）が、さらにメタンを含む、好適には最大３モル％、または最大８モル％、または最大１２モル％のメタンを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項14】
加熱流体（１１）が、電気式ＲＷＧＳ（ｅ－ＲＷＧＳ）反応器（１０Ａ）、燃焼式ＲＷＧＳ反応器（１０Ｂ）または自熱式ＲＷＧＳ反応器（１０Ｃ）、好ましくは電気式ＲＷＧＳ（ｅ－ＲＷＧＳ）反応器（１０Ａ）から供給される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項15】
加熱流体（１１）がＣＯ２およびＨ２を含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項16】
ＣＯ２およびＨ２を含む第１のガス供給物（２）のＣＯ２シフト反応を介して、前記第１のガス供給物（２）を、合成ガス流（２１）に変換するための、熱交換反応器（ＨＥＲ）（２０）であって、少なくとも１つのプロセス側（２０Ａ）および少なくとも１つの加熱側（２０Ｂ）を含み、
ここで、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側入口（２８）およびプロセス側出口（２９）を備え、
前記プロセス側入口（２８）は、ＣＯ２およびＨ２を含む前記第１のガス供給物（２）を前記プロセス側（２０Ａ）に供給するように配置され、
前記プロセス側出口（２８）は、任意に冷却された流体（３１）と混合して、前記合成ガス流（２１）を前記プロセス側（２０Ａ）から出力するように配置され、
ここで、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）は、プロセス側入口（２８）に最も近くに配置された第１の反応ゾーン（Ｉ）を含み、
かつ、
ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側出口（２９）の最も近くに配置された第２の反応ゾーン（ＩＩ）を含み、
ここで、第１の反応ゾーン（Ｉ）は、前記第１ガス供給（２）の全体的な発熱反応を実施するように配置され、ここで、全体的な発熱反応は、左から右へ正味に進行する少なくとも以下の反応を含み：
【化3】
【化4】
前記加熱側入口（２６）は、前記加熱側（２０Ｂ）に加熱流体（１１）を供給するように配置され、
任意に、前記加熱側出口（２７）は、前記加熱側（２０Ｂ）から冷却された流体（３１）を出力するように配置され、
前記少なくとも１つのプロセス側（２０Ａ）および前記少なくとも１つの加熱側（２０Ｂ）は、加熱側（２０Ｂ）からプロセス側（２０Ｂ）の少なくとも一部への熱伝達が可能であるように配置される、前記熱交換反応器（ＨＥＲ）（２０）。
【請求項17】
ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側入口（２８）からプロセス側出口（２９）まで延びる全長を有し、第１の反応ゾーン（Ｉ）が、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）の全長の５０％未満、例えば３０％未満、好ましくは２０％未満、より好ましくは１０％未満の長さを有する、請求項１６に記載のＨＥＲ（２０）または請求項１に記載の方法。
【請求項18】
第１の触媒が、少なくともＨＥＲ（２０）の第１の反応ゾーン（Ｉ）に配置される、請求項１６に記載のＨＥＲ（２０）または請求項１に記載の方法。
【請求項19】
第１の反応ゾーン（Ｉ）のプロセス側（２０Ａ）の少なくとも一つの端部は、ＨＥＲ（２０）のプロセス側入口（２８）に最も近くにあり、プロセス側入口（２８）からプロセス側出口（２９）に向かう方向において、第１の反応ゾーン（Ｉ）のプロセス側（２０Ａ）の全長の２５％までの長さを有するが、ＨＥＲ（２０Ｂ）の加熱側と直接的に接触していないため、第１の反応ゾーン（Ｉ）のこの端部は、第１の反応ゾーン（Ｉ）における発熱反応によって引き起こされる断熱温度上昇によって主に加熱される、請求項１６に記載のＨＥＲ（２０）または請求項１に記載の方法。
【請求項20】
ＨＥＲがバヨネット型ＨＥＲである、請求項１６に記載のＨＥＲ（２０）または請求項１に記載の方法。
【請求項21】
ＨＥＲが少なくとも２つのプロセス側（２０Ａ）を有する、請求項１６に記載のＨＥＲ（２０）または請求項１に記載の方法。
【請求項22】
ＨＥＲが少なくとも２つの加熱側（２０Ｂ）を有する、請求項１６に記載のＨＥＲ（２０）または請求項１に記載の方法。【手続補正書】
【提出日】2024-03-28
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0123】
本発明を、多数の態様および実施形態を参照して説明してきた。これらの態様および実施形態は、特許請求の範囲内に留まりつつ、当業者によって任意に組み合わせることができる。
なお、本発明は以下の項目を含む。
［項目１］
熱交換反応器ＨＥＲ（２０）において、ＣＯ ２ およびＨ ２ を含む第１のガス供給物（２）のＣＯ ２ シフト反応を介して、前記第１のガス供給物（２）を、合成ガス流（２１）に変換するための方法であって、
前記ＨＥＲ（２０）は、
少なくとも１つのプロセス側（２０Ａ）および少なくとも１つの加熱側（２０Ｂ）を含み、
ここで、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側入口（２８）およびプロセス側出口（２９）を備え、
ここで、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）は、プロセス側入口（２８）に最も近くに配置された第１の反応ゾーン（Ｉ）を含み、
かつ、
ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側出口（２９）の最も近くに配置された第２の反応ゾーン（ＩＩ）を含み、
ここで、ＨＥＲの加熱側（２０Ｂ）は、加熱側入口（２６）と、任意で加熱側出口（２７）とを備え、
前記少なくとも１つのプロセス側（２０Ａ）および前記少なくとも１つの加熱側（２０Ｂ）は、加熱側（２０Ｂ）からプロセス側（２０Ｂ）の少なくとも一部への熱伝達が可能であるように配置され、
前記方法は：
－前記プロセス側入口（２８）を介して、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）に第１ガス供給物（２）を供給するステップ；
－前記加熱側入口（２６）を介してＨＥＲの加熱側（２０Ｂ）に加熱流体（１１）を供給し、前記加熱流体（１１）からＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）への熱伝達を可能にするステップ；
－第１の反応ゾーン（Ｉ）において、前記第１のガス供給物（２）の全体的な発熱反応を実施するステップ、ここで、全体的な発熱反応は、左から右への正味に進行する少なくとも以下の反応を含み：
－第２の反応ゾーン（ＩＩ）において、前記第１の反応ゾーン（Ｉ）からのガスの全体的な吸熱反応を実施するステップ、ここで、全体的な吸熱反応は、左から右へ正味に進行する少なくとも以下の反応を含み：
－冷却された流体（３１）と任意に混合して、合成ガス流（２１）を、プロセス側出口（２９）を介してプロセス側（２０Ａ）から排出するステップ；および
－任意に、加熱側出口（２７）を介して、前記加熱側（２０Ｂ）から冷却された流体（３１）を排出するステップ、
を含む、前記方法。
［項目２］
第１の反応ゾーン（Ｉ）におけるガスの温度が３００～８００℃である、項目１に記載の方法。
［項目３］
第２の反応ゾーン（ＩＩ）におけるガスの温度が６００～１２００℃である、項目１～２のいずれか１項に記載の方法。
［項目４］
合成ガス流（２１）および冷却された流体（３１）が組み合わされて、第３の生成物流（３５）を提供する、項目１～３のいずれか１項に記載の方法。
［項目５］
加熱流体（１１）および第２の反応ゾーンを出る合成ガス流（２１）の少なくとも一部が、ＨＥＲ（２０）の内部で組み合わされて、加熱流体（１１）の少なくとも一部として再利用される、項目１～４のいずれか１項に記載の方法。
［項目６］
ＨＥＲ（２０）のそれぞれの出口において、合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）の温度が、金属ダスティングの臨界限界よりも高い温度になるように、プロセス条件が調整される、項目１～５のいずれか１項に記載の方法。
［項目７］
合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）の冷却された出口温度が、５００℃以上、６００℃以上、７００℃以上、または８００℃以上である、項目１～６のいずれか１項に記載の方法。
［項目８］
前記冷却された出口温度における合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）が、１００未満、または５０未満、または１０未満、または５未満、または１未満のＣＯ還元反応の実ガス炭素活性を有する、項目１～７のいずれか１項に記載の方法。
［項目９］
合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）のＨ ２ ／ＣＯ比が、０．５～３．０の範囲、例えば１．９～２．１の範囲、または２～３の範囲である、項目１～８のいずれか１項に記載の方法。
［項目１０］
合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）の（Ｈ ２ －ＣＯ ２ ）／（ＣＯ＋ＣＯ ２ ）比が、１．５～２．５の範囲、例えば１．９～２．１の範囲、または２～２．０５の範囲である、項目１～９のいずれか１項に記載の方法。
［項目１１］
Ｈ ２ とＣＯ ２ の間の比は、１～５の間、例えば２～４の間、２～３の間、または２．２～２．５の間、または２．８～３．５の間、または２．８～３．２の間であることができる、項目１～１０のいずれか１項に記載の方法。
［項目１２］
第１の供給物中のＣＨ ４ ／ＣＯ ２ のモル比が、好ましくは０．５未満、例えば０．２未満、好ましくは０．１未満である、項目１～１１のいずれか１項に記載の方法。
［項目１３］
第１のガス供給物（２）が、さらにメタンを含む、好適には最大３モル％、または最大８モル％、または最大１２モル％のメタンを含む、項目１～１２のいずれか１項に記載の方法。
［項目１４］
加熱流体（１１）が、電気式ＲＷＧＳ（ｅ－ＲＷＧＳ）反応器（１０Ａ）、燃焼式ＲＷＧＳ反応器（１０Ｂ）または自熱式ＲＷＧＳ反応器（１０Ｃ）、好ましくは電気式ＲＷＧＳ（ｅ－ＲＷＧＳ）反応器（１０Ａ）から供給される、項目１～１３のいずれか１項に記載の方法。
［項目１５］
加熱流体（１１）がＣＯ ２ およびＨ ２ を含む、項目１～１４のいずれか１項に記載の方法。
［項目１６］
ＣＯ ２ およびＨ ２ を含む第１のガス供給物（２）のＣＯ ２ シフト反応を介して、前記第１のガス供給物（２）を、合成ガス流（２１）に変換するための、熱交換反応器（ＨＥＲ）（２０）であって、
少なくとも１つのプロセス側（２０Ａ）および少なくとも１つの加熱側（２０Ｂ）を含み、
ここで、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側入口（２８）およびプロセス側出口（２９）を備え、
前記プロセス側入口（２８）は、ＣＯ ２ およびＨ ２ を含む前記第１のガス供給物（２）を前記プロセス側（２０Ａ）に供給するように配置され、
前記プロセス側出口（２８）は、任意に冷却された流体（３１）と混合して、前記合成ガス流（２１）を前記プロセス側（２０Ａ）から出力するように配置され、
ここで、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）は、プロセス側入口（２８）に最も近くに配置された第１の反応ゾーン（Ｉ）を含み、
かつ、
ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側出口（２９）の最も近くに配置された第２の反応ゾーン（ＩＩ）を含み、
ここで、第１の反応ゾーン（Ｉ）は、前記第１ガス供給（２）の全体的な発熱反応を実施するように配置され、ここで、全体的な発熱反応は、左から右へ正味に進行する少なくとも以下の反応を含み：
ここで、第２の反応ゾーン（ＩＩ）は、前記第１の反応ゾーン（Ｉ）からのガスの全体的な吸熱反応を実施するように配置され、ここで、全体的な吸熱反応は、左から右へ正味に進行する少なくとも以下の反応を含む：
ここで、ＨＥＲの加熱側（２０Ｂ）は、加熱側入口（２６）および、－任意に－加熱側出口（２７）を備え、
前記加熱側入口（２６）は、前記加熱側（２０Ｂ）に加熱流体（１１）を供給するように配置され、
任意に、前記加熱側出口（２７）は、前記加熱側（２０Ｂ）から冷却された流体（３１）を出力するように配置され、
前記少なくとも１つのプロセス側（２０Ａ）および前記少なくとも１つの加熱側（２０Ｂ）は、加熱側（２０Ｂ）からプロセス側（２０Ｂ）の少なくとも一部への熱伝達が可能であるように配置される、前記熱交換反応器（ＨＥＲ）（２０）。
［項目１７］
ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側入口（２８）からプロセス側出口（２９）まで延びる全長を有し、第１の反応ゾーン（Ｉ）が、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）の全長の５０％未満、例えば３０％未満、好ましくは２０％未満、より好ましくは１０％未満の長さを有する、項目１６に記載のＨＥＲ（２０）または項目１～１５のいずれか１項に記載の方法。
［項目１８］
第１の触媒が、少なくともＨＥＲ（２０）の第１の反応ゾーン（Ｉ）に配置される、項目１６～１７のいずれか１項に記載のＨＥＲ（２０）または項目１～１５のいずれか１項に記載の方法。
［項目１９］
第１の反応ゾーン（Ｉ）のプロセス側（２０Ａ）の少なくとも一つの端部は、ＨＥＲ（２０）のプロセス側入口（２８）に最も近くにあり、プロセス側入口（２８）からプロセス側出口（２９）に向かう方向において、第１の反応ゾーン（Ｉ）のプロセス側（２０Ａ）の全長の２５％までの長さを有するが、ＨＥＲ（２０Ｂ）の加熱側と直接的に接触していないため、第１の反応ゾーン（Ｉ）のこの端部は、第１の反応ゾーン（Ｉ）における発熱反応によって引き起こされる断熱温度上昇によって主に加熱される、項目１６～１８のいずれか１項に記載のＨＥＲ（２０）または項目１～１５のいずれか１項に記載の方法。
［項目２０］
ＨＥＲがバヨネット型ＨＥＲである、項目１６～１９のいずれか１項に記載のＨＥＲ（２０）または項目１～１５のいずれか１項に記載の方法。
［項目２１］
ＨＥＲが少なくとも２つのプロセス側（２０Ａ）を有する、項目１６～２０のいずれか１項に記載のＨＥＲ（２０）または項目１～１５のいずれか１項に記載の方法。
［項目２２］
ＨＥＲが少なくとも２つの加熱側（２０Ｂ）を有する、項目１６～２１のいずれか１項に記載のＨＥＲ（２０）または項目１～１５のいずれか１項に記載の方法。
なお、本発明は以下の項目を含む。
［項目１］
熱交換反応器ＨＥＲ（２０）において、ＣＯ ２ およびＨ ２ を含む第１のガス供給物（２）のＣＯ ２ シフト反応を介して、前記第１のガス供給物（２）を、合成ガス流（２１）に変換するための方法であって、
前記ＨＥＲ（２０）は、
少なくとも１つのプロセス側（２０Ａ）および少なくとも１つの加熱側（２０Ｂ）を含み、
ここで、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側入口（２８）およびプロセス側出口（２９）を備え、
ここで、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）は、プロセス側入口（２８）に最も近くに配置された第１の反応ゾーン（Ｉ）を含み、
かつ、
ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側出口（２９）の最も近くに配置された第２の反応ゾーン（ＩＩ）を含み、
ここで、ＨＥＲの加熱側（２０Ｂ）は、加熱側入口（２６）と、任意で加熱側出口（２７）とを備え、
前記少なくとも１つのプロセス側（２０Ａ）および前記少なくとも１つの加熱側（２０Ｂ）は、加熱側（２０Ｂ）からプロセス側（２０Ｂ）の少なくとも一部への熱伝達が可能であるように配置され、
前記方法は：
－前記プロセス側入口（２８）を介して、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）に第１ガス供給物（２）を供給するステップ；
－前記加熱側入口（２６）を介してＨＥＲの加熱側（２０Ｂ）に加熱流体（１１）を供給し、前記加熱流体（１１）からＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）への熱伝達を可能にするステップ；
－第１の反応ゾーン（Ｉ）において、前記第１のガス供給物（２）の全体的な発熱反応を実施するステップ、ここで、全体的な発熱反応は、左から右への正味に進行する少なくとも以下の反応を含み：
【化10】
【化11】
－任意に、加熱側出口（２７）を介して、前記加熱側（２０Ｂ）から冷却された流体（３１）を排出するステップ、
を含む、前記方法。
［項目２］
第１の反応ゾーン（Ｉ）におけるガスの温度が３００～８００℃である、項目１に記載の方法。
［項目３］
第２の反応ゾーン（ＩＩ）におけるガスの温度が６００～１２００℃である、項目１～２のいずれか１項に記載の方法。
［項目４］
合成ガス流（２１）および冷却された流体（３１）が組み合わされて、第３の生成物流（３５）を提供する、項目１～３のいずれか１項に記載の方法。
［項目５］
加熱流体（１１）および第２の反応ゾーンを出る合成ガス流（２１）の少なくとも一部が、ＨＥＲ（２０）の内部で組み合わされて、加熱流体（１１）の少なくとも一部として再利用される、項目１～４のいずれか１項に記載の方法。
［項目６］
ＨＥＲ（２０）のそれぞれの出口において、合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）の温度が、金属ダスティングの臨界限界よりも高い温度になるように、プロセス条件が調整される、項目１～５のいずれか１項に記載の方法。
［項目７］
合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）の冷却された出口温度が、５００℃以上、６００℃以上、７００℃以上、または８００℃以上である、項目１～６のいずれか１項に記載の方法。
［項目８］
前記冷却された出口温度における合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）が、１００未満、または５０未満、または１０未満、または５未満、または１未満のＣＯ還元反応の実ガス炭素活性を有する、項目１～７のいずれか１項に記載の方法。
［項目９］
合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）のＨ ２ ／ＣＯ比が、０．５～３．０の範囲、例えば１．９～２．１の範囲、または２～３の範囲である、項目１～８のいずれか１項に記載の方法。
［項目１０］
合成ガス流（２１）および／または冷却された流体（３１）および／または第３の生成物流（３５）の（Ｈ ２ －ＣＯ ２ ）／（ＣＯ＋ＣＯ ２ ）比が、１．５～２．５の範囲、例えば１．９～２．１の範囲、または２～２．０５の範囲である、項目１～９のいずれか１項に記載の方法。
［項目１１］
Ｈ ２ とＣＯ ２ の間の比は、１～５の間、例えば２～４の間、２～３の間、または２．２～２．５の間、または２．８～３．５の間、または２．８～３．２の間であることができる、項目１～１０のいずれか１項に記載の方法。
［項目１２］
第１の供給物中のＣＨ ４ ／ＣＯ ２ のモル比が、好ましくは０．５未満、例えば０．２未満、好ましくは０．１未満である、項目１～１１のいずれか１項に記載の方法。
［項目１３］
第１のガス供給物（２）が、さらにメタンを含む、好適には最大３モル％、または最大８モル％、または最大１２モル％のメタンを含む、項目１～１２のいずれか１項に記載の方法。
［項目１４］
加熱流体（１１）が、電気式ＲＷＧＳ（ｅ－ＲＷＧＳ）反応器（１０Ａ）、燃焼式ＲＷＧＳ反応器（１０Ｂ）または自熱式ＲＷＧＳ反応器（１０Ｃ）、好ましくは電気式ＲＷＧＳ（ｅ－ＲＷＧＳ）反応器（１０Ａ）から供給される、項目１～１３のいずれか１項に記載の方法。
［項目１５］
加熱流体（１１）がＣＯ ２ およびＨ ２ を含む、項目１～１４のいずれか１項に記載の方法。
［項目１６］
ＣＯ ２ およびＨ ２ を含む第１のガス供給物（２）のＣＯ ２ シフト反応を介して、前記第１のガス供給物（２）を、合成ガス流（２１）に変換するための、熱交換反応器（ＨＥＲ）（２０）であって、
少なくとも１つのプロセス側（２０Ａ）および少なくとも１つの加熱側（２０Ｂ）を含み、
ここで、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側入口（２８）およびプロセス側出口（２９）を備え、
前記プロセス側入口（２８）は、ＣＯ ２ およびＨ ２ を含む前記第１のガス供給物（２）を前記プロセス側（２０Ａ）に供給するように配置され、
前記プロセス側出口（２８）は、任意に冷却された流体（３１）と混合して、前記合成ガス流（２１）を前記プロセス側（２０Ａ）から出力するように配置され、
ここで、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）は、プロセス側入口（２８）に最も近くに配置された第１の反応ゾーン（Ｉ）を含み、
かつ、
ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側出口（２９）の最も近くに配置された第２の反応ゾーン（ＩＩ）を含み、
ここで、第１の反応ゾーン（Ｉ）は、前記第１ガス供給（２）の全体的な発熱反応を実施するように配置され、ここで、全体的な発熱反応は、左から右へ正味に進行する少なくとも以下の反応を含み：
【化12】
【化13】
前記加熱側入口（２６）は、前記加熱側（２０Ｂ）に加熱流体（１１）を供給するように配置され、
任意に、前記加熱側出口（２７）は、前記加熱側（２０Ｂ）から冷却された流体（３１）を出力するように配置され、
前記少なくとも１つのプロセス側（２０Ａ）および前記少なくとも１つの加熱側（２０Ｂ）は、加熱側（２０Ｂ）からプロセス側（２０Ｂ）の少なくとも一部への熱伝達が可能であるように配置される、前記熱交換反応器（ＨＥＲ）（２０）。
［項目１７］
ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）が、プロセス側入口（２８）からプロセス側出口（２９）まで延びる全長を有し、第１の反応ゾーン（Ｉ）が、ＨＥＲ（２０）のプロセス側（２０Ａ）の全長の５０％未満、例えば３０％未満、好ましくは２０％未満、より好ましくは１０％未満の長さを有する、項目１６に記載のＨＥＲ（２０）または項目１～１５のいずれか１項に記載の方法。
［項目１８］
第１の触媒が、少なくともＨＥＲ（２０）の第１の反応ゾーン（Ｉ）に配置される、項目１６～１７のいずれか１項に記載のＨＥＲ（２０）または項目１～１５のいずれか１項に記載の方法。
［項目１９］
第１の反応ゾーン（Ｉ）のプロセス側（２０Ａ）の少なくとも一つの端部は、ＨＥＲ（２０）のプロセス側入口（２８）に最も近くにあり、プロセス側入口（２８）からプロセス側出口（２９）に向かう方向において、第１の反応ゾーン（Ｉ）のプロセス側（２０Ａ）の全長の２５％までの長さを有するが、ＨＥＲ（２０Ｂ）の加熱側と直接的に接触していないため、第１の反応ゾーン（Ｉ）のこの端部は、第１の反応ゾーン（Ｉ）における発熱反応によって引き起こされる断熱温度上昇によって主に加熱される、項目１６～１８のいずれか１項に記載のＨＥＲ（２０）または項目１～１５のいずれか１項に記載の方法。
［項目２０］
ＨＥＲがバヨネット型ＨＥＲである、項目１６～１９のいずれか１項に記載のＨＥＲ（２０）または項目１～１５のいずれか１項に記載の方法。
［項目２１］
ＨＥＲが少なくとも２つのプロセス側（２０Ａ）を有する、項目１６～２０のいずれか１項に記載のＨＥＲ（２０）または項目１～１５のいずれか１項に記載の方法。
［項目２２］
ＨＥＲが少なくとも２つの加熱側（２０Ｂ）を有する、項目１６～２１のいずれか１項に記載のＨＥＲ（２０）または項目１～１５のいずれか１項に記載の方法。
【国際調査報告】