特表 2025-506935 メタンの非酸化的変換のための多管式反応器システム及びプロセス

(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】2025-03-13

(54)【発明の名称】メタンの非酸化的変換のための多管式反応器システム及びプロセス

(51)【国際特許分類】

   C10G 50/00 20060101AFI20250306BHJP

   C01B 3/26 20060101ALI20250306BHJP

   C07C 2/76 20060101ALI20250306BHJP

   C07C 15/04 20060101ALI20250306BHJP

   B01J 8/06 20060101ALI20250306BHJP

【ＦＩ】

C10G50/00

C01B3/26

C07C2/76

C07C15/04

B01J8/06

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024552008

(86)(22)【出願日】2023-03-01

(85)【翻訳文提出日】2024-09-30

(86)【国際出願番号】 US2023014280

(87)【国際公開番号】W WO2023167929

(87)【国際公開日】2023-09-07

(31)【優先権主張番号】17/683,990

(32)【優先日】2022-03-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】503148834

【氏名又は名称】シェブロン ユー．エス．エー． インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】リー、リン

(72)【発明者】

【氏名】ルオ、フーピン

(72)【発明者】

【氏名】オウヤン、シャオイン

(72)【発明者】

【氏名】クパーマン、アレクサンダー

【テーマコード（参考）】

4G070

4G140

4H006

4H129

【Ｆターム（参考）】

4G070AA01

4G070AB05

4G070BA02

4G070BB02

4G070CA25

4G070CB02

4G070CB17

4G070CB18

4G070CC01

4G070CC11

4G070DA21

4G140DA03

4H006AA02

4H006AA04

4H006AC28

4H006BA85

4H006BD81

4H129AA02

4H129CA02

4H129DA13

4H129KC02X

4H129KC04X

4H129KC05X

4H129KC07X

4H129KC08X

4H129KC40X

4H129NA14

4H129NA15

4H129NA37

(57)【要約】

本開示は、天然ガスなどのＣ_１－Ｃ_３アルカンを、液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素に効率的に変換するためのシステム及び方法に関する。一般に、このプロセスは、容器内の複数の管を通してＣ_１－Ｃ_３アルカンを流すことを含み、管には、Ｃ_１－Ｃ_３アルカンを、液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素に変換するための触媒が収容されている。Ｃ_１－Ｃ_３アルカンは、適切な条件下で加熱され、液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素を生成する。有利なことに、Ｃ_１－Ｃ_３アルカンは、管を通して燃焼からの熱を伝達するように構成された燃料燃焼ノズル内で、管の外側の燃料を燃焼させることによって加熱される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｃ_１－Ｃ_３アルカンを、液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素に変換するプロセスであって、当該プロセスは、
容器内の複数の管を通してＣ_１－Ｃ_３アルカンを流す工程であって、管には、Ｃ_１－Ｃ_３アルカンを、液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素に変換するための触媒が収容されている、工程と、
Ｃ_１－Ｃ_３アルカンを、適切な条件下で加熱し、液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素を生成する工程であって、Ｃ_１－Ｃ_３アルカンは、管を通して燃焼からの熱を伝達するように構成された燃料燃焼ノズル内で、管の外側の燃料を燃焼させることによって加熱される、工程と、
を含む、プロセス。

【請求項2】

Ｃ_１－Ｃ_３アルカンが、天然ガスを含む、請求項１に記載のプロセス。

【請求項3】

液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物が、エチレン、ベンゼン、ナフタレン、又はそれらの混合物を含む、請求項１に記載のプロセス。

【請求項4】

複数の管内での半径方向への熱の伝達を容易にするために、複数の管内に１つ又は複数の金属インサートを使用することをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。

【請求項5】

燃料が、炭化水素、水素、又はそれらの混合物を含む、請求項１に記載のプロセス。

【請求項6】

燃料の少なくとも一部が、プロセスで生成された水素を含む、請求項５に記載のプロセス。

【請求項7】

Ｃ_１－Ｃ_３アルカンを加熱するのに使用される熱の少なくとも一部が、触媒再生中に発生する排気ガスからの熱を含む、請求項１に記載のプロセス。

【請求項8】

複数の管内の圧力降下が、約４５ｐｓｉｇ未満である、請求項１に記載のプロセス。

【請求項9】

容器内の複数の管の大部分の直径が、約２～約６インチである、請求項１に記載のプロセス。

【請求項10】

触媒が、直径約０．５～約１．０インチの触媒ペレットを含む、請求項１に記載のプロセス。

【請求項11】

触媒が、実質的に円筒形のペレットを含み、ペレットの少なくとも一部が、ペレットの長さ方向に貫通する１つ以上の穴を含み、端部がドーム形状であり、ペレット表面に複数の溝を含み、アスペクト比が少なくとも０．５から約２までである、請求項１に記載のプロセス。

【請求項12】

触媒が、ウォッシュコートされたハニカムモノリス触媒を含み、モノリスが、セラミック、シリカ、石英、ガラス、金属、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、金属酸化物、又はそれらの任意の組合せを含む、請求項１に記載のプロセス。

【請求項13】

金属酸化物が、チタニア、酸化鉄、ジルコニア、混合金属酸化物、又はそれらの任意の組合せを含む、請求項１２に記載のプロセス。

【請求項14】

触媒が、金属モノリスを含む、請求項１に記載のプロセス。

【請求項15】

触媒有効係数が、約０．０５～約０．５である、請求項１に記載のプロセス。

【請求項16】

天然ガスを、エチレン、ベンゼン、ナフタレン、又はそれらの混合物を含む液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素に変換するプロセスであって、当該プロセスは、
容器内の複数の管を通して天然ガスを流す工程であって、管には、天然ガスを、エチレン、ベンゼン、ナフタレン、又はそれらの混合物を含む液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素に変換するための触媒が収容されている、工程と、
天然ガスを、約７００～約１０００℃の温度及び約１～約３気圧の圧力で加熱して、エチレン、ベンゼン、ナフタレン、又はそれらの混合物を含む液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素を生成する工程であって、天然ガスは、管を通して燃焼からの熱を伝達するように構成された燃料燃焼ノズル内で、管の外側の燃料を燃焼させることによって加熱される、工程と、
を含む、プロセス。

【請求項17】

アルカンを、液体炭化水素及び水素に変換するための反応器であって、当該反応器は、
容器と、
容器内の複数の管であって、管が触媒を収容するように構成されている、複数の管と、を備え、
容器は、複数の管の外側で燃料を燃焼するように構成されており、容器は、さらに、燃焼している燃料から複数の管内に収容されている触媒に熱を伝達するように構成されている、
反応器。

【請求項18】

容器内の複数の管の１つ又は複数の直径が、約１～約７インチである、請求項１７に記載の反応器。

【請求項19】

容器内の複数の管の大部分の直径が、約１～約７インチである、請求項１７に記載の反応器。

【請求項20】

容器内の複数の管の１つ又は複数の直径が、約２～約６インチである、請求項１７に記載の反応器。

【請求項21】

容器内の複数の管の大部分の直径が、約２～約６インチである、請求項１７に記載の反応器。

【請求項22】

複数の管が、セラミック、金属、又はそれらの混合物を含む、請求項１７に記載の反応器。

【請求項23】

複数の管が、合金８００、合金８００／ＨＴ、合金３０９、又はそれらの混合物を含む、請求項１７に記載の反応器。

【請求項24】

反応器が、複数の管の外側で燃料を燃焼させるために、管に沿って燃料燃焼ノズルを備える、請求項１７に記載の反応器。

【請求項25】

複数の管の大部分が、管内での半径方向への熱の伝達を容易にするために、金属インサートを備え、金属インサートが、スクリーン、プレート、又はそれらの組合せを備える、請求項１７に記載の反応器。

【請求項26】

触媒を収容するように構成された複数の管が、直径約０．５～約１．０インチの触媒ペレットを収容するように構成されている、請求項１７に記載の反応器。

【請求項27】

触媒を収容するように構成された複数の管が、ウォッシュコートされたハニカムモノリス触媒を収容するように構成されている、請求項１７に記載の反応器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、Ｃ_１－Ｃ_３アルカンを、液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素に変換するためのシステム及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

水素は、将来のクリーンエネルギーにとって、より重要な選択肢の１つである。加えて、オレフィンや芳香族などの高分子量の炭化水素は、付加価値化学物質として望まれることが多い。過去には、そのような付加価値化学物質の製造にメタンが使用されていたが、そのプロセスは通常、コスト効率が高くない。必要なのは、コスト効率の高い手法で、水素と付加価値化学物質を生成する解決策である。そのような解決策がエネルギーを大量に消費しないものであれば、さらに有利であろう。

【発明の概要】

【0003】

有利なことに、本出願は、コスト効率の高い手法で、エネルギーを大量に消費せずに、水素及び付加価値化学物質を有利に生成する新しいシステム及び方法に関する。

【0004】

一実施形態では、本出願は、Ｃ_１－Ｃ_３アルカンを、液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素に変換するためのプロセスに関する。このプロセスは、容器内の複数の管を通してＣ_１－Ｃ_３アルカンを流すことを含み、管には、Ｃ_１－Ｃ_３アルカンを、液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素に変換するための触媒が収容されている。Ｃ_１－Ｃ_３アルカンは、適切な条件下で加熱され、液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素を生成する。Ｃ_１－Ｃ_３アルカンは、管を通して燃焼からの熱を伝達するように構成された燃料燃焼ノズル内で、管の外側の燃料を燃焼させることによって加熱される。

【0005】

別の実施形態では、本出願は、天然ガスを、エチレン、ベンゼン、ナフタレン、又はそれらの混合物を含む液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素に変換するプロセスに関する。このプロセスは、容器内の複数の管を通して天然ガスを流すことを含み、管には、天然ガスをエチレン、ベンゼン、ナフタレン、又はそれらの混合物を含む液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素に変換するための触媒が収容されている。天然ガスは、約５００℃から、又は約７００℃から、約１０００℃まで、又は約１２００℃までの温度、及び約１気圧から、約３気圧まで、又は約５気圧まで、又は約１０気圧まで、又は約２０気圧までの圧力で加熱され、エチレン、ベンゼン、ナフタレン、又はそれらの混合物を含む液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素が生成される。天然ガスは、管を通して燃焼からの熱を伝達するように構成された燃料燃焼ノズル内で、管の外側の燃料を燃焼させることによって加熱される。加えて、又は代わりに、燃焼燃料とともに、又はその代わりに、電気又はその他の加熱を使用してもよい。

【0006】

別の実施形態では、本出願は、アルカンを液体炭化水素及び水素に変換するための反応器に関する。反応器は、容器と、容器内の複数の管とを備え、管は触媒を収容するように構成されている。容器は、複数の管の外側で燃料を燃焼するように構成されている。容器は、さらに、燃焼している燃料から複数の管内に収容されている触媒に熱を伝達するように構成されている。

【0007】

本開示の例示的な実施形態のこれら及び他の目的、特徴、及び利点は、添付の特許請求の範囲と併せて、本開示の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を読むことで明らかになるであろう。

【0008】

本開示の様々な実施形態、並びにさらなる目的及び利点は、添付の図面と併せて、以下の説明を参照することによって最もよく理解され得る。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】メタンからベンゼンへの反応における反応温度、圧力、及び平衡変換率を示す。

【0010】

【図2】上部燃焼ヒーターを備えた代表的な多管式反応器を示す。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下の実施形態の説明は、本発明の異なる側面の特徴及び教示を具体的に説明するために数字を参照する非限定的な代表例を提供する。記載された実施形態は、実施形態の説明から、別々に、又は他の実施形態と組み合わせて実施可能であると認識されるべきである。実施形態の説明を検討する当業者は、本発明の記載された異なる態様を学習し理解することができるはずである。実施形態の説明は、その他の実施態様（具体的にはカバーされていないが、実施形態の説明を読んだ当業者の知識の範囲内にある実施態様）が、本発明の適用と一致すると理解される程度に、本発明の理解を容易にするはずである。

【0012】

＜一般的なプロセス＞
本出願は、Ｃ_１－Ｃ_３アルカンを、液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素に変換するためのプロセスに関する。このプロセスは、一般に、まず、容器内の複数の管（ｐｌｕｒａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｕｂｅｓ ｗｉｔｈｉｎ ａ ｖｅｓｓｅｌ）を通してＣ_１－Ｃ_３アルカンを流すことを含む。管には、典型的に、Ｃ_１－Ｃ_３アルカンを、液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素に変換するための触媒が収容されている。Ｃ_１－Ｃ_３アルカンは特に限定されず、例えば、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、又はそれらの混合物を含んでもよい。本明細書で使用される場合、天然ガスは、メタン及び潜在的に高級アルカン、二酸化炭素、窒素若しくはその他のガス、及び／又は硫化水素などの硫化化合物、並びにそれらの混合物を含む。生成される生成物は、典型的には、液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素を含む。液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物は特に限定されず、飽和、不飽和、芳香族、又はそのような化合物の混合物であってもよい。いくつかの実施形態では、液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物は、所望の生成物及び使用される反応に応じて、エチレン、ベンゼン、ナフタレン、及び様々な混合物を含んでもよい。

【0013】

Ｃ_１－Ｃ_３アルカンは通常、触媒の存在下、適切な条件下で加熱され、液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素を生成する。適切な条件は、反応物、所望の生成物、触媒、及び使用する機器に応じて変化し得る。典型的には、エチレン、ベンゼン、ナフタレン、又はそれらの混合物を含み得る液体Ｃ_２－Ｃ_１０生成物及び水素を生成するために、約５００℃から、又は約７００℃から、約１０００℃まで又は約１２００℃までの温度、及び約１気圧から約３気圧まで、又は約５気圧まで、又は約１０気圧まで、又は約２０気圧までの圧力を使用してもよい。いくつかの実施形態では、Ｃ_１－Ｃ_３アルカンは、管を通して燃焼からの熱を伝達するように構成された燃料燃焼ノズル内で、管の外側の燃料を燃焼させることによって加熱される。後述するように、生成された水素は、管の外側の燃料燃焼ノズル内で燃料として使用してもよい。

【0014】

＜触媒＞
触媒の組成、形態、サイズ、形状、及び特性は、反応物、反応器の種類、管のサイズと形状、反応条件、及び／又は所望の生成物などのパラメータに応じて変化し得る。いくつかの実施形態では、触媒は、実質的に円筒形のペレットを含む。触媒ペレットは、ペレットの長さ方向に貫通する１つ以上の穴を含んでもよく、端部がドーム形状であってもよく、及び／又は、ペレット表面に複数の溝を含んでもよい。適切な触媒ペレットは、例えば、２０２１年４月２２日に公開され、本明細書に参照により組み込まれている、Ｓａｍｐａｔｈの米国公開ＵＳ２０２１／０１１５３４１に記載されている。

【0015】

いくつかの実施形態では、触媒ペレットのアスペクト比（直径又は断面の長さに対する高さの比）は、少なくとも０．３、又は少なくとも０．５から約３、又は約２までであってもよい。いくつかの実施形態では、触媒は、直径が約０．５インチから約１．０インチまで、又は約２．０インチまでの触媒ペレットを含んでもよい。いくつかの実施形態では、触媒ペレットは、実質的に円筒形であり、ペレットの少なくとも一部は、ペレットの長さ方向に貫通する１つ以上の穴を含む。触媒ペレットを貫通する穴は、外部表面積を増加させ、それゆえ、一般に、触媒ペレットの特性長さを減少させ、適切な物質移動速度を確保する。ペレットの体積を外部表面積で割った値として定義される特性長さは、０．３ｃｍ未満、又は０．２ｃｍ未満、又は０．１５ｃｍ未満であることが望ましい場合がある。適切な空隙率及び空隙構造により、軽質炭化水素の有効拡散率５×１０^－３～２×１０^－２ｃｍ^２／ｓの範囲となり、触媒有効係数（ｃａｔａｌｙｓｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｆａｃｔｏｒ）は０．０５から、又は０．１から０．５まで、又は０．４までの範囲となり得る。

【0016】

触媒は、いくつかの実施形態では、ウォッシュコートされたハニカムモノリス触媒（ｗａｓｈｃｏａｔｅｄ ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ ｍｏｎｏｌｉｔｈ ｃａｔａｌｙｓｔ）又は金属モノリスを含んでもよい。モノリスは、セラミック、シリカ、石英、ガラス、金属、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、金属酸化物、又はそれらの任意の組合せを含んでもよい。適切な金属酸化物は、チタニア、酸化鉄、ジルコニア、混合金属酸化物、又はそれらの任意の組合せを含んでもよい。

【0017】

＜反応器管（Ｒｅａｃｔｏｒ Ｔｕｂｅｓ）＞
触媒の同様に、反応器内の管は、反応物、反応器の種類、反応条件、及び／又は所望の生成物などのパラメータに応じて、形状、サイズ、材質、及び／又は特性が変化し得る。複数の管は、セラミック、金属、又はそれらの混合物を含んでもよい。適切な金属は、例えば、合金８００、合金８００／ＨＴ、合金３０９、高温サービスに適したその他の冶金、又はそれらの混合物を含んでもよい。

【0018】

いくつかの実施形態では、管は、圧力降下を最小限に抑えるか、又は軽減するように構成される。例えば、管は、複数の管内の圧力降下が約４５ｐｓｉｇ未満となるように構成されてもよい。

【0019】

所望であれば、複数の菅は、複数の管内での半径方向への熱の伝達を容易にするために、複数の管内に１つ又は複数の金属インサートを備えてもよい。金属インサートは、スクリーン、プレート、又はそれらの組合せを備えてもよい。

【0020】

このようにして、半径方向の有効熱伝導率は、約５～約２００Ｗ／ｍＫであってもよく、温度降下は、５０～２００℃未満であってもよい。複数の管は、管あたりの加熱負荷が約２ｋＷ／ｍ^２・管から約７０ｋＷ／ｍ^２・管になるように構成することもできる。管のサイズは、所望の熱伝達及びシステムのその他の特性に応じて変化し得る。いくつかの実施形態では、容器内の複数の管の大部分の直径は、約１インチから、又は約２インチから約６インチまで、又は約７インチまでである。いくつかの実施形態では、容器内の複数の管の１つ又は複数の直径は、約１インチから、又は約２インチから約６インチまで、又は約７インチまでである。

【0021】

一般に、反応器は、複数の管の外側で燃料を燃焼させるために、複数の管の外側で、かつ複数の管の長さに沿って、燃料燃焼ノズルを備える。燃料は、管を適切に加熱できるものであれば、特に重要ではない。いくつかの実施形態では、燃料は、炭化水素、水素、又はそれらの混合物を含む。いくつかの実施形態では、燃料は、プロセスで生成された水素を含んでもよい。いくつかの実施形態では、管内のＣ_１－Ｃ_３アルカンを加熱するのに使用される熱の少なくとも一部は、触媒再生中に発生する排気ガスからの熱を含む。

【0022】

図１は、上記実施形態によるメタンからベンゼンへの反応における反応温度、圧力、及び平衡変換率を示す。

【0023】

図２は、上部燃焼ヒーターを備えた代表的な多管式反応器を示す。この実施形態では、供給物は管の上部から入り、管内の触媒の上を通過する。触媒と供給物を含む管は、管の隣又は近くで燃焼する燃料を用いて加熱される。触媒反応の生成物は、反応器の底部から排出される。

【0024】

前述の明細書では、添付の図面を参照して、様々な実施形態について説明してきた。ただし、特許請求の範囲に記載されている本発明のより広い範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変更が行われてもよく、追加の実施形態が実施されてよいことは明らかであろう。したがって、明細書及び図面は、限定的な意味ではなく、例示的なものとしてみなされる。

【図1】

【図2】

【国際調査報告】