メタノール 週間テーマ メタノール触媒の温度はいくつに設定するか？2015.08.24----08.31
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メタノールセクションの週次テーマについて、皆さんの積極的な参加をお願いします。貴重な意見や発言をどしどしお寄せください。この活動の目的は、皆さんの長所を生かし合い、問題に答える過程で知識を深め、幅広くすることです。既知のことをより確実に覚え、忘れたことは思い出し、意見が分かれる点についてはさらに議論を深め、共に成長していきましょう。皆さんの積極的な参加を心よりお待ちしています。 メタノール 週間テーマ メタノール触媒の温度はいくつに制御するか？2015.08.24----08.31 100万トン以上の大規模メタノール製造プラントでは触媒温度はほとんどが280℃以上に制御されているが、小規模メタノール（30万トン未満）プラントの触媒温度はほとんどが220～260℃の間に制御されている。このような違いは触媒の違いによるものか、工程上の違いによるものか、それともその他の理由によるものか？温度が上がると、副産物は増えるのでしょうか？
一般的なメタノールの合成反応塔には、主にルッチ式とICI式がある。 一般的には管型反応器で、反応管内には触媒が入っており、ここで合成ガスからメタノールが合成される。一方、管の外側は水浴状態、つまり気液が共存する状態であり、発生した蒸気を用いて反応で放出される熱を吸収する。通常は蒸気システムの圧力を制御することによって、合成反応の温度を制御する。指摘しておくべきは、工業上で制御される温度は合成塔の出口温度であり、一般的に蒸気システムの圧力と非常に良好な一対一の対応関係にあるということです。-----制御方法 簡単に計算するなら、合成塔の反応管外の温度は一定だと考えることができる。温度が分かれば、管内の圧力や反応物濃度と合わせて動力学的計算を行うことができる。同様に、合成塔の出口の温度と圧力が分かれば、平衡状態に基づいて熱力学的計算を行うことができる。――計算方法 動力学的な観点から見ると、蒸気圧を上げることで反応温度も上昇し、それによって反応速度が向上する。また、一回通過あたりの転換率も高くなる。しかし、熱力学的な観点から見ると、温度を上げることは反応が最終的に到達する平衡状態にとって不利である。つまり、温度が動力学と熱力学に与える影響は矛盾したものである。実際の製造では、一般的に新しい触媒は初期段階では温度を低く保ち、後期になってから温度を上げます。これは、早期に高温で運転すると触媒が劣化しやすく、触媒の使用可能期間が短くなるためです。温度も290度を超えてはならず、超えると触媒中の酸化アルミニウムがメタノールに脱水作用を及ぼします。----温度による動力学および熱力学の定性的分析。 しかし、もし設計や実験室でメタノール合成反応をシミュレートする場合、動力学的および熱力学的な計算において、合成塔内の実際の温度勾配分布を考慮しなければなりません。
合成反応器の層温度は200～280℃の間で制御され、200℃未満ではワックスが容易に生成され、フィルターの頻繁な交換を引き起こす可能性があります。また、一部のワックスが触媒上に永続的に残り、活性領域を塞ぐこともあります。280℃を超えると触媒の老化速度が加速する；また、触媒の断熱温度は315℃未満です。過度な触媒のピーク温度は合成ガスのメタン化を引き起こし、それによって熱が発生して合成塔内に許容できないほどの高温が生じる。
メタノール合成プロセスには高圧法、中圧法、低圧法などがあり、使用される原料ガスの組成も大きく異なるため、各具体的な状況における最適温度も異なります。銅系触媒の場合、高圧かつ高反応物濃度の条件下では、一般的に最適温度は耐熱温度を超えることが多いが、低圧かつ低反応物濃度の条件下で最適温度で運転することにこそ実用的な意味がある。亜鉛クロム触媒の場合も銅系触媒と類似しているが、その耐熱温度は銅系触媒よりも高く、約400℃であり、反応速度は銅系触媒よりも低い。したがって、より広い範囲で最適な温度で運転することにより、生産を強化することができる。最適な温度値は、使用する触媒の粒子サイズにも関係している。生産の指導にあたっては、触媒の使用前後や、組成および圧力の変化も考慮に入れる必要がある。 メタノール合成反応：2H2+CO=CH3OH、その△rGm= –114.17+0.244 kJ/molであるため、熱力学的に見て温度を上昇させることはメタノール合成にとって不利である。しかし、温度を上げると反応速度が速くなるため、動力学的には温度上昇が有利である。したがって、メタノール合成には適切な反応温度が必要である。実験操作において、触媒の活性はまず反応温度の上昇に伴って上昇し、その後再び反応温度の上昇に伴って低下することが確認された。 温度が高すぎると、触媒が熱によって焼結し、活性が低下したり、完全に失われたりします。しかし、反応温度が280℃以下の場合、銅系メタノール触媒の熱焼結要因はほとんど無視できる。なぜなら、触媒の耐熱性試験前の活性および耐熱後の活性のいずれを測定する際も、120℃～280℃の温度範囲内で繰り返し温度を上げ下げすることにより多数回の試験を行った結果、活性値の再現性は非常に高かったからです。 つまり、210℃～280℃の反応温度範囲における2種類の触媒の活性（耐熱試験前でも耐熱試験後でも）の変化傾向は、主として反応の熱力学的効果と動力学的効果という2つの要因が組み合わさった結果であるということだ。 熱不活性化とは、使用過程において触媒内の酸化銅結晶粒子が成長することによって引き起こされ、それは触媒の構造的安定性に関連している。触媒の活性安定性は、加速老化試験によって検証することができる。金属触媒においては、熱焼結による不活性化がよく見られます。現在使用されている銅系触媒は、ほとんどがCr2O3、MgO、Al2O3などの1種または複数の酸化物を助剤として含んでおり、これらの助剤の添加によって触媒の熱的焼結が効果的に抑制される。 触媒の使用寿命を延ばし、メタノールの生産効率を向上させるためには、運転温度を厳格に制御し、安定した運転を維持して反応温度の急激な上昇や下降を防ぐ必要があります。また、負荷の増減も段階的かつ徐々に行うべきです。メタノール触媒の熱伝達効果は悪く、還元反応の速度を制御し、反応で発生する熱を適時に除去できなければ、触媒が過熱したり焼損したりしやすく、最悪の場合は炉内の触媒が全て焼失するという深刻な結果につながる。
この原因は使用時間によるものでしょう。触媒の初期段階では操作温度が低く、220度前後ですが、時間が経つにつれて触媒の活性が低下し、温度は徐々に上昇していきます。5℃刻みで最終的に280度まで上げられます。これは主に経済性の観点から考慮されたもので、メタノール触媒を最も効率的に利用するためです