軽質ガスから液体生成物を製造するシステム及び方法
液体材料中に軽質ガスの分散体を形成することによって、二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、及びメタノールの一つ又は複数を含む軽質ガスから、Ｃ２＋の炭化水素、含酸素物及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物を製造する方法であって、分散体は高せん断力によって少なくとも一部が形成されており、液体材料及び軽質ガスの少なくとも一つが水素源である。当該方法を実施するシステムも開示されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府によって資金援助を受けた研究又は開発に関する記述
適用なし
【０００２】
本発明は、二酸化炭素及び／又はメタンなどの軽質ガスを炭化水素及び／又は液体含酸素物（oxygenate）へと変換することに関連する。より詳細には、本発明は反応物を高せん断接触させることによって二酸化炭素及び／又はメタンなどの軽質ガスから液体の含酸素物及び／又は炭化水素を生成する装置及び方法に関連する。
【背景技術】
【０００３】
地球温暖化に対する二酸化炭素排出の増加の影響は、環境に対するその影響のために科学者及び政府の大きな懸案事項である。電力源及び熱源としての化石燃料の使用の増加が二酸化炭素排出が増加した主な原因である。化石燃料の燃焼は発熱反応であり、放出されるエネルギーは一般に加熱及び／又は力学的エネルギーなどの他の形態のエネルギーへの変換に用いられる。また、炭化水素の酸化はエチレンの酸化、フィッシャー・トロプシュ反応、及び他の反応などの化学反応において一般的に行われている。炭化水素の燃焼が原因で生じる排出物は、炭化水素の性質によって決まるが、主に二酸化炭素及び水である。大量の二酸化炭素を大気中に放出することは、環境に対する悪影響の原因となると考えられ、これらの悪影響を減少させるために二酸化炭素の排出を低減させようとする取り組みが進められている。
【０００４】
二酸化炭素排出の有害な環境影響に対する実行可能な解決策は、二酸化炭素排出の純減に帰結する。二酸化炭素を隔離する技術は大量のエネルギーを消費し、多くの場合においてエネルギーは化石燃料に由来するため、二酸化炭素の純減はほとんど無い若しくは全く無く、又は更に悪いことには二酸化炭素の産生が増加する。
【０００５】
燃料又は化学原料などの価値のある生成物を産生するために二酸化炭素を再利用することを可能にする方法は、地球温暖化に対する二酸化炭素の噂される影響を低下させる点において非常に有益であろう。製油又は石油化学処理用の原料として輸送及び／又は使用できる液体燃料へと二酸化炭素を変換するための方法を開発することは、更に有益であろう。
【０００６】
メタンは、重要な燃料源であるとともに、産業で用いられる有機反応における重要な構成要素である。天然ガスのメタン成分は約４０体積％から約９５体積％の範囲内で変化する。天然ガスの他の成分には、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン（及び重質炭化水素）、硫化水素、二酸化炭素、ヘリウム及び窒素が含まれる。液状の天然ガスは、０．４１５の密度及び−１６２℃の沸点を有する。したがって、容積に対して小さな表面積の比率を有する非常に大きなタンクを用いた海上輸送を除いて、液体として輸送することには容易に適合できない。多くの場合、天然ガスの大規模な使用は高性能で広範囲に及ぶパイプラインシステムが必要となる。周知の天然ガスの貯蔵槽の大半は、アクセスするのが困難な離れた場所に関連している。多くのこれらの離れた場所にとって、ガスを潜在的な使用者へと運ぶためのパイプラインの敷設は経済的に不可能である。気体を液体に変換することによって離れた場所からメタンを安価に輸送することは、産業界において長い間求められてきた。
【０００７】
メタノールの触媒合成が後に続く第一段階として、合成ガスを産生するために水蒸気改質によってメタンをメタノールへと間接的に変換することは周知の方法である。この二段階の間接合成の技術的な複雑性及び高い費用に加えて、メタノール生成物は限られた市場を有し、そのためにこの方法は離れた場所から天然ガスを利用する実用的な方法を提供できないと思われている。
【０００８】
メタノールをガソリンに接触変換する有効な手段を提供する方法が、米国特許第3,894,107号（バター（Butter）他）に記載されている。ガソリンの市場はメタノールの市場に対して大きく、この方法は現在ニュージーランドで用いられているものの、この方法は複雑であり、その実行可能性はガソリンの代替源を供給する費用が高い状況に限定されると思われる。
【０００９】
気相中で（メタノール又はエタノールなどの）液体化合物へのメタンの部分酸化を行う試みは、関連するフリーラジカルの過程を制御することが困難であるために限定的な成功に留まっている。メタノールはメタンよりも反応性が高いため、二次燃焼によるＣＯ及びＣＯ２の不要な形成が避けられない。大半は金属酸化物である様々な触媒がメタンのメタノールへの部分酸化に関して報告されているが、反応は高温を必要とし、メタンを基にするメタノールの報告された収率はほぼ１０％未満であった。
【００１０】
メタンのメタノールへの変換に関する間接的な手法は、ビエルム（Bjerrum）の米国特許第6,380,444号、ペリアナ（Periana）の米国特許第5,233,133号、及びチャン（Chang）の米国特許第4,543,434号によって報告されている。これらの手法に用いられている一般的な反応システムは、メチルラジカル及び少量の酸を産生するために、メタンから水素原子を解離させる少量のラジカル開始剤（酸）を利用する。いくつかの特許は、（プラチナ又はパラジウムなどの）第ＶＩＩＩ族貴金属触媒及び硫酸などの無機強酸を用いて一段階でメタンを重硫酸メチルに変換可能であることを開示している。他の特許（例えば欧州特許第1,558,353号）はメタノールへのメタンの変換において触媒を利用しない方法を開示している。また、酸を含むクロリン及び他のハロゲンもメタンをメタノール及び他の液体に変換するために同様に利用可能である。これらの方法は、上昇した温度における腐食の問題に直面し、比較的低い収率のメタノールを産生し、不要な副産物を生じる傾向にある。
【００１１】
リチャード（Richards）に与えられた米国特許出願第7,282,603号は、メタンスルホン酸、メタノール及び他の化合物へのメタンの無水処理を開示しており、メタンをメタノールへと変換する過去の手法のいくつかの概説を提供している。リチャードの手法は水の使用又は産生を回避しており、メチルラジカルを生成するためにハロゲンガス又はマーシャル酸（Marshall’s acid）などのラジカル開始剤を利用する。
【００１２】
メタンから液体を産生する既存の方法及び製造施設は、質量流量及び生産収率の限界並びにプラントサイズ及びエネルギー消費の要件などの様々な制約を一般に課せられている。
【００１３】
したがって、当該技術の点から見ると、二酸化炭素及び／又は低分子量のアルカン、特にメタンを価値の高い生成物へと変換することによって環境への二酸化炭素の排出が低減可能な効率的で経済的な方法及びシステム、及び／又は二酸化炭素及び／又はメタンを含む軽質ガスストリームを液体生成物へと変換可能なシステム及び方法が求められている。温室効果ガスの問題は、高せん断反応装置の使用によって二酸化炭素を炭化水素及び／又は含酸素物へと変換する本明細書において開示されているシステム及び方法によって解決される。そのようなシステム及び方法は、稼働温度、圧力及び／又は反応時間の経済的に実施可能な条件を許容する一方で、液体含酸素物の選択性及び収率並びにメタン及び／又は二酸化炭素の変換の増加を実現する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第3,894,107号明細書
【特許文献２】米国特許第4,543,434号明細書
【特許文献３】米国特許第5,233,133号明細書
【特許文献４】米国特許第6,380,444号明細書
【特許文献５】米国特許第7,282,603号明細書
【特許文献６】欧州特許第1,558,353号明細書
【発明の概要】
【００１５】
炭化水素及び／又は有機含酸素物への軽質ガスの変換を改善する高せん断システム及び方法が開示されている。システム及び方法は、従来の燃焼機関を稼働するのに適した炭化水素若しくは炭化水素混合物、又は更なる産業処理若しくは他の商業的使用に適した炭化水素を生成するために使用可能である。また、メタノール又はジメチルエーテルなどの中間産物も本明細書に開示される方法によって産生可能である。ある実施形態における全工程は、２より大きな炭素数である炭化水素、好ましくはＣ５−Ｃ１０の炭化水素及び／又はメタノールなどの含酸素物への二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン及びそれらの組み合わせから選択される気体の変換を含む。別の実施例において、液体炭化水素、主に有機性の含酸素物及び他の液体への（利用可能な天然ガスの主成分である）メタンの直接変換のために、方法は高せん断技術の使用を含む。有機含酸素生成物は主にアルコールを含む。ある実施形態において、有機含酸素生成物はメタノールを含む。ある実施形態において、メタノール及び二酸化炭素はエタノールを含む有機含酸素生成物へと変換される。
【００１６】
本開示は、反応物の完全な接触をもたらし且つ複相の反応物間における化学反応を促進することによって反応原料をフリーラジカルへと解裂させるために、少なくとも一つの高せん断反応装置を用いて二酸化炭素及び／又は少なくとも一つのＣ１−Ｃ５のアルカンを含む軽質ガスから炭化水素及び／又は含酸素物を産生するためのシステム及び方法を提供する。得られる水素及び／又は酸素のラジカルは、二酸化炭素及び／又はアルカンと反応することによって、炭化水素及び／又は含酸素物を含む生成物を産出することができる。高せん断装置は、従来の反応装置及び稼働条件を用いた場合（すなわち、全体的な条件に基づくΔＧが正である場合）に好ましくないであろう反応を好ましくする。
【００１７】
ある実施形態において、方法は水及び二酸化炭素ガスを高せん断反応装置へと供給することを含む。高せん断反応システム内において、水及び二酸化炭素は構成要素へと解離する。次に、構成要素は大きな炭素数（すなわちＣ２＋、好ましくはＣ５−Ｃ１０）の炭化水素及び／又は含酸素物を含む生成物を形成するために再結合する。方法は少なくとも一つの外部高せん断装置の使用を含むことによって、大容量の反応装置を必要とせずに含酸素物及び／又は炭化水素の生成をもたらす。ある実施形態において、水の添加は容器１０内に存在する有機物の水蒸気蒸留（steam stripping）を補助する役割を担う。
【００１８】
本開示の別の側面は、二酸化炭素及び／又はメタン並びに単純な炭化水素などの水素源又は他の炭化水素源から炭化水素及び／又は含酸素物を生成する方法である。また、水は任意に又は追加的に遊離水素ラジカル及びヒドロキシルラジカルの供給源として存在しても良い。方法のある実施形態において、水素源は水、低分子量アルカン、及びそれらの組み合わせから選択される。反応は、脱水素化触媒として作用することが知られている触媒化合物によって触媒される。ある実施形態において、水素源は例えば水素ガス又は単純な気体アルカンからＨＳＤ４０内で解離した水素であり、ライン２１の液体はポリエチレングリコールなどの担体である。
【００１９】
ある実施形態によると、Ｃ２＋の炭化水素、含酸素物及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物を二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン及びメタノールの一つ又は複数である軽質ガスから産生するための方法が示されており、方法は液体原料中に軽質ガスの分散体を形成することを含み、分散体は少なくとも一部が高せん断力を用いて形成されており、液体原料及び軽質ガスの少なくとも一つは水素源である。分散体の形成は、約０．１から約１．５μｍの範囲の平均直径を有する軽質ガスの気泡を生じることを含む。ある実施形態においては、気泡は約０．４μｍ未満の平均直径を有する。
【００２０】
ある実施形態において、高せん断力は少なくとも一つの高せん断装置により生じる。少なくとも一つの高せん断装置は、固定子及び相補的なロータを有する少なくとも一つの生成機を有する。ロータ及び固定子は、約０．０２ｍｍから約３ｍｍの範囲の最小の隙間によって分離されている。ある実施形態において、分散体の形成は５．０ｍ／ｓ（１０００フィート／分）を超えるロータの先端速度を有する。ある実施形態において、分散体の形成は２０ｍ／ｓ（４０００フィート／分）を超えるロータの先端速度を有する。ある実施形態において、少なくとも一つの高せん断装置は少なくとも二つの生成機を備える。分散体の生成は、軽質ガス及び液体原料の混合物に約２０，０００ｓ−１を超えるせん断速度を課すことを含む。高せん断装置は、分散体の形成中にロータの先端において少なくとも約１０３４．２ＭＰａ（１５０，０００ｐｓｉ）の局所圧を生じる。高せん断装置のエネルギー消費は、分散体の形成中に１０００Ｗ／ｍ３を超える。
【００２１】
Ｃ２＋の炭化水素、含酸素物及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物を軽質ガスから生成する方法の実施形態において、分散体は更に触媒を含む。触媒はルテニウムを含んでもよい。触媒は三塩化ルテニウム七水和物を含んでもよい。方法は、触媒層を有する固定層反応装置へと分散体を導入することを含む。触媒の固定層はルテニウムカルボニルを含んでもよい。
【００２２】
本明細書に同様に開示されているものは、液体の含酸素物、Ｃ２＋の炭化水素及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物を産生する方法であり、当該方法は二酸化炭素、メタン、又はその両者を含む軽質ガス及び液体媒体を含有する流体混合物に２０，０００ｓ−１より大きなせん断速度を課すことによって液体の連続相内に軽質ガスの分散体を生成すること、並びに液体の含酸素物、Ｃ２＋の炭化水素、及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物が除去された反応装置へと分散体を導入することを含み、分散体は少なくとも一つの高せん断装置を用いて少なくとも一部が形成されており、少なくとも一つの高せん断装置は液体媒体中に軽質ガスの気泡の分散体を産生するように構成されている。方法は、反応装置による生成物を気体ストリームと液体生成物を含む液体生成物ストリームとに分離すること、及び気体ストリームの少なくとも一部を外部高せん断装置へと再循環することを更に含んでもよい。ある実施形態において、分散体は約０．１から約１．５μｍの範囲の気泡の平均直径を有する。ある実施形態において、分散体は１μｍ未満の気泡の平均直径を有する。分散体は大気圧において少なくとも約１５分間にわたって安定である。ある実施形態において、高せん断装置は少なくとも二つの生成機を備える。分散体は少なくとも一つの触媒を更に含んでもよい。
【００２３】
本明細書に同様に開示されているものは、二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン又はそれらの組み合わせを含む気体を液体の含酸素物、Ｃ２＋の炭化水素、及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物へと変換するためのシステムであり、当該システムは、せん断間隙で分離されたロータ及び固定子を含む少なくとも一つの生成機を備える少なくとも一つの高せん断混合装置と、軽質ガス及び液体媒体を含む混合物を高せん断混合装置へと輸送するよう構成されたポンプとを有し、せん断間隙はロータと固定子との間の最小の隙間であり、高せん断混合装置は２２．９ｍ／ｓ（４，５００フィート／分）を超えるロータの先端速度を生じることが可能である。システムは、少なくとも一つの高せん断装置とポンプとの間に配置された反応装置を更に有することが可能であり、前記反応装置は生成物排出口と少なくとも一つの高せん断装置の分散体排出口から分散体を受容するよう構成された導入口とを有する。少なくとも一つの高せん断装置は少なくとも二つの生成機を有することができる。一つの生成機によってもたらされるせん断速度は、別の生成機によってもたらされるせん断速度より大きくても良い。少なくとも一つの高せん断混合装置は、液体媒体を含む液相中に軽質ガスの気泡の分散体を産生するよう構成されており、分散体は４００ｎｍ未満の気泡の平均直径を有する。少なくとも一つの高せん断混合装置は少なくとも４０．１ｍ／ｓ（７，９００フィート／分）のロータの先端速度を生じることができる。システムは少なくとも二つの高せん断混合装置を有することができる。
【００２４】
システムのある実施形態は、大容量の反応装置を必要とせずに、外部加圧高せん断反応装置を用いることによって二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、メタノール又はそれらの組み合わせを含む気体からの有機液体生成物の産生を実現できる可能性がある。
【００２５】
上述の方法又はシステムのある実施形態は、別の方法で可能な条件よりも好適な時間、温度、及び圧力の条件を提供することができ、それは複相反応の速度を向上することができる。上述の方法又はシステムのある実施形態は、より低い温度及び／又は圧力で稼働し、消費される触媒の単位量あたりの生産物を増加させ、反応時間を短縮し、及び／又は資本費用及び／又は運転費用を減少させることによって、全体的な費用の減少をもたらすことができる。これら及び他の実施形態及び潜在的な利点は、以下の詳細な説明及び図面によって明らかにされる。
【００２６】
本発明の好適な実施形態のより詳細な説明のために、添付の図面が参照される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】外部高せん断分散を含む本開示の実施形態による複相反応システムの図である。
【図２】システムの一実施形態において用いられる複数ステージ式の高せん断装置の長手方向の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本明細書において用いられる場合、用語「分散体（dispersion）」は、相互に容易に混合及び溶解しない少なくとも二つの区別可能な物質（又は「相」）を含む液体混合物を指す。本明細書で用いられる場合、「分散体」は、別の相又は物質の不連続な液滴、気泡、及び／又は粒子をその中に保持する「連続」相（又は「マトリックス」）を含む。したがって、用語「分散体」は液体連続相中に拡散された気泡を有する泡、第一の液体に対して非混和性である第二の液体を含む連続相全体に第一の液体の液滴が分散されているエマルジョン、及び全体に固形粒子が分散されている連続液相を含む。本明細書で用いられる場合、用語「分散体」は全体に気泡が分散している連続液相、全体に固形粒子（例えば固形触媒）が分散している連続液相、連続相にほぼ溶解しない第二の液体の液滴が全体に分散している第一の液体の連続相、並びに固形粒子、非混和性の液滴及び気泡の一つ又は組み合わせが全体に分散している液相を含む。したがって、分散体は組み合わせに選択された物質の性質に応じて、ある場合には（例えば液体／液相である）均質な混合物として、又は（例えば、気体／液体、固体／液体、又は気体／固体／液体である）不均質な混合物として存在する。
【００２９】
用語「含酸素物（oxygenate）」は、酸素を導入された物質を指すために本明細書で用いられる。例えば前記用語は、燃料の燃焼中に生じる一酸化炭素を減少させるためにガソリン添加物として多くの場合に用いられる含酸素燃料と同様に、高オクタンガソリン又はディーゼルなどの燃焼機関を駆動させるのに適した炭化水素を含有するあらゆる酸素を指す。用語「含酸素物」は、限定されないが、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ｎ−プロピルアルコール、ｎ−ブタノール、２−エチルヘキサノール、フルフリルアルコール、ベンジルアルコール、イソブチルアルコール、及びガソリングレードのｔ−ブタノール（ＧＴＢＡ）を含むアルコールベースの含酸素物と同様に、ホルムアルデヒド、ギ酸メチル、及びギ酸などのアルデヒドを含む。
【００３０】
用語「単純なアルカン」及び「低分子量アルカン」は、室温及び大気圧で気体であるメタン、プロパン、及びブタンを含む低炭素数のアルカンを指すために本明細書で用いられる。
【００３１】
本明細書で用いられる場合、用語「軽質ガス」は、二酸化炭素、１から５個の炭素原子を有する単純なアルカン、又はそれらの組み合わせを含む気体を指す。
【００３２】
概説
液体、気体及び固体を含む化学反応の速度は接触時間、温度及び圧力によって決まる。（例えば、固体及び液体；液体及び気体；固体、液体及び気体である）異なる相である二つ以上の物質を反応させることが望まれる場合、反応速度を制御する限定要因の一つには反応物の接触時間が含まれる。不均質に触媒される反応の場合、触媒が別の反応物に触媒作用を及ぼせるように触媒の表面から反応生成物を除去するという更なる律速因子が存在する。多くの場合、反応物及び／又は触媒の接触時間は、化学反応に関与する二つ以上の反応物の接触をもたらす混合によって制御される。
【００３３】
本明細書において説明される外部高せん断装置又は混合装置を有する反応装置アセンブリは物質移動の制限を低下させることができ、それによって反応を動力学的限界により近づけることができる。反応速度が上昇すると、滞留時間は低下し、それによって得られる生産量が増加する。高せん断システム及び方法によって、生産物の収量は増加するであろう。あるいは、既存の方法による生成物の収量が満足できるものである場合、適切な高せん断の導入によって必要な滞留時間を短縮できることは、従来の方法よりも低い温度及び／又は圧力の使用を可能にするであろう。
【００３４】
本発明は、二酸化炭素及び／又は単純なアルカンなどの軽質ガスから炭化水素及び／又は液体含酸素物を含む有機生成物を産出するための革新的な技術を利用する。軽質ガスは液体媒体と完全に混合される。軽質ガス及び液体媒体の少なくとも一つが水素源として機能する。水素源は、例えば水及び／又は炭化水素である。高せん断反応装置及び任意に触媒は反応物をフリーラジカルに解裂し、それらを炭化水素及び含酸素物を含む生成物へと再構成することができる。
【００３５】
システムは、液体炭化水素、有機含酸素物又はそれらの組み合わせを含む生成物へと（主な温室効果ガスである）二酸化炭素及び／又は単純なアルカンを変換するために高せん断技術を使用することを含む。脱水素触媒を伴う二酸化炭素及び／又は軽質ガスの複相変換による炭化水素及び／又は液体含酸素物の産生のための本明細書において開示される方法及びシステムは、外部高せん断機械式装置を用いることによって、高せん断装置内の制御された環境において化学成分の迅速な接触及び混合をもたらすことができる。以下において更に説明されるように、少なくとも一つの高せん断装置の使用は反応に対する物質移動の制限を低減し、結果的に物質移動の速度を上昇させて反応を動力学的限界により近づけることができ、また、別の方法によってはギブズの自由エネルギー予測に基づいて起こらないと予測される反応を起こすことができる局所的な非理想的条件を生じることができる。
【００３６】
軽質ガスから液体を産生するためのシステム
軽質ガスから炭化水素及び／又は液体含酸素物を生成するための高せん断システムは、軽質ガスの変換によって有機含酸素物／炭化水素を生成するための代表的な高せん断システム１００の工程図である図１に関して説明される。代表的なシステムの基本構成要素には、外部高せん断混合装置（ＨＳＤ）４０、容器１０及びポンプ５が含まれる。図１に示されるように、高せん断装置４０は容器／反応装置１０の外部に配置される。これらの構成要素のそれぞれは以下においてより詳細に説明される。ライン２１は液体媒体を導入するためにポンプ５に接続されている。ライン１３はポンプ５をＨＳＤ４０へと接続しており、ライン１８はＨＳＤ４０を容器１０へと接続している。反応物ガス（例えば、二酸化炭素及び／又はメタンガス）を導入するために、一つ又は複数のラインがライン１３へと接続されている。例えば図１の実施形態において、ライン２２及び２３はライン１３に接続されている。あるいは、ライン２２及び／又は２３はＨＳＤ４０の入口に接続されていても良い。ライン１７は、未反応の反応物ガス及び／又は反応生成物ガスを除去するために容器１０に接続されていても良い。生成物排出ライン１６は容器１０から液体を除去するために容器１０に接続される。ある実施形態において、必要に応じてマルチパス（multi-pass）稼働を行うために、生成物ライン１６はライン２１又はライン１３に接続されていても良い。
【００３７】
追加の構成要素は、本明細書の以下の部分で説明される有機生成物の産生のための高せん断処理の説明を読むことによって明らかになるように、方法のいくつかの利用において容器１０、外部高せん断装置４０、及びポンプ５の間に導入可能である。例えば、高せん断システム１００は凝縮装置３０、コンプレッサ５０、供給ポンプ４、高圧ポンプ６、又はそれらの組み合わせを更に有することができる。図１に示されるように、高せん断システム１００は、必要に応じて供給ポンプ４、増圧ポンプ６、又は他のポンプなどの一つ又は複数の追加ポンプを更に有することができる。熱交換器はシステム１００の至るところに配置可能である。ある実施形態において、温度制御装置は容器１０の内部にあるか、又はシステム１００内のライン上に配置される。例えば図１の実施形態において、熱交換器Ｈ１は容器１０に連結されており、熱交換器Ｈ２はライン２１に配置されており、熱交換器Ｈ３はライン１３に配置される。熱交換器は容器１０のライン１６に配置可能であり、容器１０から出る反応生成物の温度を調節するよう機能することができる。
【００３８】
高せん断混合装置
多くの場合において高せん断装置又は高せん断混合装置とも呼ばれる外部高せん断混合装置（ＨＳＤ）４０は、液体媒体及び分散性の軽質ガスを含む導入ストリームをライン１３を介して受容するよう構成されている。あるいは、ＨＳＤ４０は別々の導入ライン（図示しない）を介して液体及び気体の反応物ストリームを受容するよう構成されていても良い。一つの高せん断装置のみが図１に示されているものの、システムのある実施形態は直列又は並列に配置された二つ以上の高せん断混合装置を有することが可能であることが理解されなければならない。ＨＳＤ４０はロータ／固定子の組み合わせを備える一つ又は複数の生成機を利用する機械装置であり、それぞれの組み合わせは固定子とロータとの間に隙間を有する。それぞれの生成機のセットにおけるロータと固定子との間の隙間は固定されていても調節可能であっても良い。ＨＳＤ４０は、高せん断装置を通過する反応混合物中にサブミクロン及びミクロンサイズの気泡を形成可能なように構成されている。高せん断装置はエンクロージャ又はハウジングを有しているため、反応混合物の圧力及び温度は制御可能である。
【００３９】
高せん断混合装置は、それらの流体を混合する能力に基づいて、一般に三つの大まかなクラスに分類される。混合は流体内の粒子又は不均質な種のサイズを減少させる処理である。混合の程度又は完全性に対する一つの測定基準は、混合装置が流体粒子を破砕するために生じる単位体積あたりのエネルギー密度である。クラスは伝達されるエネルギー密度に基づいて区別される。サブミクロンから５０μｍの範囲の粒子サイズである混合物又はエマルジョンを一貫して生成することができる十分なエネルギー密度を有する産業用混合装置の三つのクラスには、均質化バルブシステム、コロイドミル及び高速混合装置が含まれる。均質化バルブシステムと呼ばれる高エネルギー装置の一番目のクラスにおいて、処理される流体は非常に高い圧力下において狭い隙間のバルブを通って低圧環境へと送り出される。バルブを介した圧力勾配と結果的に得られる乱流及びキャビテーションは流体中の粒子を細分化するよう作用する。バルブシステムはミルクの均質化において最も一般的に用いられており、サブミクロンから約１μｍの範囲の平均粒子サイズを得ることができる。
【００４０】
エネルギー密度スペクトルの反対側に位置するのは、低エネルギー装置と呼ばれる三番目のクラスの装置である。これらのシステムは処理される流体の貯蔵槽内において高速で回転するパドル又は流体ロータを通常は有しており、多くの一般的な利用において処理される流体は食品である。これらの低エネルギーシステムは、処理された流体中において２０μｍを超える平均粒子サイズが条件を満たす場合に習慣的に使用される。
【００４１】
流体に伝達される混合エネルギー密度の観点において、低エネルギー装置と均質化バルブシステムとの間に位置するものは、中間エネルギー装置に分類されるコロイドミル及び他の高速ロータ−固定子装置である。一般的なコロイドミルの構成は、一般に０．０２５４ｍｍから１０．１６ｍｍ（０．００１−０．４０インチ）である厳密に制御されたロータ−固定子の隙間によって相補的な液冷固定子から離間されている円錐型又は円盤型のロータを含む。通常、ロータは直接駆動又はベルト機構を介して電気モータによって駆動される。ロータが高速で回転すると、それはロータの外面と固定子の内面との間に流体を送り込み、隙間で生じるせん断力が流体を処理する。適切な調節機構を備える多くのコロイドミルは処理された流体中に０．１−２５μｍの平均粒子サイズを実現する。これらの機能は、化粧品、マヨネーズ、又はシリコン／銀のアマルガム形成などに必要なコロイド及び油／水ベースのエマルジョン処理から屋根用タールの混合を含む様々な利用に対してコロイドミルを適合させる。
【００４２】
先端速度は、単位時間当たりのロータの先端が移動する周方向の距離である。したがって、先端速度はロータの直径と回転数との関数である。（例えば、１分あたりのメートルである）先端速度は、ロータの先端によって辿られる周方向の距離２πＲに（例えば、１分あたりの回転数、ｒｐｍである）回転数をかけることによって算出可能であり、ここでＲはロータの半径である。例えば、コロイドミルは２２．９ｍ／ｓ（４５００フィート／分）を超える先端速度を有することが可能であり、４０ｍ／ｓ（７９００フィート／分）を超えても良い。本開示において用語「高せん断」は、５．１ｍ／ｓ（１０００フィート／分）を超える先端速度を生じることが可能であり且つ反応される生成物のストリームへとエネルギーを伝達するための機械駆動式の外部電源装置を必要とする機械式のロータ固定子装置（例えば、コロイドミル又はロータ−固定子分散装置）を指す。例えばＨＳＤ４０において、２２．９ｍ／ｓ（４５００フィート／分）を超える先端速度が実現可能であり、４０ｍ／ｓ（７９００フィート／分）を超えても良い。ある実施形態において、ＨＳＤ４０は少なくとも２２．９ｍ／ｓ（４５００フィート／分）の先端速度で少なくとも３００Ｌ／ｈを輸送することができる。電力消費は約１．５ｋＷである。ＨＳＤ４０は高い先端速度を非常に小さなせん断間隙と組み合わせることによって、処理される材料に対する激しいせん断を生じることができる。せん断量は流体の粘度によって変わるであろう。したがって、圧力及び温度が上昇した局所領域が高せん断装置の稼動中にロータの先端において生じる。ある場合には、局所的に上昇した圧力は約１０３４．２ＭＰａ（１５０，０００ｐｓｉ）である。ある場合には、局所的に上昇した温度は約５００℃である。ある場合には、これらの局所的な圧力及び温度の上昇は、ナノ又はピコ秒の間持続するであろう。
【００４３】
流体に加わるエネルギー（ｋＷ／Ｌ／分）の概算値はモータのエネルギー（ｋＷ）及び流体の産出量（Ｌ／分）を測定することによって見積もることができる。上述したように、先端速度は反応物に加わる機械力を生じる一つ又は複数の回転要素の先端に関する速度（フィート／分又はｍ／ｓ）である。ある実施形態において、ＨＳＤ４０の消費エネルギーは１０００Ｗ／ｍ３を超える。ある実施形態において、ＨＳＤ４０の消費エネルギーは約３０００Ｗ／ｍ３から約７５００Ｗ／ｍ３の範囲である。
【００４４】
せん断速度は、先端速度をせん断間隙幅（ロータと固定子との間の最小の隙間）によって割ったものである。ＨＳＤ４０内で生じるせん断速度は２０，０００ｓ−１を超えてもよい。ある実施形態において、せん断速度は少なくとも４０，０００ｓ−１である。ある実施形態において、せん断速度は少なくとも１００，０００ｓ−１である。ある実施形態において、せん断速度は少なくとも５００，０００ｓ−１である。ある実施形態において、せん断速度は少なくとも１，０００，０００ｓ−１である。ある実施形態において、せん断速度は少なくとも１，６００，０００ｓ−１である。ある実施形態において、ＨＳＤ４０によって生じるせん断速度は２０，０００ｓ−１から１００，０００ｓ−１の範囲である。例えばある利用形態において、ロータの先端速度は約４０ｍ／ｓ（７９００フィート／分）であり、せん断間隙幅は０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）であり、１，６００，０００ｓ−１のせん断速度を生じる。別の利用形態において、ロータの先端速度は約２２．９ｍ／ｓ（４５００フィート／分）であり、せん断間隙幅は０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）であり、約９０１，６００ｓ−１のせん断速度を生じる。
【００４５】
ＨＳＤ４０は、気体の少なくとも一部がＣ２＋の炭化水素、含酸素物、又はそれらの組み合わせを含む有機生成物へと変換されるような条件において、軽質ガスが通常は非混和性である主要液相（連続相）へと軽質ガスを分散又は輸送することができる。液体媒体は少なくとも一つの水素源（例えば、単純な液体炭化水素又は水）を含む。ある実施形態において、液体媒体は触媒を更に含む。ある実施形態において、ＨＳＤ４０はコロイドミルを有する。好適なコロイドミルは、例えばノースカロライナ州ウィルミントン（Wilmington，NC）のＩＫＡ（登録商標） ワークス インコーポレーテッド（IKA(R) Works，Inc.）及びマサチューセッツ州ウィルミントン（Wilmington，MA）のＡＰＶ ノース アメリカ インコーポレーテッド（APV North America，Inc.）によって製造されている。ある実施例において、ＨＳＤ４０はＩＫＡ（登録商標） ワークス インコーポレーテッドのディスパックス リアクタ（登録商標）（Dispax Reactor(R)）を有する。
【００４６】
高せん断装置は、反応物に加わる機械力を生じる少なくとも一つの回転要素を備える。高せん断装置は、隙間によって離間された少なくとも一つの固定子と少なくとも一つのロータとを有する。例えば、ロータは円錐型又は円盤型であり、相補的形状の固定子から離間されている。ある実施形態において、ロータ及び固定子は複数の周方向に離間した歯を備える。ある実施形態において、固定子は各生成機（ロータ／固定子のセット）のロータと固定子との間に所望のせん断間隙を得るために調節可能である。ロータ及び／又は固定子の歯の間の溝は、乱流を増強させるために交互に並ぶステージにおいて方向を互い違いにすることができる。それぞれの生成機は、必要な回転をもたらすように構成された任意の適切な駆動システムによって駆動可能である。
【００４７】
ある実施形態において、固定子とロータとの間の最小の隙間（せん断間隙幅）は約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）から約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）の範囲である。ある実施形態において、固定子とロータとの間の最小の隙間（せん断間隙幅）は約１．５２ｍｍ（０．０６０インチ）である。ある実施形態において、ロータと固定子との間の最小の隙間（せん断間隙）は少なくとも１．７８ｍｍ（０．０７インチ）である。高せん断装置によって生じるせん断速度は流路に沿った長手方向の位置によって変化しても良い。ある実施形態において、ロータはロータの直径と所望の先端速度とに対応した速度で回転するよう設定される。ある実施形態において、高せん断装置は固定子とロータとの間に固定された隙間（せん断間隙幅）を有する。あるいは、高せん断装置は調節可能な隙間（せん断間隙幅）を有する。
【００４８】
ある実施形態において、ＨＳＤ４０は単一ステージ式の分散チャンバ（すなわち、単一のロータ／固定子の組み合わせ、単一の生成機）を有する。ある実施形態において、高せん断装置４０は複数ステージ式の直列型分散装置であり、複数の生成機を有する。ある実施形態において、ＨＳＤ４０は少なくとも二つの生成機を有する。別の実施形態において、高せん断装置４０は少なくとも三つの高せん断生成機を有する。ある実施形態において、高せん断装置４０は複数ステージ式の混合装置であり、そのため本明細書の以下の部分において更に説明されるように、（上述したように、先端速度に比例し、ロータ／固定子の間隙幅に反比例して変化する）せん断速度は流路に沿った長手方向の位置によって変化する。
【００４９】
ある実施形態において、外部高せん断装置の各ステージは交換可能な混合機を有することによって、柔軟性をもたらす。例えば、ノースカロライナ州ウィルミントンのＩＫＡ（登録商標） ワークス インコーポレーテッド及びマサチューセッツ州ウィルミントンのＡＰＶ ノース アメリカ インコーポレーテッドのＤＲ２０００／４ ディスパックス リアクタ（登録商標）は３ステージ型の分散モジュールを有する。このモジュールは、各ステージにおいて細かい、中間、粗い、及び非常に細かいの選択ができる最大で三つのロータ／固定子の組み合わせ（生成機）を有することができる。このことは、気泡（例えば、軽質ガスの泡）の所望するサイズの狭い分布を有する分散体の形成を可能にする。ある実施形態において、各ステージは非常に細かい生成機を用いて稼働される。ある実施形態において、少なくとも一つの生成機のセットは約５．０ｍｍ（０．２０インチ）より大きなロータ／固定子の最小の隙間（せん断間隙幅）を有する。別の実施形態において、少なくとも一つの生成機のセットは約１．７８ｍｍ（０．０７インチ）より大きなロータ／固定子の最小の隙間を有する。
【００５０】
ここで図２を参照すると、好適な高せん断装置２００の長手方向の断面図が示されている。図２の高せん断装置２００は三つのステージ又はロータ−固定子の組み合わせを備える分散装置である。高せん断装置２００は、三つのステージ又はロータ−固定子の組み合わせ２２０、２３０、及び２４０を備える分散装置である。ロータ−固定子の組み合わせは、限定することなく生成機２２０、２３０、２４０又はステージとして知られている。これらのロータ／固定子のセット又は生成機２２０、２３０及び２４０は駆動シャフト２５０に沿って直列に配置されている。
【００５１】
第一の生成機２２０はロータ２２２及び固定子２２７を有する。第二の生成機２３０はロータ２２３及び固定子２２８を有する。第三の生成機２４０はロータ２２４及び固定子２２９を有する。それぞれの生成機において、ロータは動力２５０によって回転駆動され、矢印２６５によって示されるように軸２６０を中心に回転する。回転方向は、矢印２６５で示される方向の反対（例えば回転軸２６０を中心に時計回りの方向又は反時計回りの方向）であってもよい。固定子２２７、２２８及び２２９は高せん断装置２００の壁部２５５に固定するよう連結されている。
【００５２】
本明細書において上述したように、それぞれの生成機はロータと固定子との間の最小の距離であるせん断間隙幅を有する。図２の実施形態において、第一の生成機２２０は第一のせん断間隙２２５を有し、第二の生成機２３０は第二のせん断間隙２３５を有し、第三の生成機２４０は第三のせん断間隙２４５を有する。ある実施形態において、せん断間隙２２５、２３５、２４５は約０．０２５ｍｍから約１０．０ｍｍの範囲の幅を有する。あるいは、方法は高せん断装置２００の利用を含み、間隙２２５、２３５、２４５は約０．５ｍｍから約２．５ｍｍの範囲の幅を有する。ある実施例において、せん断間隙幅は約１．５ｍｍに維持される。あるいは、せん断間隙２２５、２３５、２４５の幅は生成機２２０、２３０、２４０によって異なる。ある実施例において、第一の生成機２２０のせん断間隙２２５の幅は第二の生成機２３０のせん断間隙２３５の幅よりも大きく、せん断間隙２３５の幅は第三の生成機２４０のせん断間隙２４５の幅よりも大きい。上述したように、各ステージの生成機は交換可能であるため、柔軟性をもたらす。高せん断装置２００は、せん断速度が流れ２６０の方向に沿った長手方向において段階的に増加するよう構成されている。
【００５３】
生成機２２０、２３０、２４０は粗い、中間、細かい、及び非常に細かい性質を有することができる。ロータ２２２、２２３、２２４及び固定子２２７、２２８及び２２９は歯付き構造にすることも可能である。それぞれの生成機は二つ以上のロータ−固定子の歯のセットを有することができる。ある実施形態において、ロータ２２２、２２３、及び２２４はそれぞれのロータの外周近くにおいて周方向に離間した１０個より多くのロータの歯を有する。ある実施形態において、固定子２２７、２２８及び２２９はそれぞれの固定子の外周近くにおいて周方向に離間した１０個より多くの固定子の歯を有する。ある実施形態において、ロータの内径は約１２ｃｍである。ある実施形態において、ロータの直径は約６ｃｍである。ある実施形態において、固定子の外径は約１５ｃｍである。ある実施形態において、固定子の直径は約６．４ｃｍである。ある実施形態において、直径がロータは６０ｍｍであり、固定子は６４ｍｍであるため、約４ｍｍの隙間をもたらす。ある実施形態において、三つのステージのそれぞれは、約０．０２５ｍｍから約４ｍｍのせん断間隙を有する非常に細かい生成機を用いて稼働される。固形粒子が高せん断装置４０を介して輸送される利用形態においては、適切なせん断間隙幅（ロータと固定子との間の最小の隙間）は適切な粒子サイズの減少及び粒子の表面積の増加のために選択される。ある実施形態において、このことは、粒子をせん断して分散することによって固形触媒の表面積を増加させるために有益である。
【００５４】
高せん断装置２００は導入口２０５においてライン１３から反応混合物を受容するよう構成されている。反応混合物は、分散相としての気体と連続相としての液体媒体とを含む。供給ストリームは粒子状の固形触媒成分を更に含んでもよい。導入口２０５に入る供給ストリームは、分散体が形成されるように、生成機２２０、２３０、そして２４０を連続的に通って送られる。分散体は排出口２１０（及び図１のライン１８）を介して高せん断装置２００から出る。各生成機のロータ２２２、２２３、２２４は固定された固定子２２７、２２８、２２９に対して高速で回転することによって、高いせん断速度をもたらす。ロータの回転は、導入口２０５に入る供給ストリームなどの流体をせん断間隙（及び、存在する場合はロータの歯の間の空間並びに固定子の歯の間の空間）を通って外に押し出すことによって、局所的な高せん断状態を作り出す。流体が通過するせん断間隙２２５、２３５及び２４５（及び、存在する場合は、ロータの歯と固定子の歯との間の隙間）において流体に加わる高せん断力は流体を処理し、分散体を形成する。生成物分散体は高せん断排出口２１０（及び図１のライン１８）を介して高せん断装置２００から出る。
【００５５】
生成される分散体は約５μｍ未満の平均気泡サイズを有する。ある実施形態において、ＨＳＤ４０は約１．５μｍ未満の平均気泡サイズを有する分散体を生成する。ある実施形態において、ＨＳＤ４０は１μｍ未満の平均気泡サイズを有する分散体を生成し、気泡は直径がサブミクロンであることが好ましい。ある実施例において、平均気泡サイズは約０．１μｍから約１．０μｍである。ある実施形態において、ＨＳＤ４０は４００ｎｍ未満の平均気泡サイズを有する分散体を生成する。ある実施形態において、ＨＳＤ４０は１００ｎｍ未満の平均気泡サイズを有する分散体を生成する。高せん断装置２００は、少なくとも約１５分間にわたって大気圧で分散状態を維持できる分散された気泡を有する分散体を生成する。
【００５６】
理論によって限定されることはないが、液体に分散されたサブミクロンの粒子又は気泡は主にブラウン運動効果によって移動することが乳化化学において知られている。高せん断装置２００によって形成された生成物分散体中の気泡は（存在する場合には）固形触媒粒子の境界層を通る大きな移動性を有することによって、不均質な反応混合物における反応物の移動の向上により変換反応を更に促進及び加速することができる。
【００５７】
ある実施例において、高せん断装置２００はノースカロライナ州ウィルミントンのＩＫＡ(登録商標) ワークス インコーポレーテッド及びマサチューセッツ州ウィルミントンのＡＰＶ ノース アメリカ インコーポレーテッドのディスパックス リアクタ（登録商標）を有する。様々な導入口／排出口の接続、馬力、先端速度、出力ｒｐｍ、及び流速を有する様々なモデルが使用可能である。高せん断装置の選択は、処理量の必要要件と、高せん断装置２００の排出口２１０から出るライン１８（図１）の分散体における粒子又は気泡の所望サイズとによって決まる。例えばＩＫＡ（登録商標）モデルＤＲ２０００／４は、ベルト駆動、４Ｍ生成機、ＰＴＦＥ密閉リング、２５．４ｍｍ（１インチ）の導入口フランジ用清浄クランプ、１９ｍｍ（３／４インチ）の排出口フランジ用清浄クランプ、２馬力の出力、７９００ｒｐｍの出力速度、（生成機に応じた）約３００−７００Ｌ／ｈの（水の）流動能、９．４−４１ｍ／ｓ（１８５０フィート／分から８０７０フィート／分）の先端速度を有する。
【００５８】
容器
分散されると、分散体は高せん断装置の排出口分散体ライン１８を介して高せん断装置４０から出て、容器１０へと導入される。容器１０は、複相反応が伝播することによって変換反応を行うことができる任意の種類の反応装置を有する。例えば、連続又は半連続性の攪拌タンク反応装置又は一つ若しくは複数の回分式反応装置は直列又は並列に使用可能である。ある実施形態において、容器１０は塔型反応装置である。ある利用形態において、容器１０は管状反応装置であり、別の実施形態においては管状反応装置又は複管反応装置である。
【００５９】
図１において一つ（ライン３）が示されているが、任意の数の反応装置導入口ラインが想定される。導入口ラインは、不均質な触媒を用いたシステムの稼働の間に触媒溶液又はスラリーを受容するために容器１０に接続されても良い。ある実施形態において、水が容器１０に注入されることによって、容器１０の中に存在する有機物の水蒸気蒸留を補助することができる。このように、有機生成物の一部は蒸気を用いて分離され、ライン１６よりもライン１７において容器１０から出る。容器１０は、掃気ガス用の排出ライン１７と生成物ストリーム用の生成物排出ライン１６とを有する。ある実施形態において、容器１０は複数の反応装置生成物ライン１６を有する。
【００６０】
二酸化炭素及び／又は単純な炭化水素の有機含酸素物／炭化水素への変換は、適切な時間、温度及び圧力の条件が存在すればいつでも起こり得る。このため、温度及び圧力の条件が適切である場合には、水素化は図１の工程図のあらゆる場所で起こることができる。高せん断システム１００によって行われる反応は、触媒が反応混合物の他の成分と同一相に存在する均質触媒反応、又は固形触媒を含む不均質触媒反応を含む。循環される触媒が利用される場合、反応は図１に示される容器１０の外側の場所でより起こりやすくなる。それにもかかわらず、分離した反応装置／容器１０は多くの場合において、揮発性反応生成物の分離及び回収並びに未反応の気体の再循環と同様に、滞留時間、攪拌、及び加熱及び／又は冷却を向上させるために望まれる。したがって、ある実施形態においては、高せん断システム１００は少なくとも一つの高せん断装置の下流に容器１０を更に有し、容器の導入口は高せん断装置の分散体排出口と流体連結されている。固定層反応装置１０が使用される場合、反応装置／容器１０は反応が起こるための主要場所となる。
【００６１】
容器１０の排出口ライン１６は、液体生成物を含むライン１６の内容物の一部をＨＳＤ４０へと再循環するために、例えばライン２０を介してライン２１へと流体連結されていても良い。あるいはある実施形態において、別の排出ラインは容器１０をライン２１に連結している。図１において、高せん断システム１００はライン１６の一部を再循環するよう構成されている。この構成は、例えばマルチ−パス稼働に役立つものである。
【００６２】
容器１０は一つ又は複数の以下の構成要素を有する：反応容器設計の分野において周知である攪拌システム、温度制御機能、圧力測定器、温度測定器、一つ又は複数の注入箇所、及び水位制御装置（図示しない）。図１の実施形態に示されるように、容器１０は攪拌システム３１、加熱及び／又は冷却機能Ｈ１、圧力測定器、温度測定器、又はそれらの組み合わせを更に有することができる。例えば、攪拌システム３１はモータ駆動式混合装置を有する。温度制御装置Ｈ１は、例えば加熱マントル又は冷却コイルを有する。あるいは、ある実施形態において変換反応の大部分がＨＳＤ４０内で起こる場合、ある場合には容器１０は貯蔵容器として主に機能する。一般に望まれないものの、以下において更に説明されるように特に複数の高せん断装置／反応装置が直列に使用される場合、ある利用態様において容器１０は省略可能である。
【００６３】
伝熱装置
上述の容器１０の加熱／冷却機能に加えて、処理ストリームを加熱又は冷却するための別の外部又は内部伝熱装置も図１に図示される実施形態の変形形態において想定される。例えば、温度制御は当業者に周知の内部伝熱装置によって容器１０にもたらされる。また、外部加熱及び／又は冷却伝熱装置の使用も想定される。そのような一つ又は複数の伝熱装置に適した場所は、ポンプ５及びＨＳＤ４０の間、ＨＳＤ４０及び容器１０の間、並びにシステム１０がマルチ−パスモードで稼働される場合には容器１０及びポンプ５の間である。そのような伝熱装置の非限定的な例は、当業者に周知であるように、シェル、管、板、及びコイル状の熱交換器である。
【００６４】
図１の高せん断システム１００の実施形態において、三つの熱交換器がシステム全体の温度を制御するために用いられている。伝熱装置Ｈ１は容器１０内の生成物の温度を制御するために用いられる。伝熱装置Ｈ２はライン２１の温度を制御するためにライン２１に配置されている。伝熱装置Ｈ３はライン１３の温度を制御する役割を担っており、結果的にＨＳＤ４０への導入口供給ストリームの温度を制御する。加熱／冷却装置の使用及び構成は、所望の反応を行うことを目的としているため、当業者に周知であるように変更可能である。
【００６５】
ポンプ／冷却トラップ
ポンプ５は連続又は半連続稼動用に構成されており、ＨＳＤ４０及びシステム１００を通る制御された流れを実現するために、２０２．６５ｋＰａ（２気圧）より大きい圧力、或いは３０３．９７５ｋＰａ（３気圧）より大きい圧力をもたらすことができる任意のポンプ装置にすることができる。例えば、ローパー ポンプ カンパニー（Roper Pump Company）（ジョージア州コマース（Commerce Georgia））のローパー１型ギアポンプ（Roper Type 1 gear pump）及びデイトン エレクトリック カンパニー（Dayton Electric Co）（イリノイ州ナイルズ（Niles，IL））のデイトン増圧ポンプ（Dayton Pressure Booster Pump）モデル２Ｐ３７２Ｅは一つの好適なポンプである。ポンプの全ての接触部分はステンレス鋼、例えば３１６ステンレス鋼を含んでもよい。システムのある実施形態において、ポンプ５は約２０２６．５ｋＰａ（２０気圧）より大きな圧力を加えることができる。ある実施形態において、ポンプ５は約０．５から約１ガロン（１．８９から３．７９リットル）／分の液体媒体１２の流速を生じる。ある実施形態において、ポンプ５は約１ガロン／分の液体媒体１２の流速を生じる。
【００６６】
ポンプ５に加えて、一つ又は複数の高圧ポンプ（図示しない）が図１に図示されるシステムに含まれてもよい。例えば、ポンプ５に似た増圧ポンプが容器１０への圧力を増圧するためにＨＳＤ４０と容器１０との間に含まれる。図１の実施形態において、高せん断システム１００は容器１０への圧力を増圧するために高圧ポンプ６を更に有する。ポンプ６が増圧ポンプとして組み込まれる場合、ポンプ５は高せん断ユニットへの圧力を低下させることによってその磨耗を低減させるためにスロットルポンプ／バルブとして使用されてもよい。さらに別の実施例として、コンプレッサ型のポンプが、容器１０からの気体を高せん断装置の導入口へと再循環するためにライン１７及びＨＳＤ４０の間に配置されても良い。
【００６７】
別の実施例として、ポンプ５に似た追加供給ポンプが追加の反応物又は触媒を容器１０へと導入するために含まれてもよい。図１の実施形態においては、例えば追加供給ポンプ４が追加の原料を注入ライン３を介して容器１０へと導入するために用いられる。触媒及び補給流体は、必要に応じて定期的又は連続的に供給ポンプ４及び注入箇所３を介して高せん断システム１００へと加えられる。
【００６８】
図１に示されるように、高せん断システム１００は、例えば再循環ライン１７に配置された凝縮装置３０内に冷却トラップを更に有する。冷却トラップは、再循環ガス１７を冷却容器へと運ぶ役割を担っており、ライン２５のガスはライン１５を介して高せん断装置４０へと注入されるために前記冷却容器からコンプレッサ５０へとパイプで運ばれる。凝縮装置２８は凝縮された生成物（例えば含酸素物及び／又は炭化水素）用の排出ライン２４と、再循環気体ストリーム用の排出ライン２５とを有する。ある実施形態において、凝縮装置３０の冷却トラップは、再循環ポンプ又はコンプレッサ５０の上流の再循環ライン１７から第一級アルコールを除去する役割を担う。再循環ライン１５は、図１に示されるように軽質ガスのＨＳＤ４０への再導入のためにライン１３に流体連結されている。
【００６９】
軽質ガスの変換による有機生成物の産生
高せん断システム１００の稼動が図１を参照して説明される。図１の高せん断システム１００の実施形態に示されるように、ある実施形態においては、システム１００は二つ以上の分散性気体ストリームを有する。例えばある実施形態において、高せん断システム１００は分散性ガスライン２２及び分散性ガスライン２３を有する。軽質ガスを有機生成物へ変換するための運転において、分散性軽質ガスストリームはライン２２及び／又はライン２３を介してシステム１００へと導入され、ライン１３において液体ストリームと混合される。ライン２２及び／又はライン２３の分散性ガス、ライン１５の圧縮再循環流体、及びライン２１の液体媒体は、別々に又は混合ストリームとして外部高せん断装置４０へと導入される。図１に示されるように、ある実施形態において、ライン２２及び／又はライン２３の分散性気体ストリームは（水素源又は水素源及び触媒を含む）液体媒体に導入され、混合された気体／液体（又は気体／液体／固体）ストリームはＨＳＤ４０へと導入される。
【００７０】
ＨＳＤ４０に導入される分散性ガスは軽質ガスを含む。ＨＳＤ４０内で分散される軽質ガスは、メタン、二酸化炭素又はそれらの組み合わせを含む。多くの場合、天然ガス源は追加の気体成分を含み、ライン２２及び／又はライン２３を介してライン１３へと導入される軽質ガスは最大で約１０％の追加気体成分を含む。例えば、追加気体成分はエタン、プロパン、ブタン、ペンタン、メタノール又はそれらの組み合わせである。ある実施形態において、軽質ガスはエタン、プロパン、ブタン、又はそれらの組み合わせを含み、ライン２３の軽質ガスは二酸化炭素を含む。特定の実施形態において、軽質ガスはメタンを含む。ある実施形態において、分散性軽質ガスは二酸化炭素を含む。ある実施形態において、軽質ガスは二酸化炭素及びメタンを含む。ある実施形態において、軽質ガスはメタンと二酸化炭素とを２：１の比率で含む。ある実施形態において、軽質ガスは二酸化炭素、水素、及び一酸化炭素を含む。ある実施形態において、軽質ガスはライン１３へと連続的に供給される。ある実施形態において、分散性軽質ガスの供給速度は約５０ｃｃ／分より速い。あるいは、分散性軽質ガスの供給速度は約８０ｃｃ／分より速い。あるいは、分散性軽質ガスの供給速度は約２３００ｃｃ／分より速い。
【００７１】
液体媒体は様々な種類であってもよい。ライン２１の液体媒体は少なくとも一つの水素源を含む。少なくとも一つの水素源は、水、炭化水素、及びそれらの組み合わせから選択される。ある実施形態において、液体媒体は水、低分子量の液体アルカン、パラフィン系オイル、及びそれらの組み合わせから選択される。パラフィン系オイルは、シェブロン プロダクツ カンパニー（Chevron Products Company）から販売されているパララックスオイル（Paralux oils）などの水素化処理された石油由来のオイル、又は合成パラフィンオイルである。例えば好適な合成パラフィン系オイルには、水素化分解／水素異性化（ＡＰＩ）グループＩＩＩベースオイルと同様にポリアルファオレフィン（ＡＰＩ）グループＩＶベースオイルが含まれる。グループ（ＩＶ）のベースオイルには、ポリ−エチレン−プロピレンの低重量成分などのオイルが含まれる。石油化学系の企業は、水素の存在する加圧条件において原料を高品質のグループＩＩＩ鉱油系潤滑油へと触媒変換することを含む方法を開発してきた。更に、ＧＴＬ（気体から液体（Gas-To-Liquid））合成グループＩＩＩベース原料が利用可能である。液体媒体は臭化リチウムをさらに含むことができる。液体媒体は、その成分が高せん断装置４０内の条件において大部分が引火せずに、その中で液体の状態を維持するように選択されることが望まれる。ある実施形態において、液体媒体はポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を含む。
【００７２】
ある実施形態において、液体媒体及び触媒は容器１０へ導入される前に混合される。例えば、パラフィン系オイル及び（使用される場合は）触媒はユニットを密閉する前に容器１０へと最初に入れられる。ある実施形態において、触媒は攪拌ビーカーにおいて液体媒体へと加えられる。別の実施形態において、液体媒体及び触媒は別々に導入されて反応装置の攪拌装置３１によって容器１０内で混合される。特定の利用形態のために望まれる場合は、追加の反応物は、例えば供給ポンプ４及び容器１０の導入口ライン３を介して容器１０へと添加可能である。任意の数の容器１０の導入口ラインが想定される。その後に、高せん断システム１００は密閉されて容器１０は排気される。ある実施形態において、容器１０は酸素でパージされる。例えば、真空が反応装置ガスライン１７を介してもたらされる。
【００７３】
排気の後に、容器１０内の圧力が所望の範囲に到達するまで分散性軽質ガスが高せん断システム１００へと導入される。ある実施形態において、容器１０内において２０６．８ｋＰａ（３０ｐｓｉ）の圧力が得られるまで、分散性軽質ガスが高せん断装置４０に導入される。次に、高せん断装置４０は稼働状態に移行し、例えば攪拌システム３１による反応装置の攪拌が継続し、高せん断システム１００全体における反応装置の流体の高せん断ポンプ輸送が開始される。この時点において、システムは掃気を伴わない密閉ループであってもよい。
【００７４】
ある実施形態において、分散性軽質ガスは、ライン１３において液体媒体と混合される代わりに、ＨＳＤ４０へと直接供給される。ポンプ５はライン２１を介して液体媒体を送り出し、圧力を高めてＨＳＤ４０へと供給するよう稼働することによって、高せん断装置（ＨＳＤ）４０及び高せん断システム１００全体に制御された流れを供給する。ある実施形態において、ポンプ５はＨＳＤ導入口ストリームの圧力を２０２．６５ｋＰａ（２気圧）を超えるまで、あるいは約３０３．９７５ｋＰａ（３気圧）を超えるまで上昇させる。このように、高せん断システム１００は高せん断を圧力と組み合わせることによって、反応物の完全な混合を促進する。
【００７５】
送り出した後に、軽質ガス及び液体媒体は、液体媒体中に軽質ガスの細かい分散体を形成する役割を担うＨＳＤ４０内で混合される。ＨＳＤ４０内において、軽質ガス及び液体媒体は、溶液への優れた溶解及び反応物混合の促進のために、軽質ガスのナノバブル、サブミクロンサイズの気泡、及び／又はマイクロバブルが形成されるように高度に分散される。例えば、直列に配置されており固定子と組み合わされた三つのロータを備えて構成された三ステージ型の高せん断分散装置である分散装置ＩＫＡ（登録商標）モデルＤＲ２０００／４は、液体媒体中に分散性軽質ガスの分散体を形成するために用いられる。例えば、ロータ／固定子のセットは図２に図示されているように構成される。混合された反応物はライン１３を介して高せん断装置へと入り、第一ステージのロータ／固定子の組み合わせに入る。第一ステージのロータ及び固定子は、周方向に離間した第一ステージのロータの歯及び固定子の歯をそれぞれ有しても良い。第一ステージから出た粗い分散体は第二のロータ／固定子のステージに入る。同様に、第二ステージのロータ及び固定子は周方向に離間したロータの歯及び固定子の歯をそれぞれ有しても良い。第二ステージから出た気泡サイズの低下した分散体は、ロータの歯及び固定子の歯をそれぞれ備えるロータ及び固定子を有する第三ステージのロータ／固定子の組み合わせに入る。分散体はライン１８を介して高せん断装置から出る。ある実施形態において、せん断速度は流れ２６０の方向に沿った長手方向において段階的に増加する。
【００７６】
例えばある実施形態において、第一のロータ／固定子のステージにおけるせん断速度は、後のステージにおけるせん断速度よりも大きい。別の実施形態において、せん断速度は流れの方向に沿ってほぼ一定であり、各ステージにおけるせん断速度はほぼ同一である。
【００７７】
ＨＳＤ４０のロータは、ロータの直径及び所望の先端速度に対応する速度で回転するよう設定される。上述したように、高せん断装置（例えば、コロイドミル又は歯付きリム分散装置）は固定子とロータとの間に固定された隙間を有するか、又は調節可能な隙間を有する。方法のある実施形態において、反応物の輸送抵抗は、反応速度が約５％より大きく上昇するように高せん断装置の稼働によって低減される。方法のある実施形態において、反応物の輸送抵抗は、反応速度が約５倍より大きく上昇するよう高せん断装置の稼働によって低減される。ある実施形態において、反応速度は少なくとも１０倍上昇する。ある実施形態において、速度は約１０から約１００倍の範囲で上昇する。
【００７８】
ある実施形態において、ＨＳＤ４０は少なくとも４５００フィート／分の先端速度で少なくとも３００Ｌ／ｈを輸送し、先端速度は７９００フィート／分（４０ｍ／ｓ）を超えても良い。電力消費は約１．５ｋＷである。ＨＳＤ４０内の回転せん断ユニット又は回転要素の先端における瞬間的な温度及び圧力の測定は困難であるものの、完全に混合された反応物に見られる局所的な温度は５００℃を超えており、キャビテーション状態における圧力は５００ｋｇ／ｃｍ２を超えると推測される。高せん断混合はミクロン又はサブミクロンサイズの気泡である軽質ガスの分散体をもたらす。ある実施形態において、結果的に得られる分散体は約１．５μｍ未満の平均気泡サイズを有する。したがって、ライン１８を介してＨＳＤ４０から出た分散体はミクロン及び／又はサブミクロンサイズの気泡を有する。ある実施形態において、平均気泡サイズは約０．４μｍから約１．５μｍの範囲である。ある実施形態において、得られる分散体は１μｍ未満の平均気泡サイズを有する。ある実施形態において、平均気泡サイズは約４００ｎｍ未満であり、ある場合には約１００ｎｍであってもよい。多くの実施形態において、分散体は少なくとも１５分にわたって大気圧で分散状態を維持できる。
【００７９】
分散されると、結果的に得られる気体／液体又は気体／液体／固体の分散体は、図１に示されるようにライン１８を介してＨＳＤ４０から出て、容器１０へ入る。ライン１８の分散体は、特定の利用態様において望まれる場合には、容器１０に入る前に任意に追加の処理（加熱／冷却）を経ることができる。容器１０に入る前の反応物の完全な混合の結果、化学反応の大部分がＨＳＤ４０内で起こる。したがって、ある実施形態においては、反応装置／容器１０は加熱と、未反応の軽質ガス及びあらゆる生成物ガスからの液体生成物の分離とのために主に使用される。あるいは又は更に、容器１０は大半の有機生成物が産生される主要反応容器としての役割を担う。例えばある実施形態において、容器１０は触媒の固定層を有する固定層反応装置である。
【００８０】
触媒
触媒が変換反応を促進するために用いられる場合、触媒はスラリー又は触媒ストリームとして例えばライン３を介して容器１０へと導入される。あるいは又は更に、触媒はシステム１００の任意の場所において添加することができる。例えば、触媒スラリーはライン２１へと投入可能である。ある実施形態において、システム１００は閉じたスラリーループを有し、ライン２１は液体媒体、液体生成物、及び／又はライン１６から再循環された触媒を含む。
【００８１】
したがって、方法は水素化触媒の使用を更に含んでもよい。触媒は表１に示されるＭＲ触媒の一つであり、本明細書の以下の実施例３において更に説明される。
【００８２】
【００８３】
ある実施形態において、触媒ＭＲ−３４−１８又はＭＲ−３４−１８ＶＩＩが使用される。触媒は、鉄、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、イリジウム、ニッケル、ランタン、パラジウム、及びプラチナ、又はそれらの組み合わせの少なくともひとつを含む。特定の実施形態において、触媒はルテニウムを含む。触媒は、トリルテニウムドデカカルボニル［Ｒｕ３（ＣＯ）１２］として知られるルテニウムカルボニルを含んでもよい。ある実施形態において、一つの触媒が利用される。ある実施形態において一つより多くの触媒が利用される。例えば本明細書の以下における実施例２−４において説明されるように、トリルテニウムドデカカルボニル及びＭＲ−３４−１８ＶＩＩの両者が本開示に基づいて使用される。ある実施形態において、触媒はパラジウムシリカを含む。
【００８４】
ある実施形態において、触媒は水及び／又は単純なアルカンなどの炭化水素を脱水素化し、それによって（水の場合には）水素及び水酸基のフリーラジカルを形成する。その後、水素ラジカルは二酸化炭素を脱酸素することによって、ラジカルを含有する遊離水素又は他の炭素と自由に反応することができる一酸化炭素を形成する。
【００８５】
本開示のシステム及び方法は、高せん断及び場合によってはキャビテーションを組み合わせることによって、遊離水素ラジカルの発生を導くのみでなく、遊離ヒドロキシルラジカルを生じると共に恐らく二酸化炭素を直接脱酸する可能性を有する状態を作り出す。
【００８６】
開示される方法のある実施形態において、軽質ガス及び水は、水を解裂するための触媒及び／又は二酸化炭素及び／又はアルカンを解裂するための触媒に接触される。そのような触媒は水性ガスシフト反応において一般に用いられる。
【００８７】
水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応は周知の触媒反応であり、特に以下の化学量論に基づく水蒸気（Ｈ２Ｏ）とのＣＯの化学反応によって水素を生成するために使用される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ （１）
前記反応は一般に触媒を利用する。この反応に用いられる一般的な触媒は高温（約３５０℃）における酸化鉄のクロミウムとの組み合わせ、又は低温（約２００℃）における銅及び亜鉛材料の混合物を基にしている。
【００８８】
また、脱水素触媒は、プラチナ族の成分と、周知のスズ成分、ゲルマニウム成分、レニウム成分、及びそれらの混合物からなる群から選択される変性金属成分とを含む多数の触媒組成を含む。例えば、関連する米国特許第3,632,503号、第3,755,481号、及び第3,878,131号は、多孔性の担体物質上にプラチナ族の成分、スズ成分、及びゲルマニウム成分を有する触媒を開示している。また、レニウムを含む化合物もその脱水素化特性のために周知である。
【００８９】
反応条件及び触媒の選択性によって、メタノールなどの単純アルコールが本開示の方法及びシステムによって軽質ガス及び水から直接生成される。高せん断状態において放出された酸素は、単純アルコールを生成するために形成される他のラジカルと反応させるために利用可能である。メタノールからジメチルエーテルが生成可能である。そして、ジメチルエーテルは直接又は従来の燃料と混合して燃料として利用可能である。
【００９０】
二酸化炭素を含有する軽質ガスに対する処理の化学反応全体及びエネルギー収支は式２から１０に示されている。式２から９の反応熱は対応する生成熱から算出されている。（−−ＣＨ２−−）単位において、生成熱はオクタンの生成熱の１／８として算出されている。
【００９１】
理論によって限定されることは望まないが、式８はＣＯ２の脱酸素段階の後に起こると考えられる全ての反応、すなわち段階４−７の平衡方程式と、生じる炭化水素の合計量とを示す。式９は一連の過程において再利用可能な生成された水の凝縮熱を示す。段階２−６の化学平衡全体と一連の過程におけるエネルギー消費の算出される合計は式１０に示される。
【００９２】
容器／反応装置１０は連続又は半連続フローモードで稼働することができ、それは回分モードでも稼働できる。容器１０の内容物は加熱及び／又は冷却機能（例えばヒーターＨ１）及び温度測定器を用いて特定の反応温度に維持可能である。容器１０内の圧力は適切な圧力測定器を用いて監視され、容器内の反応物の水位は水位制御装置（図示しない）を用いて制御可能であり、当業者にとって周知の技術を用いることができる。内容物は例えば攪拌システム３１によって連続的又は半連続的に攪拌可能である。
【００９３】
ある実施形態において、液体媒体、液体生成物、及び任意の触媒を含むライン１６の反応混合物の少なくとも一部はマルチ−パス運転のためにＨＳＤ４０へと再循環される。ライン１６は、ライン１６の少なくとも一部をＨＳＤ４０に再循環するために、ライン２０によってライン２１に流体連結されている。図１に示されるように、伝熱装置Ｈ２はライン２１の温度を制御する役割を担う。
【００９４】
容器１０内の他の気体を伴って未反応の軽質ガスは気体ライン１７を介して容器１０から出る。図１に示されるように、実施形態において、容器１０の上部にできた空間から回収された気体は凝縮装置３０を通される。容器１０からの反応装置ガスの抽出は例えばコンプレッサ５０によって補助される。凝縮装置３０は冷却コイル及び冷却トラップを備えてもよい。凝縮装置３０から出た未凝縮の気体はライン２５を介してコンプレッサ５０へと導入される。圧縮ガスは例えばライン１５を介して再循環される。ライン１５は、コンプレッサ５０からＨＳＤ４０又は独立してライン１３、ライン２２及び／又はライン２３へと注入される圧縮物質を誘導する。凝縮装置３０から出た凝縮された液体生成物２４はシステムから抽出される。ライン２４の凝縮された液体は、例えばその販売又は様々な他の化学生成物への変換のために、当業者に周知の手段によって利用される反応生成物を含む。
【００９５】
温度
ある実施形態において、外部高せん断装置４０による反応物の混合を含む開示される方法の使用は、含酸素物、炭化水素、又はそれらの組み合わせを含む有機生成物への軽質ガスの変換を可能にする。高せん断装置４０内の温度は液体媒体の引火点より低いことが望まれる。ある実施形態において、反応温度は２２０℃未満である。ある実施形態において、稼働条件は約１００℃から約２３０℃の範囲の温度を有する。ある実施形態において、温度は約３０℃から約４０℃である。ある実施形態において、温度は約１６０℃から１８０℃の範囲である。ある特定の実施形態において、反応温度は約１５５℃から約１６０℃の範囲である。ある実施形態において、生成物の性質は容器１０内の温度によって変化し、反応装置の温度は所望される生成物の組成を得るために調整可能である。高温では大量の低分子量物質が生成され、一方で低温では大量の高分子量物質が生成される。
【００９６】
圧力
ある実施形態において、容器１０内の反応圧力は約２０２．６５ｋＰａ（２気圧）から約５．６ＭＰａ−６．１ＭＰａ（５５−６０気圧）の範囲である。ある実施形態において、反応圧力は約８１０．６ｋＰａから約１．５ＭＰａ（８気圧から約１５気圧）の範囲である。ある実施形態において、容器１０は大気圧で又は大気圧近くで稼動される。ある実施形態において、反応圧力は約６８９５ｋＰａ（１０００ｐｓｉ）未満である。又は、ある実施形態において、稼働圧力は約３４４５ｋＰａ（５００ｐｓｉ）未満である。ある実施形態において、稼働圧力は約３１００ｋＰａ（４５０ｐｓｉ）未満である。ある実施形態において、稼働圧力は約１０３０ｋＰａ（１５０ｐｓｉ）未満である。
【００９７】
ある実施例においては、軽質ガスの変換の程度を更に向上することが望まれる。反応圧力の上昇は反応速度を上昇させるが、補助装置と同様に反応装置、パイプ、及びプラントの機械部分を構成する物質の損耗も増加させる。外部高せん断混合によってもたらされる優れた溶解及び／又は分散は、生成物の生産を維持又は増加させつつ稼働圧力の低下を可能にする。
【００９８】
マルチパス稼動
図１に示されるように、容器１０の内容物又はその一部を二回目のパスの間にＨＳＤ４０を通過させることが望まれる場合がある。この場合、ライン１６は示されるようにライン２１に連結されており、ライン１６の内容物の少なくとも一部が容器１０から再循環され、ライン１３及びそこからＨＳＤ４０へとポンプ５によって押し出される。追加の軽質ガスがライン１３に注入されてもよく、又は高せん断装置（図示しない）へと直接添加することも可能である。別の実施形態において、ライン１６の液体の一部が高せん断装置４０へと再循環される前に、ライン１６の生成物は更に処理される（例えば、そこから液体生成物が除去される）ことが可能である。ある実施形態において、液体媒体と二酸化炭素及び／又はアルカンを含む分散性ガスとを高せん断装置４０を通過させ、その後にＨＳＤ４０を通る二回目のパスの間にライン１３へと任意の触媒を添加することが望まれても良い。
【００９９】
複数の高せん断混合装置
ある実施形態において、ＨＳＤ４０のような又は異なるように構成された二つ以上の高せん断装置は直列に配置されており、反応を更に促進するために使用される。それらの稼働は回分又は連続モードで行われる。シングルパス又は「ワンススルー（once through）」処理が望まれる実施例においては、直列に配置された複数の高せん断装置の使用が有益である。例えばある実施形態において、ライン１８の排出分散体は第二の高せん断装置に供給される。複数の高せん断装置４０が直列に稼働される場合、追加の軽質ガスはそれぞれの装置の導入口供給ストリームに注入可能である。一般に望まれないものの、複数の高せん断装置４０が直列に稼働する実施形態においては、容器１０は省略可能である。ある実施形態において、複数の高せん断装置４０は並列に稼働され、そこから出た排出分散体は一つ又は複数の容器１０へと導入される。
【０１００】
生成物／下流処理
気体は気体排出ライン１７を介して容器１０から除去される。ライン１７の気体は、含酸素物及び／又は炭化水素生成物と同様に未反応の軽質ガス、Ｈ２を含む。反応装置の気体排出口１７を介して除去された気体は更に処理可能であり、その成分は再循環される。例えば冷却トラップ３０は、容器１０から出る再循環気体ライン１７中の含酸素物及び／又は炭化水素生成物を凝縮して気体ライン１７から除去するために使用される。ライン２４を介して凝縮装置３０から出た凝縮物ストリームは第一級アルコールを含んでもよい。ある実施形態において、ライン２４の液体生成物凝縮ストリームはメタノールを含む。ある実施形態において、ライン２４の液体生成物凝縮ストリームは５０％を超えるメタノールを含む。ある実施形態において、ライン２４の液体生成物凝縮ストリームは６５％を超えるメタノールを含む。ある実施形態において、ライン２４の液体生成物凝縮ストリームは約６８％のメタノールを含む。ある実施形態において、メタノール及び二酸化炭素はエタノールを含む有機含酸素生成物へと変換される。
【０１０１】
ある利用態様において、冷却トラップ３０からライン２５を介して除去された未変換の軽質ガスは、回収されて高せん断装置４０へ（直接的に又は間接的に）注入される。
【０１０２】
ライン１６の生成物の一部は容器１０から除去可能である。ライン１６の有機生成物は、液体媒体に加えて液状の含酸素物、炭化水素、又はそれらの組み合わせを含む。生成物ストリームは、液体媒体と共に反応中に生成された炭水化物を主に含む。例えばある実施形態において、ライン１６の生成物はポリエチレングリコール中に炭化水素を含む。エタン、ブタン、プロパン、及びペンタンが軽質ガス中に存在する利用態様においては、ライン１６の結果的に得られる生成物は、メタン及び二酸化炭素が用いられた場合よりも高い炭素数を有する生成物を含む。そのような実施例において、ライン１６を介して除去される生成物は、大量の混合された含酸素物及びアルデヒドを含む。
【０１０３】
生成物ライン１６及び／又は凝縮物ライン２４から回収される含酸素物及び／又は炭化水素を含む液体生成物は、当業者に周知であるように、その後に燃料として使用されるか、又は別の化学的方法の原料として利用できる。例えば、本方法によって生成されるメタノールはホルムアルデヒドを形成する方法の原料となる。
【０１０４】
メタンから生成された液体を伴うオイル回収の促進
低ＡＰＩ（粘性の）オイルは、多くの場合において低い流動性のために回収が困難である。今日においては、ＣＯ２、水蒸気及び水の注入を含む様々な技術が低ＡＰＩオイルの回収を補助するために用いられている。石油探鉱において多くの場合、井戸から出る天然ガスは井戸を再加圧することによってオイルの回収を促進するために用いられる。しかしながら、天然ガスの注入は井戸の空間内で移動させることが困難な低ＡＰＩオイルの回収にはほとんど役に立たない。
【０１０５】
開示されるシステム及び方法は油井からの石油系の原油の回収に用いることができ、特に、油（例えば重油）の下げ孔の回収を促進するために有益である。メタンガスは開示されるシステム及び方法によって油井場所においてその場で液体に変換され、油の回収を促進するために使用可能である。
【０１０６】
本開示に基づくある実施形態において、坑口から又は別の態様で利用可能な（メタンを含む）天然ガスは、開示されるシステム及び方法によって液体に変換され、前記液体は井戸の中に沈殿する重油の回収を促進するために井戸の中へと注入される。
【０１０７】
ある実施形態において、メタンを含有する気体から生成されており且つライン１６及び／又は２４においてシステム１００から出た有機含酸素物及び他の液体生成物は、油の回収を促進するために利用される。システム１００は可動式滑材が取付けられたユニット上に組み立てられても良い。そのようなユニットは、離れた場所での気体の変換を可能にし、過剰な気体を燃焼可能である。大きなユニットは、大量の重質原油が回収される場合に用いられる。
【０１０８】
軽質ガスの変換
ある実施形態において、約８０％を超える軽質ガスが開示される方法によって生成物へと変換され、残りの未変換の軽質ガスは反応装置の上部にできた空間に存在する及び／又は液体生成物中に溶解する。ある実施形態において、約９０％を超える軽質ガスは有機生成物へと変換される。ある実施形態において、ほぼ全ての軽質ガスが生成物へと変換される。ある実施形態において、ほぼ全ての軽質ガスが、密閉されたループシステムのマルチパス稼働によって生成物へと変換される。
【０１０９】
ある実施形態において、軽質ガスは二酸化炭素を含み、二酸化炭素の変換は約６０％を超える。ある実施形態において、軽質ガスは二酸化炭素を含み、二酸化炭素の変換は約８０％を超える。ある実施形態において、軽質ガスは二酸化炭素を含み、二酸化炭素の変換は約９０％を超える。ある実施形態において、密閉ループシステムが用いられ、ライン２２及び／又は２３を介して分散性ガス中に供給されたほぼ全ての二酸化炭素は生成物に変換される。
【０１１０】
ある実施形態において、軽質ガスはメタンを含んでおり、メタンの変換は約６０％を超える。ある実施形態において、軽質ガスはメタンを含み、メタンの変換は約８０％を超える。ある実施形態において、軽質ガスはメタンを含み、メタンの変換は約９０％を超える。ある実施形態において、密閉ループシステムが用いられ、高せん断システム１００に供給されたほぼ全てのメタンが生成物に変換される。ある実施形態において、有機含酸素物の生産量は炭化水素の生産量より多い。ある実施形態において、有機含酸素物の収率は約５０％より高い。ある実施形態において、含酸素物の収率は約７０％より高い。
【０１１１】
特徴
高せん断装置４０内で生成されたライン１８の分散体におけるマイクロメータサイズ及び／又はサブマイクロメータサイズの軽質ガスの気泡の表面積の増加は、軽質ガスのより早い及び／又はより完全な変換をもたらす。本明細書において上述されたように、更なる利点は、より低い温度及び圧力で容器１０を稼働することができる特性であり、結果的に運転コスト及び投資コストの削減をもたらす。本発明の利点には、限定されないが、循環時間の短縮、生産量の増加、並びにより小さな反応装置を設計可能であること及び／又はより低い温度及び／又は圧力で反応装置を稼働可能であること及び触媒の減少の可能性による運転コストの減少及び／又は資本コストの減少が含まれる。
【０１１２】
ＨＳＤ４０による反応物の混合の促進の利用は、軽質ガス由来の有機生成物のかなりの量の生産を可能にすることができる。ある実施形態において、混合の促進は処理ストリームの生産量の増加を実現する。ある実施形態において、高せん断混合装置は既存の方法に組み込まれ、それによって生産量の増加（より多くの処理量）を実現できる。単純に反応装置の圧力を上昇させることによって変換の程度を向上しようとするいくつかの方法とは対照的に、外部高せん断混合によってもたらされる優れた分散及び接触は、多くの場合において、生成物の生産を維持又は増加させつつ、全体的な稼働圧の低下を可能にする。
【０１１３】
特定の理論に限定されることは望まないが、高せん断混合のレベル又は程度は物質移動の速度を上昇させるのに十分であり、別の方法ではギブズの自由エネルギー予測に基づいて起こらないと予測される反応を起こすことができる局所的な非理想状態を生じると考えられる。局所的な非理想状態は高せん断装置内で生じ、最も顕著な増加は局所圧であると考えられる温度及び圧力の増加をもたらすと考えられる。高せん断装置内における圧力及び温度の上昇は瞬間的及び局所的であり、高せん断装置を脱すると大半の又は平均のシステムの状態に急速に戻る。ある場合において、高せん断混合装置は、一つ又は複数の反応物をフリーラジカルへと解裂させるのに十分な強さのキャビテーションを誘導し、フリーラジカルは化学反応を増強させるか、又は別の方法において必要とされる条件よりも穏やかな条件で反応を起こすことができる。また、キャビテーションは局所的な乱流及び液体のマイクロ循環（音響流）を生じることによって輸送処理の速度を上昇することができる。化学／物理処理の適用におけるキャビテーション現象の利用の概要は、ゴゲート（Gogate）他の「キャビテーション：技術の展望（Cavitation: A technology on the horizon）」、カレントサイエンス（Current Science）、９１（Ｎｏ．１）：３５−４６（２００６）によって提供される。そのような非理想的な状態において、二酸化炭素及び／又はアルカンは解裂可能であり、水及び／又は単純なアルカン分子はフリーラジカルへと変換される。そして、フリーラジカルは炭化水素及び含酸素物へと改質されることができる。ＨＳＤ４０において、可能な場合は反応性ラジカル化合物を形成するための少なくとも一つの好適な触媒の補助を伴ってアルカンは脱水素され、及び／又は二酸化炭素は分断される。開示されるシステム及び方法は、高せん断の使用によりもたらされる非理想的な状態における変換によって軽質ガスの有用な生成物へのほぼ排出物の無い変換をもたらすことができる。
【０１１４】
ある実施形態において、本明細書に記載されるシステム及び方法は、外部高せん断装置４０を使用せずに従来可能であったものよりも、より小さな及び／又は少ない資本集約的方法の設計を可能にする。開示される方法のある実施形態の潜在的な利点は、既存の方法からの運転コストの低下及び生産量の増加である。
【０１１５】
開示されるシステム及び方法のある実施形態によって得られる代表的なデータが、本明細書の以下において実施例１−５として開示されている。
【０１１６】
実施例
実施例１：触媒調製法
上記の表１における触媒ＭＲ−３４−１８は、７０−８０℃の脱イオン水２００ｍＬに溶解された９グラムのタングステン酸アンモニウム（純度９９．９％、ミズーリ州セントルイスのシグマ−アルドリッチ カンパニー（Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO）から購入）及び１ｇの硝酸ランタン（ニュージャージー州フェアローンのフィッシャー ケミカルズ カンパニー（Fisher Chemicals, Co., Fair Lawn, NJ））を用いて５００ｍＬビーカーで調製された。別のビーカーにおいて、硝酸コバルト（ＩＩ）六水和物（純度９９％、シグマ−アルドリッチから購入）は７０℃で水に溶解された。その後に、二つの溶解した塩溶液は混合されて、アルカリのｐＨにするために１０ｍＬの水酸化アンモニウム（シグマ−アルドリッチ カンパニーのＡ．Ｃ．Ｓ．試薬グレード）と共に３０ｇの酸化マンガン（ＩＶ）（９９％以上の試薬純度、アルドリッチから購入）が添加された。混合物は８０℃に加熱され、形成されたペーストはガラス板へと移されて１２０℃に維持されたオーブンで２−３時間加熱され、それによって酸化マグネシウム上に被覆又は薄い層が形成された。
【０１１７】
乾燥した触媒は焼成のためにるつぼ（crucible）に入れられた。焼成炉は焼成の間、大気でパージされ続けた。炉は、最初に３０分の間３００℃に設定され、その後に５５０℃まで上昇されて２時間維持された。そして、炉の温度は８６０℃まで上昇されて、２４時間維持された。その後、炉は室温まで冷却され、炉から取り出された。触媒は乳鉢で砕かれ、スクリーン＃１０のふるい（約２μｍ及び０．０６６１インチ）を通り抜けるように７トンの圧力をかけられてサイズ調整された。そして、顆粒は１０００℃の不活性状態で８時間焼きなましをされた。室温に冷却することで、触媒は反応装置における使用の準備が整った。
【０１１８】
触媒ＭＲ−３４−１８のＸＲＤは以下の金属酸化物の存在を明らかにした。：Ｍｎ２Ｏ３＝ＭｎＯ＋ＭｎＯ２；Ｎａ２ＷＯ４＝Ｎａ２Ｏ＋ＷＯ３；ＭｎＷＯ４＝ＭｎＯ＋ＷＯ３；及びＣｏＭｎ２Ｏ４＝ＣｏＯ＋ＭｎＯ２
【０１１９】
また、ＭｎＷＯ４及び場合によってはＮａ２ＷＯ４などの他の相も特定された。他の原料が表１に示される組成（すなわち、原子の比率）を有する触媒を生成するために用いられた。これらは、モリブデン酸アンモニウム四水和物とも呼ばれる七モリブデン酸アンモニウム［（ＮＨ４）６Ｍｏ７Ｏ２４・４Ｈ２Ｏ］を含む。
【０１２０】
実施例２−４：メタンの変換
開示されたシステム及び方法による含水素物及び液体炭化水素の生成を評価するために、３６日にわたって実験が行われた。試験の実験記録は本明細書中に別表Ａとして提供されている。実験中の容器１０の温度は、開始した時の１５０℃から実験最終日の約８０℃までの範囲であった。７５００ＲＰＭにおける消費電力計は、容器１０の温度が８０〜１００℃である場合に０．１５ＫＷ／ｈであった。冷却トラップ３０の始動の間における消費電力は０．１７ＫＷ／ｈであった。温度が１４６℃に到達すると、消費電力は０．１４ＫＷ／ｈに低下した。高せん断装置４０における最大のせん断である１０４Ｈｚ（１３５００ＲＰＭ）において、冷却ＰＥＧに対する消費電力は０．２７ＫＷ／ｈであった。温度が約８０℃から１００℃の間である場合、消費電力は０．２４〜０．２５ＫＷ／ｈであった。実施例２−５の実験の間中、別の条件が記載されていない限り、気体混合物は３４５ｋＰａ（５０ｐｓｉｇ）であり、２：１の体積比であるメタン：二酸化炭素を含む。軽質ガスの最も良好な変換は約８５から９０℃の容器１０の温度で観察された。
【０１２１】
実施例２：ルテニウムカルボニルを用いた２：１のメタン：二酸化炭素の高せん断反応
冷却トラップは図１に示されるようにシステム１００内に配置された。５グラムのトリルテニウムカルボニルが１２５℃において１／２ＬのＰＥＧに溶解された。このルテニウムカルボニル／ＰＥＧは１ＬのＰＥＧに添加された。試験開始から三時間後に、ルテニウムカルボニル／ＰＥＧの溶液は一時間かけて容器１０へと投入された。
【０１２２】
液体生成物ＭＢＭ−３３−Ｂ（液体）は冷却トラップの液体２４から回収され、グリコールについて解析された。結果は表２に示されている。
【０１２３】
【０１２４】
実施例３：ルテニウムカルボニルを用いた２：１のメタン：二酸化炭素の高せん断反応
サンプルＭＢＭ３４−２は冷却トラップの気体２５から取り出され、サンプル３４−１は容器１０の生成物液体１６から取り出され、サンプル３４−ＰＥＧは単なる未使用のポリエチレングリコールであった。結果物は炭化水素及びグリコールについて解析され、結果が表３に示されている。
【０１２５】
【０１２６】
サンプルＭＢＭ−３４Ｄ及びＭＢＭ−３４Ｆは、本明細書に添付されている別表Ａに記載されているように、冷却トラップの液体２４から取り出された。その解析の結果は表４に示されている。
【０１２７】
【０１２８】
実施例４：パラフィン系オイル中における２：１のメタン：二酸化炭素及びメタンのみのパラジウムシリカ触媒を用いた高せん断反応
サンプルＭＢＭ−３５Ｂ水及び３５−タグＡ水は、本明細書の以下の別表Ａに示されるように冷却トラップ２４から取り出された。その解析の結果は表５に示されている。
【０１２９】
【０１３０】
サンプルＭＢＭ−３５Ｂ油及びＭＢＭ−３５タグＡ油は、本明細書に添付の別表Ａに示されるように容器１０の液体から取り出された。その解析の結果は表６に示されている。
【０１３１】
【０１３２】
実施例５：高せん断エタン変換
この実施例に対して、実施例２−４で使用されるのと同一の設備構成が利用された。
容器１０における攪拌装置は１０００ＲＰＭで稼働された。高せん断ユニット４０は１３，５００ＲＰＭで稼働された。容器１０は１５０℃及び３４５ｋＰａ（５０ｐｓｉ）に維持された。
【０１３３】
８５０−９５０の平均分子量数Ｍｎを有する６Ｌの融解したポリエチレングリコール（シグマ アルドリッチ）が、２ｋｇのパラジウム触媒（ＳｉＯ２に対して０．５重量％のＰｄ）及び５ｇのトリルテニウムドデカカルボニル（シグマ アルドリッチ）と共に容器１０に入れられた。３つ全てのヒーター（Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）、ギアポンプ５、及びＨＳＤ４０は電源が入れられた。
【０１３４】
システム１００は密閉されてＣＯ２で三度パージされ、（容器１０の上部からＨＳＤ４０の導入口ライン２２へと気体を抽出する）気体コンプレッサの電源が入れられた。およそ２：１の流量比でエタン及びＣＯ２を含む気体原料が容器１０の上部に導入された。同様の稼働が１Ｌの水を容器１０へと注入し又は注入しないで行われた。１２時間後、実験は終了され、サンプルが冷却トラップ３０から取り出されて解析された。結果は表７に示されており、ＭＢＭ３９−Ａの結果は水の注入を伴っておらず、ＭＢＭ３９−ＡＷは水の注入を伴っている。
【０１３５】
【０１３６】
実施例６：高せん断プロパン変換
実施例５に類似の条件及び設備を用いた稼動がエタンの代わりにプロパンガスを用いて行われた。同様の稼働が容器１０への１Ｌの水の注入を伴って又は伴わずに行われた。１２時間後、実験は終了し、サンプルが冷却トラップ３０から取り出されて解析された。結果は表８に示されており、ＭＢＭ３９−Ｂの結果は水を伴っておらず、ＭＢＭ３９−ＢＷは水の注入を伴っている。
【０１３７】
【０１３８】
実施例７：高せん断ブタン変換
実施例５と類似の条件及び設備を用いた稼働がエタンの代わりにブタンガスを用いて行われた。この稼働の間に、存在する有機化合物の水蒸気蒸留を補助するために１Ｌの水が容器１０へと注入された。解析結果は表９に示されている。
【０１３９】
【０１４０】
発明の好適な実施形態が示されて説明されたが、その改良は発明の精神及び教示から逸脱することなく当業者によって行われるであろう。本明細書に記載される実施形態は単なる例示であり、限定することを意図していない。本明細書に開示される発明の多くの変形及び改良は可能であると共に発明の範囲内に位置する。数値の範囲又は限定が明確に記載されている場合、そのように明らかな範囲又は限定は明確に記載される範囲又は限定内に位置する同程度の反復する範囲又は限定を含む（例えば、約１から約１０は２、３、４などを含み、０．１０より大きいは０．１１、０．１２、０．１３などを含む）ことが理解されなければならない。請求項の構成要素に関する用語「任意に（optionally）」の使用は、対象の構成要素が必要である又は必要でないことを意味することを意図している。いずれの選択肢も請求項の範囲内に入ることを意図されている。有する（comprise）、含む（include）、有する（having）などの広い用語の使用は、からなる（consisting of）、基本的に〜からなる（consisting essentially of）、ほぼ〜からなる（comprised substantially of）などの狭い用語の支持をもたらすことが理解されなければならない。
【０１４１】
したがって、保護の範囲は上述の説明によって限定されることは無く、以下の請求項によってのみ限定され、その範囲は請求項の対象の全ての均等物を含む。それぞれ及び全ての請求項は本発明の実施形態として明細書に援用される。したがって、請求項はさらなる説明であり、本発明の好適な実施形態の追加である。本明細書で引用される全ての特許、特許出願、及び刊行物は、それらが本明細書において記載される事項を補完する実施例、手順又は他の詳細を提供する範囲において、参照することによって本明細書に援用される。
【技術分野】
【０００１】
連邦政府によって資金援助を受けた研究又は開発に関する記述
適用なし
【０００２】
本発明は、二酸化炭素及び／又はメタンなどの軽質ガスを炭化水素及び／又は液体含酸素物（oxygenate）へと変換することに関連する。より詳細には、本発明は反応物を高せん断接触させることによって二酸化炭素及び／又はメタンなどの軽質ガスから液体の含酸素物及び／又は炭化水素を生成する装置及び方法に関連する。
【背景技術】
【０００３】
地球温暖化に対する二酸化炭素排出の増加の影響は、環境に対するその影響のために科学者及び政府の大きな懸案事項である。電力源及び熱源としての化石燃料の使用の増加が二酸化炭素排出が増加した主な原因である。化石燃料の燃焼は発熱反応であり、放出されるエネルギーは一般に加熱及び／又は力学的エネルギーなどの他の形態のエネルギーへの変換に用いられる。また、炭化水素の酸化はエチレンの酸化、フィッシャー・トロプシュ反応、及び他の反応などの化学反応において一般的に行われている。炭化水素の燃焼が原因で生じる排出物は、炭化水素の性質によって決まるが、主に二酸化炭素及び水である。大量の二酸化炭素を大気中に放出することは、環境に対する悪影響の原因となると考えられ、これらの悪影響を減少させるために二酸化炭素の排出を低減させようとする取り組みが進められている。
【０００４】
二酸化炭素排出の有害な環境影響に対する実行可能な解決策は、二酸化炭素排出の純減に帰結する。二酸化炭素を隔離する技術は大量のエネルギーを消費し、多くの場合においてエネルギーは化石燃料に由来するため、二酸化炭素の純減はほとんど無い若しくは全く無く、又は更に悪いことには二酸化炭素の産生が増加する。
【０００５】
燃料又は化学原料などの価値のある生成物を産生するために二酸化炭素を再利用することを可能にする方法は、地球温暖化に対する二酸化炭素の噂される影響を低下させる点において非常に有益であろう。製油又は石油化学処理用の原料として輸送及び／又は使用できる液体燃料へと二酸化炭素を変換するための方法を開発することは、更に有益であろう。
【０００６】
メタンは、重要な燃料源であるとともに、産業で用いられる有機反応における重要な構成要素である。天然ガスのメタン成分は約４０体積％から約９５体積％の範囲内で変化する。天然ガスの他の成分には、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン（及び重質炭化水素）、硫化水素、二酸化炭素、ヘリウム及び窒素が含まれる。液状の天然ガスは、０．４１５の密度及び−１６２℃の沸点を有する。したがって、容積に対して小さな表面積の比率を有する非常に大きなタンクを用いた海上輸送を除いて、液体として輸送することには容易に適合できない。多くの場合、天然ガスの大規模な使用は高性能で広範囲に及ぶパイプラインシステムが必要となる。周知の天然ガスの貯蔵槽の大半は、アクセスするのが困難な離れた場所に関連している。多くのこれらの離れた場所にとって、ガスを潜在的な使用者へと運ぶためのパイプラインの敷設は経済的に不可能である。気体を液体に変換することによって離れた場所からメタンを安価に輸送することは、産業界において長い間求められてきた。
【０００７】
メタノールの触媒合成が後に続く第一段階として、合成ガスを産生するために水蒸気改質によってメタンをメタノールへと間接的に変換することは周知の方法である。この二段階の間接合成の技術的な複雑性及び高い費用に加えて、メタノール生成物は限られた市場を有し、そのためにこの方法は離れた場所から天然ガスを利用する実用的な方法を提供できないと思われている。
【０００８】
メタノールをガソリンに接触変換する有効な手段を提供する方法が、米国特許第3,894,107号（バター（Butter）他）に記載されている。ガソリンの市場はメタノールの市場に対して大きく、この方法は現在ニュージーランドで用いられているものの、この方法は複雑であり、その実行可能性はガソリンの代替源を供給する費用が高い状況に限定されると思われる。
【０００９】
気相中で（メタノール又はエタノールなどの）液体化合物へのメタンの部分酸化を行う試みは、関連するフリーラジカルの過程を制御することが困難であるために限定的な成功に留まっている。メタノールはメタンよりも反応性が高いため、二次燃焼によるＣＯ及びＣＯ２の不要な形成が避けられない。大半は金属酸化物である様々な触媒がメタンのメタノールへの部分酸化に関して報告されているが、反応は高温を必要とし、メタンを基にするメタノールの報告された収率はほぼ１０％未満であった。
【００１０】
メタンのメタノールへの変換に関する間接的な手法は、ビエルム（Bjerrum）の米国特許第6,380,444号、ペリアナ（Periana）の米国特許第5,233,133号、及びチャン（Chang）の米国特許第4,543,434号によって報告されている。これらの手法に用いられている一般的な反応システムは、メチルラジカル及び少量の酸を産生するために、メタンから水素原子を解離させる少量のラジカル開始剤（酸）を利用する。いくつかの特許は、（プラチナ又はパラジウムなどの）第ＶＩＩＩ族貴金属触媒及び硫酸などの無機強酸を用いて一段階でメタンを重硫酸メチルに変換可能であることを開示している。他の特許（例えば欧州特許第1,558,353号）はメタノールへのメタンの変換において触媒を利用しない方法を開示している。また、酸を含むクロリン及び他のハロゲンもメタンをメタノール及び他の液体に変換するために同様に利用可能である。これらの方法は、上昇した温度における腐食の問題に直面し、比較的低い収率のメタノールを産生し、不要な副産物を生じる傾向にある。
【００１１】
リチャード（Richards）に与えられた米国特許出願第7,282,603号は、メタンスルホン酸、メタノール及び他の化合物へのメタンの無水処理を開示しており、メタンをメタノールへと変換する過去の手法のいくつかの概説を提供している。リチャードの手法は水の使用又は産生を回避しており、メチルラジカルを生成するためにハロゲンガス又はマーシャル酸（Marshall’s acid）などのラジカル開始剤を利用する。
【００１２】
メタンから液体を産生する既存の方法及び製造施設は、質量流量及び生産収率の限界並びにプラントサイズ及びエネルギー消費の要件などの様々な制約を一般に課せられている。
【００１３】
したがって、当該技術の点から見ると、二酸化炭素及び／又は低分子量のアルカン、特にメタンを価値の高い生成物へと変換することによって環境への二酸化炭素の排出が低減可能な効率的で経済的な方法及びシステム、及び／又は二酸化炭素及び／又はメタンを含む軽質ガスストリームを液体生成物へと変換可能なシステム及び方法が求められている。温室効果ガスの問題は、高せん断反応装置の使用によって二酸化炭素を炭化水素及び／又は含酸素物へと変換する本明細書において開示されているシステム及び方法によって解決される。そのようなシステム及び方法は、稼働温度、圧力及び／又は反応時間の経済的に実施可能な条件を許容する一方で、液体含酸素物の選択性及び収率並びにメタン及び／又は二酸化炭素の変換の増加を実現する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第3,894,107号明細書
【特許文献２】米国特許第4,543,434号明細書
【特許文献３】米国特許第5,233,133号明細書
【特許文献４】米国特許第6,380,444号明細書
【特許文献５】米国特許第7,282,603号明細書
【特許文献６】欧州特許第1,558,353号明細書
【発明の概要】
【００１５】
炭化水素及び／又は有機含酸素物への軽質ガスの変換を改善する高せん断システム及び方法が開示されている。システム及び方法は、従来の燃焼機関を稼働するのに適した炭化水素若しくは炭化水素混合物、又は更なる産業処理若しくは他の商業的使用に適した炭化水素を生成するために使用可能である。また、メタノール又はジメチルエーテルなどの中間産物も本明細書に開示される方法によって産生可能である。ある実施形態における全工程は、２より大きな炭素数である炭化水素、好ましくはＣ５−Ｃ１０の炭化水素及び／又はメタノールなどの含酸素物への二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン及びそれらの組み合わせから選択される気体の変換を含む。別の実施例において、液体炭化水素、主に有機性の含酸素物及び他の液体への（利用可能な天然ガスの主成分である）メタンの直接変換のために、方法は高せん断技術の使用を含む。有機含酸素生成物は主にアルコールを含む。ある実施形態において、有機含酸素生成物はメタノールを含む。ある実施形態において、メタノール及び二酸化炭素はエタノールを含む有機含酸素生成物へと変換される。
【００１６】
本開示は、反応物の完全な接触をもたらし且つ複相の反応物間における化学反応を促進することによって反応原料をフリーラジカルへと解裂させるために、少なくとも一つの高せん断反応装置を用いて二酸化炭素及び／又は少なくとも一つのＣ１−Ｃ５のアルカンを含む軽質ガスから炭化水素及び／又は含酸素物を産生するためのシステム及び方法を提供する。得られる水素及び／又は酸素のラジカルは、二酸化炭素及び／又はアルカンと反応することによって、炭化水素及び／又は含酸素物を含む生成物を産出することができる。高せん断装置は、従来の反応装置及び稼働条件を用いた場合（すなわち、全体的な条件に基づくΔＧが正である場合）に好ましくないであろう反応を好ましくする。
【００１７】
ある実施形態において、方法は水及び二酸化炭素ガスを高せん断反応装置へと供給することを含む。高せん断反応システム内において、水及び二酸化炭素は構成要素へと解離する。次に、構成要素は大きな炭素数（すなわちＣ２＋、好ましくはＣ５−Ｃ１０）の炭化水素及び／又は含酸素物を含む生成物を形成するために再結合する。方法は少なくとも一つの外部高せん断装置の使用を含むことによって、大容量の反応装置を必要とせずに含酸素物及び／又は炭化水素の生成をもたらす。ある実施形態において、水の添加は容器１０内に存在する有機物の水蒸気蒸留（steam stripping）を補助する役割を担う。
【００１８】
本開示の別の側面は、二酸化炭素及び／又はメタン並びに単純な炭化水素などの水素源又は他の炭化水素源から炭化水素及び／又は含酸素物を生成する方法である。また、水は任意に又は追加的に遊離水素ラジカル及びヒドロキシルラジカルの供給源として存在しても良い。方法のある実施形態において、水素源は水、低分子量アルカン、及びそれらの組み合わせから選択される。反応は、脱水素化触媒として作用することが知られている触媒化合物によって触媒される。ある実施形態において、水素源は例えば水素ガス又は単純な気体アルカンからＨＳＤ４０内で解離した水素であり、ライン２１の液体はポリエチレングリコールなどの担体である。
【００１９】
ある実施形態によると、Ｃ２＋の炭化水素、含酸素物及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物を二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン及びメタノールの一つ又は複数である軽質ガスから産生するための方法が示されており、方法は液体原料中に軽質ガスの分散体を形成することを含み、分散体は少なくとも一部が高せん断力を用いて形成されており、液体原料及び軽質ガスの少なくとも一つは水素源である。分散体の形成は、約０．１から約１．５μｍの範囲の平均直径を有する軽質ガスの気泡を生じることを含む。ある実施形態においては、気泡は約０．４μｍ未満の平均直径を有する。
【００２０】
ある実施形態において、高せん断力は少なくとも一つの高せん断装置により生じる。少なくとも一つの高せん断装置は、固定子及び相補的なロータを有する少なくとも一つの生成機を有する。ロータ及び固定子は、約０．０２ｍｍから約３ｍｍの範囲の最小の隙間によって分離されている。ある実施形態において、分散体の形成は５．０ｍ／ｓ（１０００フィート／分）を超えるロータの先端速度を有する。ある実施形態において、分散体の形成は２０ｍ／ｓ（４０００フィート／分）を超えるロータの先端速度を有する。ある実施形態において、少なくとも一つの高せん断装置は少なくとも二つの生成機を備える。分散体の生成は、軽質ガス及び液体原料の混合物に約２０，０００ｓ−１を超えるせん断速度を課すことを含む。高せん断装置は、分散体の形成中にロータの先端において少なくとも約１０３４．２ＭＰａ（１５０，０００ｐｓｉ）の局所圧を生じる。高せん断装置のエネルギー消費は、分散体の形成中に１０００Ｗ／ｍ３を超える。
【００２１】
Ｃ２＋の炭化水素、含酸素物及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物を軽質ガスから生成する方法の実施形態において、分散体は更に触媒を含む。触媒はルテニウムを含んでもよい。触媒は三塩化ルテニウム七水和物を含んでもよい。方法は、触媒層を有する固定層反応装置へと分散体を導入することを含む。触媒の固定層はルテニウムカルボニルを含んでもよい。
【００２２】
本明細書に同様に開示されているものは、液体の含酸素物、Ｃ２＋の炭化水素及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物を産生する方法であり、当該方法は二酸化炭素、メタン、又はその両者を含む軽質ガス及び液体媒体を含有する流体混合物に２０，０００ｓ−１より大きなせん断速度を課すことによって液体の連続相内に軽質ガスの分散体を生成すること、並びに液体の含酸素物、Ｃ２＋の炭化水素、及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物が除去された反応装置へと分散体を導入することを含み、分散体は少なくとも一つの高せん断装置を用いて少なくとも一部が形成されており、少なくとも一つの高せん断装置は液体媒体中に軽質ガスの気泡の分散体を産生するように構成されている。方法は、反応装置による生成物を気体ストリームと液体生成物を含む液体生成物ストリームとに分離すること、及び気体ストリームの少なくとも一部を外部高せん断装置へと再循環することを更に含んでもよい。ある実施形態において、分散体は約０．１から約１．５μｍの範囲の気泡の平均直径を有する。ある実施形態において、分散体は１μｍ未満の気泡の平均直径を有する。分散体は大気圧において少なくとも約１５分間にわたって安定である。ある実施形態において、高せん断装置は少なくとも二つの生成機を備える。分散体は少なくとも一つの触媒を更に含んでもよい。
【００２３】
本明細書に同様に開示されているものは、二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン又はそれらの組み合わせを含む気体を液体の含酸素物、Ｃ２＋の炭化水素、及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物へと変換するためのシステムであり、当該システムは、せん断間隙で分離されたロータ及び固定子を含む少なくとも一つの生成機を備える少なくとも一つの高せん断混合装置と、軽質ガス及び液体媒体を含む混合物を高せん断混合装置へと輸送するよう構成されたポンプとを有し、せん断間隙はロータと固定子との間の最小の隙間であり、高せん断混合装置は２２．９ｍ／ｓ（４，５００フィート／分）を超えるロータの先端速度を生じることが可能である。システムは、少なくとも一つの高せん断装置とポンプとの間に配置された反応装置を更に有することが可能であり、前記反応装置は生成物排出口と少なくとも一つの高せん断装置の分散体排出口から分散体を受容するよう構成された導入口とを有する。少なくとも一つの高せん断装置は少なくとも二つの生成機を有することができる。一つの生成機によってもたらされるせん断速度は、別の生成機によってもたらされるせん断速度より大きくても良い。少なくとも一つの高せん断混合装置は、液体媒体を含む液相中に軽質ガスの気泡の分散体を産生するよう構成されており、分散体は４００ｎｍ未満の気泡の平均直径を有する。少なくとも一つの高せん断混合装置は少なくとも４０．１ｍ／ｓ（７，９００フィート／分）のロータの先端速度を生じることができる。システムは少なくとも二つの高せん断混合装置を有することができる。
【００２４】
システムのある実施形態は、大容量の反応装置を必要とせずに、外部加圧高せん断反応装置を用いることによって二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、メタノール又はそれらの組み合わせを含む気体からの有機液体生成物の産生を実現できる可能性がある。
【００２５】
上述の方法又はシステムのある実施形態は、別の方法で可能な条件よりも好適な時間、温度、及び圧力の条件を提供することができ、それは複相反応の速度を向上することができる。上述の方法又はシステムのある実施形態は、より低い温度及び／又は圧力で稼働し、消費される触媒の単位量あたりの生産物を増加させ、反応時間を短縮し、及び／又は資本費用及び／又は運転費用を減少させることによって、全体的な費用の減少をもたらすことができる。これら及び他の実施形態及び潜在的な利点は、以下の詳細な説明及び図面によって明らかにされる。
【００２６】
本発明の好適な実施形態のより詳細な説明のために、添付の図面が参照される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】外部高せん断分散を含む本開示の実施形態による複相反応システムの図である。
【図２】システムの一実施形態において用いられる複数ステージ式の高せん断装置の長手方向の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本明細書において用いられる場合、用語「分散体（dispersion）」は、相互に容易に混合及び溶解しない少なくとも二つの区別可能な物質（又は「相」）を含む液体混合物を指す。本明細書で用いられる場合、「分散体」は、別の相又は物質の不連続な液滴、気泡、及び／又は粒子をその中に保持する「連続」相（又は「マトリックス」）を含む。したがって、用語「分散体」は液体連続相中に拡散された気泡を有する泡、第一の液体に対して非混和性である第二の液体を含む連続相全体に第一の液体の液滴が分散されているエマルジョン、及び全体に固形粒子が分散されている連続液相を含む。本明細書で用いられる場合、用語「分散体」は全体に気泡が分散している連続液相、全体に固形粒子（例えば固形触媒）が分散している連続液相、連続相にほぼ溶解しない第二の液体の液滴が全体に分散している第一の液体の連続相、並びに固形粒子、非混和性の液滴及び気泡の一つ又は組み合わせが全体に分散している液相を含む。したがって、分散体は組み合わせに選択された物質の性質に応じて、ある場合には（例えば液体／液相である）均質な混合物として、又は（例えば、気体／液体、固体／液体、又は気体／固体／液体である）不均質な混合物として存在する。
【００２９】
用語「含酸素物（oxygenate）」は、酸素を導入された物質を指すために本明細書で用いられる。例えば前記用語は、燃料の燃焼中に生じる一酸化炭素を減少させるためにガソリン添加物として多くの場合に用いられる含酸素燃料と同様に、高オクタンガソリン又はディーゼルなどの燃焼機関を駆動させるのに適した炭化水素を含有するあらゆる酸素を指す。用語「含酸素物」は、限定されないが、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ｎ−プロピルアルコール、ｎ−ブタノール、２−エチルヘキサノール、フルフリルアルコール、ベンジルアルコール、イソブチルアルコール、及びガソリングレードのｔ−ブタノール（ＧＴＢＡ）を含むアルコールベースの含酸素物と同様に、ホルムアルデヒド、ギ酸メチル、及びギ酸などのアルデヒドを含む。
【００３０】
用語「単純なアルカン」及び「低分子量アルカン」は、室温及び大気圧で気体であるメタン、プロパン、及びブタンを含む低炭素数のアルカンを指すために本明細書で用いられる。
【００３１】
本明細書で用いられる場合、用語「軽質ガス」は、二酸化炭素、１から５個の炭素原子を有する単純なアルカン、又はそれらの組み合わせを含む気体を指す。
【００３２】
概説
液体、気体及び固体を含む化学反応の速度は接触時間、温度及び圧力によって決まる。（例えば、固体及び液体；液体及び気体；固体、液体及び気体である）異なる相である二つ以上の物質を反応させることが望まれる場合、反応速度を制御する限定要因の一つには反応物の接触時間が含まれる。不均質に触媒される反応の場合、触媒が別の反応物に触媒作用を及ぼせるように触媒の表面から反応生成物を除去するという更なる律速因子が存在する。多くの場合、反応物及び／又は触媒の接触時間は、化学反応に関与する二つ以上の反応物の接触をもたらす混合によって制御される。
【００３３】
本明細書において説明される外部高せん断装置又は混合装置を有する反応装置アセンブリは物質移動の制限を低下させることができ、それによって反応を動力学的限界により近づけることができる。反応速度が上昇すると、滞留時間は低下し、それによって得られる生産量が増加する。高せん断システム及び方法によって、生産物の収量は増加するであろう。あるいは、既存の方法による生成物の収量が満足できるものである場合、適切な高せん断の導入によって必要な滞留時間を短縮できることは、従来の方法よりも低い温度及び／又は圧力の使用を可能にするであろう。
【００３４】
本発明は、二酸化炭素及び／又は単純なアルカンなどの軽質ガスから炭化水素及び／又は液体含酸素物を含む有機生成物を産出するための革新的な技術を利用する。軽質ガスは液体媒体と完全に混合される。軽質ガス及び液体媒体の少なくとも一つが水素源として機能する。水素源は、例えば水及び／又は炭化水素である。高せん断反応装置及び任意に触媒は反応物をフリーラジカルに解裂し、それらを炭化水素及び含酸素物を含む生成物へと再構成することができる。
【００３５】
システムは、液体炭化水素、有機含酸素物又はそれらの組み合わせを含む生成物へと（主な温室効果ガスである）二酸化炭素及び／又は単純なアルカンを変換するために高せん断技術を使用することを含む。脱水素触媒を伴う二酸化炭素及び／又は軽質ガスの複相変換による炭化水素及び／又は液体含酸素物の産生のための本明細書において開示される方法及びシステムは、外部高せん断機械式装置を用いることによって、高せん断装置内の制御された環境において化学成分の迅速な接触及び混合をもたらすことができる。以下において更に説明されるように、少なくとも一つの高せん断装置の使用は反応に対する物質移動の制限を低減し、結果的に物質移動の速度を上昇させて反応を動力学的限界により近づけることができ、また、別の方法によってはギブズの自由エネルギー予測に基づいて起こらないと予測される反応を起こすことができる局所的な非理想的条件を生じることができる。
【００３６】
軽質ガスから液体を産生するためのシステム
軽質ガスから炭化水素及び／又は液体含酸素物を生成するための高せん断システムは、軽質ガスの変換によって有機含酸素物／炭化水素を生成するための代表的な高せん断システム１００の工程図である図１に関して説明される。代表的なシステムの基本構成要素には、外部高せん断混合装置（ＨＳＤ）４０、容器１０及びポンプ５が含まれる。図１に示されるように、高せん断装置４０は容器／反応装置１０の外部に配置される。これらの構成要素のそれぞれは以下においてより詳細に説明される。ライン２１は液体媒体を導入するためにポンプ５に接続されている。ライン１３はポンプ５をＨＳＤ４０へと接続しており、ライン１８はＨＳＤ４０を容器１０へと接続している。反応物ガス（例えば、二酸化炭素及び／又はメタンガス）を導入するために、一つ又は複数のラインがライン１３へと接続されている。例えば図１の実施形態において、ライン２２及び２３はライン１３に接続されている。あるいは、ライン２２及び／又は２３はＨＳＤ４０の入口に接続されていても良い。ライン１７は、未反応の反応物ガス及び／又は反応生成物ガスを除去するために容器１０に接続されていても良い。生成物排出ライン１６は容器１０から液体を除去するために容器１０に接続される。ある実施形態において、必要に応じてマルチパス（multi-pass）稼働を行うために、生成物ライン１６はライン２１又はライン１３に接続されていても良い。
【００３７】
追加の構成要素は、本明細書の以下の部分で説明される有機生成物の産生のための高せん断処理の説明を読むことによって明らかになるように、方法のいくつかの利用において容器１０、外部高せん断装置４０、及びポンプ５の間に導入可能である。例えば、高せん断システム１００は凝縮装置３０、コンプレッサ５０、供給ポンプ４、高圧ポンプ６、又はそれらの組み合わせを更に有することができる。図１に示されるように、高せん断システム１００は、必要に応じて供給ポンプ４、増圧ポンプ６、又は他のポンプなどの一つ又は複数の追加ポンプを更に有することができる。熱交換器はシステム１００の至るところに配置可能である。ある実施形態において、温度制御装置は容器１０の内部にあるか、又はシステム１００内のライン上に配置される。例えば図１の実施形態において、熱交換器Ｈ１は容器１０に連結されており、熱交換器Ｈ２はライン２１に配置されており、熱交換器Ｈ３はライン１３に配置される。熱交換器は容器１０のライン１６に配置可能であり、容器１０から出る反応生成物の温度を調節するよう機能することができる。
【００３８】
高せん断混合装置
多くの場合において高せん断装置又は高せん断混合装置とも呼ばれる外部高せん断混合装置（ＨＳＤ）４０は、液体媒体及び分散性の軽質ガスを含む導入ストリームをライン１３を介して受容するよう構成されている。あるいは、ＨＳＤ４０は別々の導入ライン（図示しない）を介して液体及び気体の反応物ストリームを受容するよう構成されていても良い。一つの高せん断装置のみが図１に示されているものの、システムのある実施形態は直列又は並列に配置された二つ以上の高せん断混合装置を有することが可能であることが理解されなければならない。ＨＳＤ４０はロータ／固定子の組み合わせを備える一つ又は複数の生成機を利用する機械装置であり、それぞれの組み合わせは固定子とロータとの間に隙間を有する。それぞれの生成機のセットにおけるロータと固定子との間の隙間は固定されていても調節可能であっても良い。ＨＳＤ４０は、高せん断装置を通過する反応混合物中にサブミクロン及びミクロンサイズの気泡を形成可能なように構成されている。高せん断装置はエンクロージャ又はハウジングを有しているため、反応混合物の圧力及び温度は制御可能である。
【００３９】
高せん断混合装置は、それらの流体を混合する能力に基づいて、一般に三つの大まかなクラスに分類される。混合は流体内の粒子又は不均質な種のサイズを減少させる処理である。混合の程度又は完全性に対する一つの測定基準は、混合装置が流体粒子を破砕するために生じる単位体積あたりのエネルギー密度である。クラスは伝達されるエネルギー密度に基づいて区別される。サブミクロンから５０μｍの範囲の粒子サイズである混合物又はエマルジョンを一貫して生成することができる十分なエネルギー密度を有する産業用混合装置の三つのクラスには、均質化バルブシステム、コロイドミル及び高速混合装置が含まれる。均質化バルブシステムと呼ばれる高エネルギー装置の一番目のクラスにおいて、処理される流体は非常に高い圧力下において狭い隙間のバルブを通って低圧環境へと送り出される。バルブを介した圧力勾配と結果的に得られる乱流及びキャビテーションは流体中の粒子を細分化するよう作用する。バルブシステムはミルクの均質化において最も一般的に用いられており、サブミクロンから約１μｍの範囲の平均粒子サイズを得ることができる。
【００４０】
エネルギー密度スペクトルの反対側に位置するのは、低エネルギー装置と呼ばれる三番目のクラスの装置である。これらのシステムは処理される流体の貯蔵槽内において高速で回転するパドル又は流体ロータを通常は有しており、多くの一般的な利用において処理される流体は食品である。これらの低エネルギーシステムは、処理された流体中において２０μｍを超える平均粒子サイズが条件を満たす場合に習慣的に使用される。
【００４１】
流体に伝達される混合エネルギー密度の観点において、低エネルギー装置と均質化バルブシステムとの間に位置するものは、中間エネルギー装置に分類されるコロイドミル及び他の高速ロータ−固定子装置である。一般的なコロイドミルの構成は、一般に０．０２５４ｍｍから１０．１６ｍｍ（０．００１−０．４０インチ）である厳密に制御されたロータ−固定子の隙間によって相補的な液冷固定子から離間されている円錐型又は円盤型のロータを含む。通常、ロータは直接駆動又はベルト機構を介して電気モータによって駆動される。ロータが高速で回転すると、それはロータの外面と固定子の内面との間に流体を送り込み、隙間で生じるせん断力が流体を処理する。適切な調節機構を備える多くのコロイドミルは処理された流体中に０．１−２５μｍの平均粒子サイズを実現する。これらの機能は、化粧品、マヨネーズ、又はシリコン／銀のアマルガム形成などに必要なコロイド及び油／水ベースのエマルジョン処理から屋根用タールの混合を含む様々な利用に対してコロイドミルを適合させる。
【００４２】
先端速度は、単位時間当たりのロータの先端が移動する周方向の距離である。したがって、先端速度はロータの直径と回転数との関数である。（例えば、１分あたりのメートルである）先端速度は、ロータの先端によって辿られる周方向の距離２πＲに（例えば、１分あたりの回転数、ｒｐｍである）回転数をかけることによって算出可能であり、ここでＲはロータの半径である。例えば、コロイドミルは２２．９ｍ／ｓ（４５００フィート／分）を超える先端速度を有することが可能であり、４０ｍ／ｓ（７９００フィート／分）を超えても良い。本開示において用語「高せん断」は、５．１ｍ／ｓ（１０００フィート／分）を超える先端速度を生じることが可能であり且つ反応される生成物のストリームへとエネルギーを伝達するための機械駆動式の外部電源装置を必要とする機械式のロータ固定子装置（例えば、コロイドミル又はロータ−固定子分散装置）を指す。例えばＨＳＤ４０において、２２．９ｍ／ｓ（４５００フィート／分）を超える先端速度が実現可能であり、４０ｍ／ｓ（７９００フィート／分）を超えても良い。ある実施形態において、ＨＳＤ４０は少なくとも２２．９ｍ／ｓ（４５００フィート／分）の先端速度で少なくとも３００Ｌ／ｈを輸送することができる。電力消費は約１．５ｋＷである。ＨＳＤ４０は高い先端速度を非常に小さなせん断間隙と組み合わせることによって、処理される材料に対する激しいせん断を生じることができる。せん断量は流体の粘度によって変わるであろう。したがって、圧力及び温度が上昇した局所領域が高せん断装置の稼動中にロータの先端において生じる。ある場合には、局所的に上昇した圧力は約１０３４．２ＭＰａ（１５０，０００ｐｓｉ）である。ある場合には、局所的に上昇した温度は約５００℃である。ある場合には、これらの局所的な圧力及び温度の上昇は、ナノ又はピコ秒の間持続するであろう。
【００４３】
流体に加わるエネルギー（ｋＷ／Ｌ／分）の概算値はモータのエネルギー（ｋＷ）及び流体の産出量（Ｌ／分）を測定することによって見積もることができる。上述したように、先端速度は反応物に加わる機械力を生じる一つ又は複数の回転要素の先端に関する速度（フィート／分又はｍ／ｓ）である。ある実施形態において、ＨＳＤ４０の消費エネルギーは１０００Ｗ／ｍ３を超える。ある実施形態において、ＨＳＤ４０の消費エネルギーは約３０００Ｗ／ｍ３から約７５００Ｗ／ｍ３の範囲である。
【００４４】
せん断速度は、先端速度をせん断間隙幅（ロータと固定子との間の最小の隙間）によって割ったものである。ＨＳＤ４０内で生じるせん断速度は２０，０００ｓ−１を超えてもよい。ある実施形態において、せん断速度は少なくとも４０，０００ｓ−１である。ある実施形態において、せん断速度は少なくとも１００，０００ｓ−１である。ある実施形態において、せん断速度は少なくとも５００，０００ｓ−１である。ある実施形態において、せん断速度は少なくとも１，０００，０００ｓ−１である。ある実施形態において、せん断速度は少なくとも１，６００，０００ｓ−１である。ある実施形態において、ＨＳＤ４０によって生じるせん断速度は２０，０００ｓ−１から１００，０００ｓ−１の範囲である。例えばある利用形態において、ロータの先端速度は約４０ｍ／ｓ（７９００フィート／分）であり、せん断間隙幅は０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）であり、１，６００，０００ｓ−１のせん断速度を生じる。別の利用形態において、ロータの先端速度は約２２．９ｍ／ｓ（４５００フィート／分）であり、せん断間隙幅は０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）であり、約９０１，６００ｓ−１のせん断速度を生じる。
【００４５】
ＨＳＤ４０は、気体の少なくとも一部がＣ２＋の炭化水素、含酸素物、又はそれらの組み合わせを含む有機生成物へと変換されるような条件において、軽質ガスが通常は非混和性である主要液相（連続相）へと軽質ガスを分散又は輸送することができる。液体媒体は少なくとも一つの水素源（例えば、単純な液体炭化水素又は水）を含む。ある実施形態において、液体媒体は触媒を更に含む。ある実施形態において、ＨＳＤ４０はコロイドミルを有する。好適なコロイドミルは、例えばノースカロライナ州ウィルミントン（Wilmington，NC）のＩＫＡ（登録商標） ワークス インコーポレーテッド（IKA(R) Works，Inc.）及びマサチューセッツ州ウィルミントン（Wilmington，MA）のＡＰＶ ノース アメリカ インコーポレーテッド（APV North America，Inc.）によって製造されている。ある実施例において、ＨＳＤ４０はＩＫＡ（登録商標） ワークス インコーポレーテッドのディスパックス リアクタ（登録商標）（Dispax Reactor(R)）を有する。
【００４６】
高せん断装置は、反応物に加わる機械力を生じる少なくとも一つの回転要素を備える。高せん断装置は、隙間によって離間された少なくとも一つの固定子と少なくとも一つのロータとを有する。例えば、ロータは円錐型又は円盤型であり、相補的形状の固定子から離間されている。ある実施形態において、ロータ及び固定子は複数の周方向に離間した歯を備える。ある実施形態において、固定子は各生成機（ロータ／固定子のセット）のロータと固定子との間に所望のせん断間隙を得るために調節可能である。ロータ及び／又は固定子の歯の間の溝は、乱流を増強させるために交互に並ぶステージにおいて方向を互い違いにすることができる。それぞれの生成機は、必要な回転をもたらすように構成された任意の適切な駆動システムによって駆動可能である。
【００４７】
ある実施形態において、固定子とロータとの間の最小の隙間（せん断間隙幅）は約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）から約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）の範囲である。ある実施形態において、固定子とロータとの間の最小の隙間（せん断間隙幅）は約１．５２ｍｍ（０．０６０インチ）である。ある実施形態において、ロータと固定子との間の最小の隙間（せん断間隙）は少なくとも１．７８ｍｍ（０．０７インチ）である。高せん断装置によって生じるせん断速度は流路に沿った長手方向の位置によって変化しても良い。ある実施形態において、ロータはロータの直径と所望の先端速度とに対応した速度で回転するよう設定される。ある実施形態において、高せん断装置は固定子とロータとの間に固定された隙間（せん断間隙幅）を有する。あるいは、高せん断装置は調節可能な隙間（せん断間隙幅）を有する。
【００４８】
ある実施形態において、ＨＳＤ４０は単一ステージ式の分散チャンバ（すなわち、単一のロータ／固定子の組み合わせ、単一の生成機）を有する。ある実施形態において、高せん断装置４０は複数ステージ式の直列型分散装置であり、複数の生成機を有する。ある実施形態において、ＨＳＤ４０は少なくとも二つの生成機を有する。別の実施形態において、高せん断装置４０は少なくとも三つの高せん断生成機を有する。ある実施形態において、高せん断装置４０は複数ステージ式の混合装置であり、そのため本明細書の以下の部分において更に説明されるように、（上述したように、先端速度に比例し、ロータ／固定子の間隙幅に反比例して変化する）せん断速度は流路に沿った長手方向の位置によって変化する。
【００４９】
ある実施形態において、外部高せん断装置の各ステージは交換可能な混合機を有することによって、柔軟性をもたらす。例えば、ノースカロライナ州ウィルミントンのＩＫＡ（登録商標） ワークス インコーポレーテッド及びマサチューセッツ州ウィルミントンのＡＰＶ ノース アメリカ インコーポレーテッドのＤＲ２０００／４ ディスパックス リアクタ（登録商標）は３ステージ型の分散モジュールを有する。このモジュールは、各ステージにおいて細かい、中間、粗い、及び非常に細かいの選択ができる最大で三つのロータ／固定子の組み合わせ（生成機）を有することができる。このことは、気泡（例えば、軽質ガスの泡）の所望するサイズの狭い分布を有する分散体の形成を可能にする。ある実施形態において、各ステージは非常に細かい生成機を用いて稼働される。ある実施形態において、少なくとも一つの生成機のセットは約５．０ｍｍ（０．２０インチ）より大きなロータ／固定子の最小の隙間（せん断間隙幅）を有する。別の実施形態において、少なくとも一つの生成機のセットは約１．７８ｍｍ（０．０７インチ）より大きなロータ／固定子の最小の隙間を有する。
【００５０】
ここで図２を参照すると、好適な高せん断装置２００の長手方向の断面図が示されている。図２の高せん断装置２００は三つのステージ又はロータ−固定子の組み合わせを備える分散装置である。高せん断装置２００は、三つのステージ又はロータ−固定子の組み合わせ２２０、２３０、及び２４０を備える分散装置である。ロータ−固定子の組み合わせは、限定することなく生成機２２０、２３０、２４０又はステージとして知られている。これらのロータ／固定子のセット又は生成機２２０、２３０及び２４０は駆動シャフト２５０に沿って直列に配置されている。
【００５１】
第一の生成機２２０はロータ２２２及び固定子２２７を有する。第二の生成機２３０はロータ２２３及び固定子２２８を有する。第三の生成機２４０はロータ２２４及び固定子２２９を有する。それぞれの生成機において、ロータは動力２５０によって回転駆動され、矢印２６５によって示されるように軸２６０を中心に回転する。回転方向は、矢印２６５で示される方向の反対（例えば回転軸２６０を中心に時計回りの方向又は反時計回りの方向）であってもよい。固定子２２７、２２８及び２２９は高せん断装置２００の壁部２５５に固定するよう連結されている。
【００５２】
本明細書において上述したように、それぞれの生成機はロータと固定子との間の最小の距離であるせん断間隙幅を有する。図２の実施形態において、第一の生成機２２０は第一のせん断間隙２２５を有し、第二の生成機２３０は第二のせん断間隙２３５を有し、第三の生成機２４０は第三のせん断間隙２４５を有する。ある実施形態において、せん断間隙２２５、２３５、２４５は約０．０２５ｍｍから約１０．０ｍｍの範囲の幅を有する。あるいは、方法は高せん断装置２００の利用を含み、間隙２２５、２３５、２４５は約０．５ｍｍから約２．５ｍｍの範囲の幅を有する。ある実施例において、せん断間隙幅は約１．５ｍｍに維持される。あるいは、せん断間隙２２５、２３５、２４５の幅は生成機２２０、２３０、２４０によって異なる。ある実施例において、第一の生成機２２０のせん断間隙２２５の幅は第二の生成機２３０のせん断間隙２３５の幅よりも大きく、せん断間隙２３５の幅は第三の生成機２４０のせん断間隙２４５の幅よりも大きい。上述したように、各ステージの生成機は交換可能であるため、柔軟性をもたらす。高せん断装置２００は、せん断速度が流れ２６０の方向に沿った長手方向において段階的に増加するよう構成されている。
【００５３】
生成機２２０、２３０、２４０は粗い、中間、細かい、及び非常に細かい性質を有することができる。ロータ２２２、２２３、２２４及び固定子２２７、２２８及び２２９は歯付き構造にすることも可能である。それぞれの生成機は二つ以上のロータ−固定子の歯のセットを有することができる。ある実施形態において、ロータ２２２、２２３、及び２２４はそれぞれのロータの外周近くにおいて周方向に離間した１０個より多くのロータの歯を有する。ある実施形態において、固定子２２７、２２８及び２２９はそれぞれの固定子の外周近くにおいて周方向に離間した１０個より多くの固定子の歯を有する。ある実施形態において、ロータの内径は約１２ｃｍである。ある実施形態において、ロータの直径は約６ｃｍである。ある実施形態において、固定子の外径は約１５ｃｍである。ある実施形態において、固定子の直径は約６．４ｃｍである。ある実施形態において、直径がロータは６０ｍｍであり、固定子は６４ｍｍであるため、約４ｍｍの隙間をもたらす。ある実施形態において、三つのステージのそれぞれは、約０．０２５ｍｍから約４ｍｍのせん断間隙を有する非常に細かい生成機を用いて稼働される。固形粒子が高せん断装置４０を介して輸送される利用形態においては、適切なせん断間隙幅（ロータと固定子との間の最小の隙間）は適切な粒子サイズの減少及び粒子の表面積の増加のために選択される。ある実施形態において、このことは、粒子をせん断して分散することによって固形触媒の表面積を増加させるために有益である。
【００５４】
高せん断装置２００は導入口２０５においてライン１３から反応混合物を受容するよう構成されている。反応混合物は、分散相としての気体と連続相としての液体媒体とを含む。供給ストリームは粒子状の固形触媒成分を更に含んでもよい。導入口２０５に入る供給ストリームは、分散体が形成されるように、生成機２２０、２３０、そして２４０を連続的に通って送られる。分散体は排出口２１０（及び図１のライン１８）を介して高せん断装置２００から出る。各生成機のロータ２２２、２２３、２２４は固定された固定子２２７、２２８、２２９に対して高速で回転することによって、高いせん断速度をもたらす。ロータの回転は、導入口２０５に入る供給ストリームなどの流体をせん断間隙（及び、存在する場合はロータの歯の間の空間並びに固定子の歯の間の空間）を通って外に押し出すことによって、局所的な高せん断状態を作り出す。流体が通過するせん断間隙２２５、２３５及び２４５（及び、存在する場合は、ロータの歯と固定子の歯との間の隙間）において流体に加わる高せん断力は流体を処理し、分散体を形成する。生成物分散体は高せん断排出口２１０（及び図１のライン１８）を介して高せん断装置２００から出る。
【００５５】
生成される分散体は約５μｍ未満の平均気泡サイズを有する。ある実施形態において、ＨＳＤ４０は約１．５μｍ未満の平均気泡サイズを有する分散体を生成する。ある実施形態において、ＨＳＤ４０は１μｍ未満の平均気泡サイズを有する分散体を生成し、気泡は直径がサブミクロンであることが好ましい。ある実施例において、平均気泡サイズは約０．１μｍから約１．０μｍである。ある実施形態において、ＨＳＤ４０は４００ｎｍ未満の平均気泡サイズを有する分散体を生成する。ある実施形態において、ＨＳＤ４０は１００ｎｍ未満の平均気泡サイズを有する分散体を生成する。高せん断装置２００は、少なくとも約１５分間にわたって大気圧で分散状態を維持できる分散された気泡を有する分散体を生成する。
【００５６】
理論によって限定されることはないが、液体に分散されたサブミクロンの粒子又は気泡は主にブラウン運動効果によって移動することが乳化化学において知られている。高せん断装置２００によって形成された生成物分散体中の気泡は（存在する場合には）固形触媒粒子の境界層を通る大きな移動性を有することによって、不均質な反応混合物における反応物の移動の向上により変換反応を更に促進及び加速することができる。
【００５７】
ある実施例において、高せん断装置２００はノースカロライナ州ウィルミントンのＩＫＡ(登録商標) ワークス インコーポレーテッド及びマサチューセッツ州ウィルミントンのＡＰＶ ノース アメリカ インコーポレーテッドのディスパックス リアクタ（登録商標）を有する。様々な導入口／排出口の接続、馬力、先端速度、出力ｒｐｍ、及び流速を有する様々なモデルが使用可能である。高せん断装置の選択は、処理量の必要要件と、高せん断装置２００の排出口２１０から出るライン１８（図１）の分散体における粒子又は気泡の所望サイズとによって決まる。例えばＩＫＡ（登録商標）モデルＤＲ２０００／４は、ベルト駆動、４Ｍ生成機、ＰＴＦＥ密閉リング、２５．４ｍｍ（１インチ）の導入口フランジ用清浄クランプ、１９ｍｍ（３／４インチ）の排出口フランジ用清浄クランプ、２馬力の出力、７９００ｒｐｍの出力速度、（生成機に応じた）約３００−７００Ｌ／ｈの（水の）流動能、９．４−４１ｍ／ｓ（１８５０フィート／分から８０７０フィート／分）の先端速度を有する。
【００５８】
容器
分散されると、分散体は高せん断装置の排出口分散体ライン１８を介して高せん断装置４０から出て、容器１０へと導入される。容器１０は、複相反応が伝播することによって変換反応を行うことができる任意の種類の反応装置を有する。例えば、連続又は半連続性の攪拌タンク反応装置又は一つ若しくは複数の回分式反応装置は直列又は並列に使用可能である。ある実施形態において、容器１０は塔型反応装置である。ある利用形態において、容器１０は管状反応装置であり、別の実施形態においては管状反応装置又は複管反応装置である。
【００５９】
図１において一つ（ライン３）が示されているが、任意の数の反応装置導入口ラインが想定される。導入口ラインは、不均質な触媒を用いたシステムの稼働の間に触媒溶液又はスラリーを受容するために容器１０に接続されても良い。ある実施形態において、水が容器１０に注入されることによって、容器１０の中に存在する有機物の水蒸気蒸留を補助することができる。このように、有機生成物の一部は蒸気を用いて分離され、ライン１６よりもライン１７において容器１０から出る。容器１０は、掃気ガス用の排出ライン１７と生成物ストリーム用の生成物排出ライン１６とを有する。ある実施形態において、容器１０は複数の反応装置生成物ライン１６を有する。
【００６０】
二酸化炭素及び／又は単純な炭化水素の有機含酸素物／炭化水素への変換は、適切な時間、温度及び圧力の条件が存在すればいつでも起こり得る。このため、温度及び圧力の条件が適切である場合には、水素化は図１の工程図のあらゆる場所で起こることができる。高せん断システム１００によって行われる反応は、触媒が反応混合物の他の成分と同一相に存在する均質触媒反応、又は固形触媒を含む不均質触媒反応を含む。循環される触媒が利用される場合、反応は図１に示される容器１０の外側の場所でより起こりやすくなる。それにもかかわらず、分離した反応装置／容器１０は多くの場合において、揮発性反応生成物の分離及び回収並びに未反応の気体の再循環と同様に、滞留時間、攪拌、及び加熱及び／又は冷却を向上させるために望まれる。したがって、ある実施形態においては、高せん断システム１００は少なくとも一つの高せん断装置の下流に容器１０を更に有し、容器の導入口は高せん断装置の分散体排出口と流体連結されている。固定層反応装置１０が使用される場合、反応装置／容器１０は反応が起こるための主要場所となる。
【００６１】
容器１０の排出口ライン１６は、液体生成物を含むライン１６の内容物の一部をＨＳＤ４０へと再循環するために、例えばライン２０を介してライン２１へと流体連結されていても良い。あるいはある実施形態において、別の排出ラインは容器１０をライン２１に連結している。図１において、高せん断システム１００はライン１６の一部を再循環するよう構成されている。この構成は、例えばマルチ−パス稼働に役立つものである。
【００６２】
容器１０は一つ又は複数の以下の構成要素を有する：反応容器設計の分野において周知である攪拌システム、温度制御機能、圧力測定器、温度測定器、一つ又は複数の注入箇所、及び水位制御装置（図示しない）。図１の実施形態に示されるように、容器１０は攪拌システム３１、加熱及び／又は冷却機能Ｈ１、圧力測定器、温度測定器、又はそれらの組み合わせを更に有することができる。例えば、攪拌システム３１はモータ駆動式混合装置を有する。温度制御装置Ｈ１は、例えば加熱マントル又は冷却コイルを有する。あるいは、ある実施形態において変換反応の大部分がＨＳＤ４０内で起こる場合、ある場合には容器１０は貯蔵容器として主に機能する。一般に望まれないものの、以下において更に説明されるように特に複数の高せん断装置／反応装置が直列に使用される場合、ある利用態様において容器１０は省略可能である。
【００６３】
伝熱装置
上述の容器１０の加熱／冷却機能に加えて、処理ストリームを加熱又は冷却するための別の外部又は内部伝熱装置も図１に図示される実施形態の変形形態において想定される。例えば、温度制御は当業者に周知の内部伝熱装置によって容器１０にもたらされる。また、外部加熱及び／又は冷却伝熱装置の使用も想定される。そのような一つ又は複数の伝熱装置に適した場所は、ポンプ５及びＨＳＤ４０の間、ＨＳＤ４０及び容器１０の間、並びにシステム１０がマルチ−パスモードで稼働される場合には容器１０及びポンプ５の間である。そのような伝熱装置の非限定的な例は、当業者に周知であるように、シェル、管、板、及びコイル状の熱交換器である。
【００６４】
図１の高せん断システム１００の実施形態において、三つの熱交換器がシステム全体の温度を制御するために用いられている。伝熱装置Ｈ１は容器１０内の生成物の温度を制御するために用いられる。伝熱装置Ｈ２はライン２１の温度を制御するためにライン２１に配置されている。伝熱装置Ｈ３はライン１３の温度を制御する役割を担っており、結果的にＨＳＤ４０への導入口供給ストリームの温度を制御する。加熱／冷却装置の使用及び構成は、所望の反応を行うことを目的としているため、当業者に周知であるように変更可能である。
【００６５】
ポンプ／冷却トラップ
ポンプ５は連続又は半連続稼動用に構成されており、ＨＳＤ４０及びシステム１００を通る制御された流れを実現するために、２０２．６５ｋＰａ（２気圧）より大きい圧力、或いは３０３．９７５ｋＰａ（３気圧）より大きい圧力をもたらすことができる任意のポンプ装置にすることができる。例えば、ローパー ポンプ カンパニー（Roper Pump Company）（ジョージア州コマース（Commerce Georgia））のローパー１型ギアポンプ（Roper Type 1 gear pump）及びデイトン エレクトリック カンパニー（Dayton Electric Co）（イリノイ州ナイルズ（Niles，IL））のデイトン増圧ポンプ（Dayton Pressure Booster Pump）モデル２Ｐ３７２Ｅは一つの好適なポンプである。ポンプの全ての接触部分はステンレス鋼、例えば３１６ステンレス鋼を含んでもよい。システムのある実施形態において、ポンプ５は約２０２６．５ｋＰａ（２０気圧）より大きな圧力を加えることができる。ある実施形態において、ポンプ５は約０．５から約１ガロン（１．８９から３．７９リットル）／分の液体媒体１２の流速を生じる。ある実施形態において、ポンプ５は約１ガロン／分の液体媒体１２の流速を生じる。
【００６６】
ポンプ５に加えて、一つ又は複数の高圧ポンプ（図示しない）が図１に図示されるシステムに含まれてもよい。例えば、ポンプ５に似た増圧ポンプが容器１０への圧力を増圧するためにＨＳＤ４０と容器１０との間に含まれる。図１の実施形態において、高せん断システム１００は容器１０への圧力を増圧するために高圧ポンプ６を更に有する。ポンプ６が増圧ポンプとして組み込まれる場合、ポンプ５は高せん断ユニットへの圧力を低下させることによってその磨耗を低減させるためにスロットルポンプ／バルブとして使用されてもよい。さらに別の実施例として、コンプレッサ型のポンプが、容器１０からの気体を高せん断装置の導入口へと再循環するためにライン１７及びＨＳＤ４０の間に配置されても良い。
【００６７】
別の実施例として、ポンプ５に似た追加供給ポンプが追加の反応物又は触媒を容器１０へと導入するために含まれてもよい。図１の実施形態においては、例えば追加供給ポンプ４が追加の原料を注入ライン３を介して容器１０へと導入するために用いられる。触媒及び補給流体は、必要に応じて定期的又は連続的に供給ポンプ４及び注入箇所３を介して高せん断システム１００へと加えられる。
【００６８】
図１に示されるように、高せん断システム１００は、例えば再循環ライン１７に配置された凝縮装置３０内に冷却トラップを更に有する。冷却トラップは、再循環ガス１７を冷却容器へと運ぶ役割を担っており、ライン２５のガスはライン１５を介して高せん断装置４０へと注入されるために前記冷却容器からコンプレッサ５０へとパイプで運ばれる。凝縮装置２８は凝縮された生成物（例えば含酸素物及び／又は炭化水素）用の排出ライン２４と、再循環気体ストリーム用の排出ライン２５とを有する。ある実施形態において、凝縮装置３０の冷却トラップは、再循環ポンプ又はコンプレッサ５０の上流の再循環ライン１７から第一級アルコールを除去する役割を担う。再循環ライン１５は、図１に示されるように軽質ガスのＨＳＤ４０への再導入のためにライン１３に流体連結されている。
【００６９】
軽質ガスの変換による有機生成物の産生
高せん断システム１００の稼動が図１を参照して説明される。図１の高せん断システム１００の実施形態に示されるように、ある実施形態においては、システム１００は二つ以上の分散性気体ストリームを有する。例えばある実施形態において、高せん断システム１００は分散性ガスライン２２及び分散性ガスライン２３を有する。軽質ガスを有機生成物へ変換するための運転において、分散性軽質ガスストリームはライン２２及び／又はライン２３を介してシステム１００へと導入され、ライン１３において液体ストリームと混合される。ライン２２及び／又はライン２３の分散性ガス、ライン１５の圧縮再循環流体、及びライン２１の液体媒体は、別々に又は混合ストリームとして外部高せん断装置４０へと導入される。図１に示されるように、ある実施形態において、ライン２２及び／又はライン２３の分散性気体ストリームは（水素源又は水素源及び触媒を含む）液体媒体に導入され、混合された気体／液体（又は気体／液体／固体）ストリームはＨＳＤ４０へと導入される。
【００７０】
ＨＳＤ４０に導入される分散性ガスは軽質ガスを含む。ＨＳＤ４０内で分散される軽質ガスは、メタン、二酸化炭素又はそれらの組み合わせを含む。多くの場合、天然ガス源は追加の気体成分を含み、ライン２２及び／又はライン２３を介してライン１３へと導入される軽質ガスは最大で約１０％の追加気体成分を含む。例えば、追加気体成分はエタン、プロパン、ブタン、ペンタン、メタノール又はそれらの組み合わせである。ある実施形態において、軽質ガスはエタン、プロパン、ブタン、又はそれらの組み合わせを含み、ライン２３の軽質ガスは二酸化炭素を含む。特定の実施形態において、軽質ガスはメタンを含む。ある実施形態において、分散性軽質ガスは二酸化炭素を含む。ある実施形態において、軽質ガスは二酸化炭素及びメタンを含む。ある実施形態において、軽質ガスはメタンと二酸化炭素とを２：１の比率で含む。ある実施形態において、軽質ガスは二酸化炭素、水素、及び一酸化炭素を含む。ある実施形態において、軽質ガスはライン１３へと連続的に供給される。ある実施形態において、分散性軽質ガスの供給速度は約５０ｃｃ／分より速い。あるいは、分散性軽質ガスの供給速度は約８０ｃｃ／分より速い。あるいは、分散性軽質ガスの供給速度は約２３００ｃｃ／分より速い。
【００７１】
液体媒体は様々な種類であってもよい。ライン２１の液体媒体は少なくとも一つの水素源を含む。少なくとも一つの水素源は、水、炭化水素、及びそれらの組み合わせから選択される。ある実施形態において、液体媒体は水、低分子量の液体アルカン、パラフィン系オイル、及びそれらの組み合わせから選択される。パラフィン系オイルは、シェブロン プロダクツ カンパニー（Chevron Products Company）から販売されているパララックスオイル（Paralux oils）などの水素化処理された石油由来のオイル、又は合成パラフィンオイルである。例えば好適な合成パラフィン系オイルには、水素化分解／水素異性化（ＡＰＩ）グループＩＩＩベースオイルと同様にポリアルファオレフィン（ＡＰＩ）グループＩＶベースオイルが含まれる。グループ（ＩＶ）のベースオイルには、ポリ−エチレン−プロピレンの低重量成分などのオイルが含まれる。石油化学系の企業は、水素の存在する加圧条件において原料を高品質のグループＩＩＩ鉱油系潤滑油へと触媒変換することを含む方法を開発してきた。更に、ＧＴＬ（気体から液体（Gas-To-Liquid））合成グループＩＩＩベース原料が利用可能である。液体媒体は臭化リチウムをさらに含むことができる。液体媒体は、その成分が高せん断装置４０内の条件において大部分が引火せずに、その中で液体の状態を維持するように選択されることが望まれる。ある実施形態において、液体媒体はポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を含む。
【００７２】
ある実施形態において、液体媒体及び触媒は容器１０へ導入される前に混合される。例えば、パラフィン系オイル及び（使用される場合は）触媒はユニットを密閉する前に容器１０へと最初に入れられる。ある実施形態において、触媒は攪拌ビーカーにおいて液体媒体へと加えられる。別の実施形態において、液体媒体及び触媒は別々に導入されて反応装置の攪拌装置３１によって容器１０内で混合される。特定の利用形態のために望まれる場合は、追加の反応物は、例えば供給ポンプ４及び容器１０の導入口ライン３を介して容器１０へと添加可能である。任意の数の容器１０の導入口ラインが想定される。その後に、高せん断システム１００は密閉されて容器１０は排気される。ある実施形態において、容器１０は酸素でパージされる。例えば、真空が反応装置ガスライン１７を介してもたらされる。
【００７３】
排気の後に、容器１０内の圧力が所望の範囲に到達するまで分散性軽質ガスが高せん断システム１００へと導入される。ある実施形態において、容器１０内において２０６．８ｋＰａ（３０ｐｓｉ）の圧力が得られるまで、分散性軽質ガスが高せん断装置４０に導入される。次に、高せん断装置４０は稼働状態に移行し、例えば攪拌システム３１による反応装置の攪拌が継続し、高せん断システム１００全体における反応装置の流体の高せん断ポンプ輸送が開始される。この時点において、システムは掃気を伴わない密閉ループであってもよい。
【００７４】
ある実施形態において、分散性軽質ガスは、ライン１３において液体媒体と混合される代わりに、ＨＳＤ４０へと直接供給される。ポンプ５はライン２１を介して液体媒体を送り出し、圧力を高めてＨＳＤ４０へと供給するよう稼働することによって、高せん断装置（ＨＳＤ）４０及び高せん断システム１００全体に制御された流れを供給する。ある実施形態において、ポンプ５はＨＳＤ導入口ストリームの圧力を２０２．６５ｋＰａ（２気圧）を超えるまで、あるいは約３０３．９７５ｋＰａ（３気圧）を超えるまで上昇させる。このように、高せん断システム１００は高せん断を圧力と組み合わせることによって、反応物の完全な混合を促進する。
【００７５】
送り出した後に、軽質ガス及び液体媒体は、液体媒体中に軽質ガスの細かい分散体を形成する役割を担うＨＳＤ４０内で混合される。ＨＳＤ４０内において、軽質ガス及び液体媒体は、溶液への優れた溶解及び反応物混合の促進のために、軽質ガスのナノバブル、サブミクロンサイズの気泡、及び／又はマイクロバブルが形成されるように高度に分散される。例えば、直列に配置されており固定子と組み合わされた三つのロータを備えて構成された三ステージ型の高せん断分散装置である分散装置ＩＫＡ（登録商標）モデルＤＲ２０００／４は、液体媒体中に分散性軽質ガスの分散体を形成するために用いられる。例えば、ロータ／固定子のセットは図２に図示されているように構成される。混合された反応物はライン１３を介して高せん断装置へと入り、第一ステージのロータ／固定子の組み合わせに入る。第一ステージのロータ及び固定子は、周方向に離間した第一ステージのロータの歯及び固定子の歯をそれぞれ有しても良い。第一ステージから出た粗い分散体は第二のロータ／固定子のステージに入る。同様に、第二ステージのロータ及び固定子は周方向に離間したロータの歯及び固定子の歯をそれぞれ有しても良い。第二ステージから出た気泡サイズの低下した分散体は、ロータの歯及び固定子の歯をそれぞれ備えるロータ及び固定子を有する第三ステージのロータ／固定子の組み合わせに入る。分散体はライン１８を介して高せん断装置から出る。ある実施形態において、せん断速度は流れ２６０の方向に沿った長手方向において段階的に増加する。
【００７６】
例えばある実施形態において、第一のロータ／固定子のステージにおけるせん断速度は、後のステージにおけるせん断速度よりも大きい。別の実施形態において、せん断速度は流れの方向に沿ってほぼ一定であり、各ステージにおけるせん断速度はほぼ同一である。
【００７７】
ＨＳＤ４０のロータは、ロータの直径及び所望の先端速度に対応する速度で回転するよう設定される。上述したように、高せん断装置（例えば、コロイドミル又は歯付きリム分散装置）は固定子とロータとの間に固定された隙間を有するか、又は調節可能な隙間を有する。方法のある実施形態において、反応物の輸送抵抗は、反応速度が約５％より大きく上昇するように高せん断装置の稼働によって低減される。方法のある実施形態において、反応物の輸送抵抗は、反応速度が約５倍より大きく上昇するよう高せん断装置の稼働によって低減される。ある実施形態において、反応速度は少なくとも１０倍上昇する。ある実施形態において、速度は約１０から約１００倍の範囲で上昇する。
【００７８】
ある実施形態において、ＨＳＤ４０は少なくとも４５００フィート／分の先端速度で少なくとも３００Ｌ／ｈを輸送し、先端速度は７９００フィート／分（４０ｍ／ｓ）を超えても良い。電力消費は約１．５ｋＷである。ＨＳＤ４０内の回転せん断ユニット又は回転要素の先端における瞬間的な温度及び圧力の測定は困難であるものの、完全に混合された反応物に見られる局所的な温度は５００℃を超えており、キャビテーション状態における圧力は５００ｋｇ／ｃｍ２を超えると推測される。高せん断混合はミクロン又はサブミクロンサイズの気泡である軽質ガスの分散体をもたらす。ある実施形態において、結果的に得られる分散体は約１．５μｍ未満の平均気泡サイズを有する。したがって、ライン１８を介してＨＳＤ４０から出た分散体はミクロン及び／又はサブミクロンサイズの気泡を有する。ある実施形態において、平均気泡サイズは約０．４μｍから約１．５μｍの範囲である。ある実施形態において、得られる分散体は１μｍ未満の平均気泡サイズを有する。ある実施形態において、平均気泡サイズは約４００ｎｍ未満であり、ある場合には約１００ｎｍであってもよい。多くの実施形態において、分散体は少なくとも１５分にわたって大気圧で分散状態を維持できる。
【００７９】
分散されると、結果的に得られる気体／液体又は気体／液体／固体の分散体は、図１に示されるようにライン１８を介してＨＳＤ４０から出て、容器１０へ入る。ライン１８の分散体は、特定の利用態様において望まれる場合には、容器１０に入る前に任意に追加の処理（加熱／冷却）を経ることができる。容器１０に入る前の反応物の完全な混合の結果、化学反応の大部分がＨＳＤ４０内で起こる。したがって、ある実施形態においては、反応装置／容器１０は加熱と、未反応の軽質ガス及びあらゆる生成物ガスからの液体生成物の分離とのために主に使用される。あるいは又は更に、容器１０は大半の有機生成物が産生される主要反応容器としての役割を担う。例えばある実施形態において、容器１０は触媒の固定層を有する固定層反応装置である。
【００８０】
触媒
触媒が変換反応を促進するために用いられる場合、触媒はスラリー又は触媒ストリームとして例えばライン３を介して容器１０へと導入される。あるいは又は更に、触媒はシステム１００の任意の場所において添加することができる。例えば、触媒スラリーはライン２１へと投入可能である。ある実施形態において、システム１００は閉じたスラリーループを有し、ライン２１は液体媒体、液体生成物、及び／又はライン１６から再循環された触媒を含む。
【００８１】
したがって、方法は水素化触媒の使用を更に含んでもよい。触媒は表１に示されるＭＲ触媒の一つであり、本明細書の以下の実施例３において更に説明される。
【００８２】
【００８３】
ある実施形態において、触媒ＭＲ−３４−１８又はＭＲ−３４−１８ＶＩＩが使用される。触媒は、鉄、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、イリジウム、ニッケル、ランタン、パラジウム、及びプラチナ、又はそれらの組み合わせの少なくともひとつを含む。特定の実施形態において、触媒はルテニウムを含む。触媒は、トリルテニウムドデカカルボニル［Ｒｕ３（ＣＯ）１２］として知られるルテニウムカルボニルを含んでもよい。ある実施形態において、一つの触媒が利用される。ある実施形態において一つより多くの触媒が利用される。例えば本明細書の以下における実施例２−４において説明されるように、トリルテニウムドデカカルボニル及びＭＲ−３４−１８ＶＩＩの両者が本開示に基づいて使用される。ある実施形態において、触媒はパラジウムシリカを含む。
【００８４】
ある実施形態において、触媒は水及び／又は単純なアルカンなどの炭化水素を脱水素化し、それによって（水の場合には）水素及び水酸基のフリーラジカルを形成する。その後、水素ラジカルは二酸化炭素を脱酸素することによって、ラジカルを含有する遊離水素又は他の炭素と自由に反応することができる一酸化炭素を形成する。
【００８５】
本開示のシステム及び方法は、高せん断及び場合によってはキャビテーションを組み合わせることによって、遊離水素ラジカルの発生を導くのみでなく、遊離ヒドロキシルラジカルを生じると共に恐らく二酸化炭素を直接脱酸する可能性を有する状態を作り出す。
【００８６】
開示される方法のある実施形態において、軽質ガス及び水は、水を解裂するための触媒及び／又は二酸化炭素及び／又はアルカンを解裂するための触媒に接触される。そのような触媒は水性ガスシフト反応において一般に用いられる。
【００８７】
水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応は周知の触媒反応であり、特に以下の化学量論に基づく水蒸気（Ｈ２Ｏ）とのＣＯの化学反応によって水素を生成するために使用される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ （１）
前記反応は一般に触媒を利用する。この反応に用いられる一般的な触媒は高温（約３５０℃）における酸化鉄のクロミウムとの組み合わせ、又は低温（約２００℃）における銅及び亜鉛材料の混合物を基にしている。
【００８８】
また、脱水素触媒は、プラチナ族の成分と、周知のスズ成分、ゲルマニウム成分、レニウム成分、及びそれらの混合物からなる群から選択される変性金属成分とを含む多数の触媒組成を含む。例えば、関連する米国特許第3,632,503号、第3,755,481号、及び第3,878,131号は、多孔性の担体物質上にプラチナ族の成分、スズ成分、及びゲルマニウム成分を有する触媒を開示している。また、レニウムを含む化合物もその脱水素化特性のために周知である。
【００８９】
反応条件及び触媒の選択性によって、メタノールなどの単純アルコールが本開示の方法及びシステムによって軽質ガス及び水から直接生成される。高せん断状態において放出された酸素は、単純アルコールを生成するために形成される他のラジカルと反応させるために利用可能である。メタノールからジメチルエーテルが生成可能である。そして、ジメチルエーテルは直接又は従来の燃料と混合して燃料として利用可能である。
【００９０】
二酸化炭素を含有する軽質ガスに対する処理の化学反応全体及びエネルギー収支は式２から１０に示されている。式２から９の反応熱は対応する生成熱から算出されている。（−−ＣＨ２−−）単位において、生成熱はオクタンの生成熱の１／８として算出されている。
【００９１】
理論によって限定されることは望まないが、式８はＣＯ２の脱酸素段階の後に起こると考えられる全ての反応、すなわち段階４−７の平衡方程式と、生じる炭化水素の合計量とを示す。式９は一連の過程において再利用可能な生成された水の凝縮熱を示す。段階２−６の化学平衡全体と一連の過程におけるエネルギー消費の算出される合計は式１０に示される。
【００９２】
容器／反応装置１０は連続又は半連続フローモードで稼働することができ、それは回分モードでも稼働できる。容器１０の内容物は加熱及び／又は冷却機能（例えばヒーターＨ１）及び温度測定器を用いて特定の反応温度に維持可能である。容器１０内の圧力は適切な圧力測定器を用いて監視され、容器内の反応物の水位は水位制御装置（図示しない）を用いて制御可能であり、当業者にとって周知の技術を用いることができる。内容物は例えば攪拌システム３１によって連続的又は半連続的に攪拌可能である。
【００９３】
ある実施形態において、液体媒体、液体生成物、及び任意の触媒を含むライン１６の反応混合物の少なくとも一部はマルチ−パス運転のためにＨＳＤ４０へと再循環される。ライン１６は、ライン１６の少なくとも一部をＨＳＤ４０に再循環するために、ライン２０によってライン２１に流体連結されている。図１に示されるように、伝熱装置Ｈ２はライン２１の温度を制御する役割を担う。
【００９４】
容器１０内の他の気体を伴って未反応の軽質ガスは気体ライン１７を介して容器１０から出る。図１に示されるように、実施形態において、容器１０の上部にできた空間から回収された気体は凝縮装置３０を通される。容器１０からの反応装置ガスの抽出は例えばコンプレッサ５０によって補助される。凝縮装置３０は冷却コイル及び冷却トラップを備えてもよい。凝縮装置３０から出た未凝縮の気体はライン２５を介してコンプレッサ５０へと導入される。圧縮ガスは例えばライン１５を介して再循環される。ライン１５は、コンプレッサ５０からＨＳＤ４０又は独立してライン１３、ライン２２及び／又はライン２３へと注入される圧縮物質を誘導する。凝縮装置３０から出た凝縮された液体生成物２４はシステムから抽出される。ライン２４の凝縮された液体は、例えばその販売又は様々な他の化学生成物への変換のために、当業者に周知の手段によって利用される反応生成物を含む。
【００９５】
温度
ある実施形態において、外部高せん断装置４０による反応物の混合を含む開示される方法の使用は、含酸素物、炭化水素、又はそれらの組み合わせを含む有機生成物への軽質ガスの変換を可能にする。高せん断装置４０内の温度は液体媒体の引火点より低いことが望まれる。ある実施形態において、反応温度は２２０℃未満である。ある実施形態において、稼働条件は約１００℃から約２３０℃の範囲の温度を有する。ある実施形態において、温度は約３０℃から約４０℃である。ある実施形態において、温度は約１６０℃から１８０℃の範囲である。ある特定の実施形態において、反応温度は約１５５℃から約１６０℃の範囲である。ある実施形態において、生成物の性質は容器１０内の温度によって変化し、反応装置の温度は所望される生成物の組成を得るために調整可能である。高温では大量の低分子量物質が生成され、一方で低温では大量の高分子量物質が生成される。
【００９６】
圧力
ある実施形態において、容器１０内の反応圧力は約２０２．６５ｋＰａ（２気圧）から約５．６ＭＰａ−６．１ＭＰａ（５５−６０気圧）の範囲である。ある実施形態において、反応圧力は約８１０．６ｋＰａから約１．５ＭＰａ（８気圧から約１５気圧）の範囲である。ある実施形態において、容器１０は大気圧で又は大気圧近くで稼動される。ある実施形態において、反応圧力は約６８９５ｋＰａ（１０００ｐｓｉ）未満である。又は、ある実施形態において、稼働圧力は約３４４５ｋＰａ（５００ｐｓｉ）未満である。ある実施形態において、稼働圧力は約３１００ｋＰａ（４５０ｐｓｉ）未満である。ある実施形態において、稼働圧力は約１０３０ｋＰａ（１５０ｐｓｉ）未満である。
【００９７】
ある実施例においては、軽質ガスの変換の程度を更に向上することが望まれる。反応圧力の上昇は反応速度を上昇させるが、補助装置と同様に反応装置、パイプ、及びプラントの機械部分を構成する物質の損耗も増加させる。外部高せん断混合によってもたらされる優れた溶解及び／又は分散は、生成物の生産を維持又は増加させつつ稼働圧力の低下を可能にする。
【００９８】
マルチパス稼動
図１に示されるように、容器１０の内容物又はその一部を二回目のパスの間にＨＳＤ４０を通過させることが望まれる場合がある。この場合、ライン１６は示されるようにライン２１に連結されており、ライン１６の内容物の少なくとも一部が容器１０から再循環され、ライン１３及びそこからＨＳＤ４０へとポンプ５によって押し出される。追加の軽質ガスがライン１３に注入されてもよく、又は高せん断装置（図示しない）へと直接添加することも可能である。別の実施形態において、ライン１６の液体の一部が高せん断装置４０へと再循環される前に、ライン１６の生成物は更に処理される（例えば、そこから液体生成物が除去される）ことが可能である。ある実施形態において、液体媒体と二酸化炭素及び／又はアルカンを含む分散性ガスとを高せん断装置４０を通過させ、その後にＨＳＤ４０を通る二回目のパスの間にライン１３へと任意の触媒を添加することが望まれても良い。
【００９９】
複数の高せん断混合装置
ある実施形態において、ＨＳＤ４０のような又は異なるように構成された二つ以上の高せん断装置は直列に配置されており、反応を更に促進するために使用される。それらの稼働は回分又は連続モードで行われる。シングルパス又は「ワンススルー（once through）」処理が望まれる実施例においては、直列に配置された複数の高せん断装置の使用が有益である。例えばある実施形態において、ライン１８の排出分散体は第二の高せん断装置に供給される。複数の高せん断装置４０が直列に稼働される場合、追加の軽質ガスはそれぞれの装置の導入口供給ストリームに注入可能である。一般に望まれないものの、複数の高せん断装置４０が直列に稼働する実施形態においては、容器１０は省略可能である。ある実施形態において、複数の高せん断装置４０は並列に稼働され、そこから出た排出分散体は一つ又は複数の容器１０へと導入される。
【０１００】
生成物／下流処理
気体は気体排出ライン１７を介して容器１０から除去される。ライン１７の気体は、含酸素物及び／又は炭化水素生成物と同様に未反応の軽質ガス、Ｈ２を含む。反応装置の気体排出口１７を介して除去された気体は更に処理可能であり、その成分は再循環される。例えば冷却トラップ３０は、容器１０から出る再循環気体ライン１７中の含酸素物及び／又は炭化水素生成物を凝縮して気体ライン１７から除去するために使用される。ライン２４を介して凝縮装置３０から出た凝縮物ストリームは第一級アルコールを含んでもよい。ある実施形態において、ライン２４の液体生成物凝縮ストリームはメタノールを含む。ある実施形態において、ライン２４の液体生成物凝縮ストリームは５０％を超えるメタノールを含む。ある実施形態において、ライン２４の液体生成物凝縮ストリームは６５％を超えるメタノールを含む。ある実施形態において、ライン２４の液体生成物凝縮ストリームは約６８％のメタノールを含む。ある実施形態において、メタノール及び二酸化炭素はエタノールを含む有機含酸素生成物へと変換される。
【０１０１】
ある利用態様において、冷却トラップ３０からライン２５を介して除去された未変換の軽質ガスは、回収されて高せん断装置４０へ（直接的に又は間接的に）注入される。
【０１０２】
ライン１６の生成物の一部は容器１０から除去可能である。ライン１６の有機生成物は、液体媒体に加えて液状の含酸素物、炭化水素、又はそれらの組み合わせを含む。生成物ストリームは、液体媒体と共に反応中に生成された炭水化物を主に含む。例えばある実施形態において、ライン１６の生成物はポリエチレングリコール中に炭化水素を含む。エタン、ブタン、プロパン、及びペンタンが軽質ガス中に存在する利用態様においては、ライン１６の結果的に得られる生成物は、メタン及び二酸化炭素が用いられた場合よりも高い炭素数を有する生成物を含む。そのような実施例において、ライン１６を介して除去される生成物は、大量の混合された含酸素物及びアルデヒドを含む。
【０１０３】
生成物ライン１６及び／又は凝縮物ライン２４から回収される含酸素物及び／又は炭化水素を含む液体生成物は、当業者に周知であるように、その後に燃料として使用されるか、又は別の化学的方法の原料として利用できる。例えば、本方法によって生成されるメタノールはホルムアルデヒドを形成する方法の原料となる。
【０１０４】
メタンから生成された液体を伴うオイル回収の促進
低ＡＰＩ（粘性の）オイルは、多くの場合において低い流動性のために回収が困難である。今日においては、ＣＯ２、水蒸気及び水の注入を含む様々な技術が低ＡＰＩオイルの回収を補助するために用いられている。石油探鉱において多くの場合、井戸から出る天然ガスは井戸を再加圧することによってオイルの回収を促進するために用いられる。しかしながら、天然ガスの注入は井戸の空間内で移動させることが困難な低ＡＰＩオイルの回収にはほとんど役に立たない。
【０１０５】
開示されるシステム及び方法は油井からの石油系の原油の回収に用いることができ、特に、油（例えば重油）の下げ孔の回収を促進するために有益である。メタンガスは開示されるシステム及び方法によって油井場所においてその場で液体に変換され、油の回収を促進するために使用可能である。
【０１０６】
本開示に基づくある実施形態において、坑口から又は別の態様で利用可能な（メタンを含む）天然ガスは、開示されるシステム及び方法によって液体に変換され、前記液体は井戸の中に沈殿する重油の回収を促進するために井戸の中へと注入される。
【０１０７】
ある実施形態において、メタンを含有する気体から生成されており且つライン１６及び／又は２４においてシステム１００から出た有機含酸素物及び他の液体生成物は、油の回収を促進するために利用される。システム１００は可動式滑材が取付けられたユニット上に組み立てられても良い。そのようなユニットは、離れた場所での気体の変換を可能にし、過剰な気体を燃焼可能である。大きなユニットは、大量の重質原油が回収される場合に用いられる。
【０１０８】
軽質ガスの変換
ある実施形態において、約８０％を超える軽質ガスが開示される方法によって生成物へと変換され、残りの未変換の軽質ガスは反応装置の上部にできた空間に存在する及び／又は液体生成物中に溶解する。ある実施形態において、約９０％を超える軽質ガスは有機生成物へと変換される。ある実施形態において、ほぼ全ての軽質ガスが生成物へと変換される。ある実施形態において、ほぼ全ての軽質ガスが、密閉されたループシステムのマルチパス稼働によって生成物へと変換される。
【０１０９】
ある実施形態において、軽質ガスは二酸化炭素を含み、二酸化炭素の変換は約６０％を超える。ある実施形態において、軽質ガスは二酸化炭素を含み、二酸化炭素の変換は約８０％を超える。ある実施形態において、軽質ガスは二酸化炭素を含み、二酸化炭素の変換は約９０％を超える。ある実施形態において、密閉ループシステムが用いられ、ライン２２及び／又は２３を介して分散性ガス中に供給されたほぼ全ての二酸化炭素は生成物に変換される。
【０１１０】
ある実施形態において、軽質ガスはメタンを含んでおり、メタンの変換は約６０％を超える。ある実施形態において、軽質ガスはメタンを含み、メタンの変換は約８０％を超える。ある実施形態において、軽質ガスはメタンを含み、メタンの変換は約９０％を超える。ある実施形態において、密閉ループシステムが用いられ、高せん断システム１００に供給されたほぼ全てのメタンが生成物に変換される。ある実施形態において、有機含酸素物の生産量は炭化水素の生産量より多い。ある実施形態において、有機含酸素物の収率は約５０％より高い。ある実施形態において、含酸素物の収率は約７０％より高い。
【０１１１】
特徴
高せん断装置４０内で生成されたライン１８の分散体におけるマイクロメータサイズ及び／又はサブマイクロメータサイズの軽質ガスの気泡の表面積の増加は、軽質ガスのより早い及び／又はより完全な変換をもたらす。本明細書において上述されたように、更なる利点は、より低い温度及び圧力で容器１０を稼働することができる特性であり、結果的に運転コスト及び投資コストの削減をもたらす。本発明の利点には、限定されないが、循環時間の短縮、生産量の増加、並びにより小さな反応装置を設計可能であること及び／又はより低い温度及び／又は圧力で反応装置を稼働可能であること及び触媒の減少の可能性による運転コストの減少及び／又は資本コストの減少が含まれる。
【０１１２】
ＨＳＤ４０による反応物の混合の促進の利用は、軽質ガス由来の有機生成物のかなりの量の生産を可能にすることができる。ある実施形態において、混合の促進は処理ストリームの生産量の増加を実現する。ある実施形態において、高せん断混合装置は既存の方法に組み込まれ、それによって生産量の増加（より多くの処理量）を実現できる。単純に反応装置の圧力を上昇させることによって変換の程度を向上しようとするいくつかの方法とは対照的に、外部高せん断混合によってもたらされる優れた分散及び接触は、多くの場合において、生成物の生産を維持又は増加させつつ、全体的な稼働圧の低下を可能にする。
【０１１３】
特定の理論に限定されることは望まないが、高せん断混合のレベル又は程度は物質移動の速度を上昇させるのに十分であり、別の方法ではギブズの自由エネルギー予測に基づいて起こらないと予測される反応を起こすことができる局所的な非理想状態を生じると考えられる。局所的な非理想状態は高せん断装置内で生じ、最も顕著な増加は局所圧であると考えられる温度及び圧力の増加をもたらすと考えられる。高せん断装置内における圧力及び温度の上昇は瞬間的及び局所的であり、高せん断装置を脱すると大半の又は平均のシステムの状態に急速に戻る。ある場合において、高せん断混合装置は、一つ又は複数の反応物をフリーラジカルへと解裂させるのに十分な強さのキャビテーションを誘導し、フリーラジカルは化学反応を増強させるか、又は別の方法において必要とされる条件よりも穏やかな条件で反応を起こすことができる。また、キャビテーションは局所的な乱流及び液体のマイクロ循環（音響流）を生じることによって輸送処理の速度を上昇することができる。化学／物理処理の適用におけるキャビテーション現象の利用の概要は、ゴゲート（Gogate）他の「キャビテーション：技術の展望（Cavitation: A technology on the horizon）」、カレントサイエンス（Current Science）、９１（Ｎｏ．１）：３５−４６（２００６）によって提供される。そのような非理想的な状態において、二酸化炭素及び／又はアルカンは解裂可能であり、水及び／又は単純なアルカン分子はフリーラジカルへと変換される。そして、フリーラジカルは炭化水素及び含酸素物へと改質されることができる。ＨＳＤ４０において、可能な場合は反応性ラジカル化合物を形成するための少なくとも一つの好適な触媒の補助を伴ってアルカンは脱水素され、及び／又は二酸化炭素は分断される。開示されるシステム及び方法は、高せん断の使用によりもたらされる非理想的な状態における変換によって軽質ガスの有用な生成物へのほぼ排出物の無い変換をもたらすことができる。
【０１１４】
ある実施形態において、本明細書に記載されるシステム及び方法は、外部高せん断装置４０を使用せずに従来可能であったものよりも、より小さな及び／又は少ない資本集約的方法の設計を可能にする。開示される方法のある実施形態の潜在的な利点は、既存の方法からの運転コストの低下及び生産量の増加である。
【０１１５】
開示されるシステム及び方法のある実施形態によって得られる代表的なデータが、本明細書の以下において実施例１−５として開示されている。
【０１１６】
実施例
実施例１：触媒調製法
上記の表１における触媒ＭＲ−３４−１８は、７０−８０℃の脱イオン水２００ｍＬに溶解された９グラムのタングステン酸アンモニウム（純度９９．９％、ミズーリ州セントルイスのシグマ−アルドリッチ カンパニー（Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO）から購入）及び１ｇの硝酸ランタン（ニュージャージー州フェアローンのフィッシャー ケミカルズ カンパニー（Fisher Chemicals, Co., Fair Lawn, NJ））を用いて５００ｍＬビーカーで調製された。別のビーカーにおいて、硝酸コバルト（ＩＩ）六水和物（純度９９％、シグマ−アルドリッチから購入）は７０℃で水に溶解された。その後に、二つの溶解した塩溶液は混合されて、アルカリのｐＨにするために１０ｍＬの水酸化アンモニウム（シグマ−アルドリッチ カンパニーのＡ．Ｃ．Ｓ．試薬グレード）と共に３０ｇの酸化マンガン（ＩＶ）（９９％以上の試薬純度、アルドリッチから購入）が添加された。混合物は８０℃に加熱され、形成されたペーストはガラス板へと移されて１２０℃に維持されたオーブンで２−３時間加熱され、それによって酸化マグネシウム上に被覆又は薄い層が形成された。
【０１１７】
乾燥した触媒は焼成のためにるつぼ（crucible）に入れられた。焼成炉は焼成の間、大気でパージされ続けた。炉は、最初に３０分の間３００℃に設定され、その後に５５０℃まで上昇されて２時間維持された。そして、炉の温度は８６０℃まで上昇されて、２４時間維持された。その後、炉は室温まで冷却され、炉から取り出された。触媒は乳鉢で砕かれ、スクリーン＃１０のふるい（約２μｍ及び０．０６６１インチ）を通り抜けるように７トンの圧力をかけられてサイズ調整された。そして、顆粒は１０００℃の不活性状態で８時間焼きなましをされた。室温に冷却することで、触媒は反応装置における使用の準備が整った。
【０１１８】
触媒ＭＲ−３４−１８のＸＲＤは以下の金属酸化物の存在を明らかにした。：Ｍｎ２Ｏ３＝ＭｎＯ＋ＭｎＯ２；Ｎａ２ＷＯ４＝Ｎａ２Ｏ＋ＷＯ３；ＭｎＷＯ４＝ＭｎＯ＋ＷＯ３；及びＣｏＭｎ２Ｏ４＝ＣｏＯ＋ＭｎＯ２
【０１１９】
また、ＭｎＷＯ４及び場合によってはＮａ２ＷＯ４などの他の相も特定された。他の原料が表１に示される組成（すなわち、原子の比率）を有する触媒を生成するために用いられた。これらは、モリブデン酸アンモニウム四水和物とも呼ばれる七モリブデン酸アンモニウム［（ＮＨ４）６Ｍｏ７Ｏ２４・４Ｈ２Ｏ］を含む。
【０１２０】
実施例２−４：メタンの変換
開示されたシステム及び方法による含水素物及び液体炭化水素の生成を評価するために、３６日にわたって実験が行われた。試験の実験記録は本明細書中に別表Ａとして提供されている。実験中の容器１０の温度は、開始した時の１５０℃から実験最終日の約８０℃までの範囲であった。７５００ＲＰＭにおける消費電力計は、容器１０の温度が８０〜１００℃である場合に０．１５ＫＷ／ｈであった。冷却トラップ３０の始動の間における消費電力は０．１７ＫＷ／ｈであった。温度が１４６℃に到達すると、消費電力は０．１４ＫＷ／ｈに低下した。高せん断装置４０における最大のせん断である１０４Ｈｚ（１３５００ＲＰＭ）において、冷却ＰＥＧに対する消費電力は０．２７ＫＷ／ｈであった。温度が約８０℃から１００℃の間である場合、消費電力は０．２４〜０．２５ＫＷ／ｈであった。実施例２−５の実験の間中、別の条件が記載されていない限り、気体混合物は３４５ｋＰａ（５０ｐｓｉｇ）であり、２：１の体積比であるメタン：二酸化炭素を含む。軽質ガスの最も良好な変換は約８５から９０℃の容器１０の温度で観察された。
【０１２１】
実施例２：ルテニウムカルボニルを用いた２：１のメタン：二酸化炭素の高せん断反応
冷却トラップは図１に示されるようにシステム１００内に配置された。５グラムのトリルテニウムカルボニルが１２５℃において１／２ＬのＰＥＧに溶解された。このルテニウムカルボニル／ＰＥＧは１ＬのＰＥＧに添加された。試験開始から三時間後に、ルテニウムカルボニル／ＰＥＧの溶液は一時間かけて容器１０へと投入された。
【０１２２】
液体生成物ＭＢＭ−３３−Ｂ（液体）は冷却トラップの液体２４から回収され、グリコールについて解析された。結果は表２に示されている。
【０１２３】
【０１２４】
実施例３：ルテニウムカルボニルを用いた２：１のメタン：二酸化炭素の高せん断反応
サンプルＭＢＭ３４−２は冷却トラップの気体２５から取り出され、サンプル３４−１は容器１０の生成物液体１６から取り出され、サンプル３４−ＰＥＧは単なる未使用のポリエチレングリコールであった。結果物は炭化水素及びグリコールについて解析され、結果が表３に示されている。
【０１２５】
【０１２６】
サンプルＭＢＭ−３４Ｄ及びＭＢＭ−３４Ｆは、本明細書に添付されている別表Ａに記載されているように、冷却トラップの液体２４から取り出された。その解析の結果は表４に示されている。
【０１２７】
【０１２８】
実施例４：パラフィン系オイル中における２：１のメタン：二酸化炭素及びメタンのみのパラジウムシリカ触媒を用いた高せん断反応
サンプルＭＢＭ−３５Ｂ水及び３５−タグＡ水は、本明細書の以下の別表Ａに示されるように冷却トラップ２４から取り出された。その解析の結果は表５に示されている。
【０１２９】
【０１３０】
サンプルＭＢＭ−３５Ｂ油及びＭＢＭ−３５タグＡ油は、本明細書に添付の別表Ａに示されるように容器１０の液体から取り出された。その解析の結果は表６に示されている。
【０１３１】
【０１３２】
実施例５：高せん断エタン変換
この実施例に対して、実施例２−４で使用されるのと同一の設備構成が利用された。
容器１０における攪拌装置は１０００ＲＰＭで稼働された。高せん断ユニット４０は１３，５００ＲＰＭで稼働された。容器１０は１５０℃及び３４５ｋＰａ（５０ｐｓｉ）に維持された。
【０１３３】
８５０−９５０の平均分子量数Ｍｎを有する６Ｌの融解したポリエチレングリコール（シグマ アルドリッチ）が、２ｋｇのパラジウム触媒（ＳｉＯ２に対して０．５重量％のＰｄ）及び５ｇのトリルテニウムドデカカルボニル（シグマ アルドリッチ）と共に容器１０に入れられた。３つ全てのヒーター（Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）、ギアポンプ５、及びＨＳＤ４０は電源が入れられた。
【０１３４】
システム１００は密閉されてＣＯ２で三度パージされ、（容器１０の上部からＨＳＤ４０の導入口ライン２２へと気体を抽出する）気体コンプレッサの電源が入れられた。およそ２：１の流量比でエタン及びＣＯ２を含む気体原料が容器１０の上部に導入された。同様の稼働が１Ｌの水を容器１０へと注入し又は注入しないで行われた。１２時間後、実験は終了され、サンプルが冷却トラップ３０から取り出されて解析された。結果は表７に示されており、ＭＢＭ３９−Ａの結果は水の注入を伴っておらず、ＭＢＭ３９−ＡＷは水の注入を伴っている。
【０１３５】
【０１３６】
実施例６：高せん断プロパン変換
実施例５に類似の条件及び設備を用いた稼動がエタンの代わりにプロパンガスを用いて行われた。同様の稼働が容器１０への１Ｌの水の注入を伴って又は伴わずに行われた。１２時間後、実験は終了し、サンプルが冷却トラップ３０から取り出されて解析された。結果は表８に示されており、ＭＢＭ３９−Ｂの結果は水を伴っておらず、ＭＢＭ３９−ＢＷは水の注入を伴っている。
【０１３７】
【０１３８】
実施例７：高せん断ブタン変換
実施例５と類似の条件及び設備を用いた稼働がエタンの代わりにブタンガスを用いて行われた。この稼働の間に、存在する有機化合物の水蒸気蒸留を補助するために１Ｌの水が容器１０へと注入された。解析結果は表９に示されている。
【０１３９】
【０１４０】
発明の好適な実施形態が示されて説明されたが、その改良は発明の精神及び教示から逸脱することなく当業者によって行われるであろう。本明細書に記載される実施形態は単なる例示であり、限定することを意図していない。本明細書に開示される発明の多くの変形及び改良は可能であると共に発明の範囲内に位置する。数値の範囲又は限定が明確に記載されている場合、そのように明らかな範囲又は限定は明確に記載される範囲又は限定内に位置する同程度の反復する範囲又は限定を含む（例えば、約１から約１０は２、３、４などを含み、０．１０より大きいは０．１１、０．１２、０．１３などを含む）ことが理解されなければならない。請求項の構成要素に関する用語「任意に（optionally）」の使用は、対象の構成要素が必要である又は必要でないことを意味することを意図している。いずれの選択肢も請求項の範囲内に入ることを意図されている。有する（comprise）、含む（include）、有する（having）などの広い用語の使用は、からなる（consisting of）、基本的に〜からなる（consisting essentially of）、ほぼ〜からなる（comprised substantially of）などの狭い用語の支持をもたらすことが理解されなければならない。
【０１４１】
したがって、保護の範囲は上述の説明によって限定されることは無く、以下の請求項によってのみ限定され、その範囲は請求項の対象の全ての均等物を含む。それぞれ及び全ての請求項は本発明の実施形態として明細書に援用される。したがって、請求項はさらなる説明であり、本発明の好適な実施形態の追加である。本明細書で引用される全ての特許、特許出願、及び刊行物は、それらが本明細書において記載される事項を補完する実施例、手順又は他の詳細を提供する範囲において、参照することによって本明細書に援用される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、及びメタノールの一つ又は複数を含む軽質ガスから、Ｃ２＋の炭化水素、含酸素物、及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物を製造する方法であって、
液体材料中に軽質ガスの分散体を形成する段階
を有し、分散体は少なくとも一部が高せん断力を用いて形成されており、液体材料及び軽質ガスの少なくとも一つが水素源である方法。
【請求項２】
分散体を形成する段階が、約０．１から約１．５μｍの範囲の平均直径を有する軽質ガスの気泡を生じることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
分散体を形成する段階が、軽質ガス及び液体材料の混合物に約２０，０００ｓ−１より大きなせん断速度を課すことを含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
高せん断力は、固定子及び相補的なロータを有する少なくとも一つの生成機を備えた少なくとも一つの高せん断装置によってもたらされる請求項１に記載の方法。
【請求項５】
分散体を形成する段階は、５．０ｍ／ｓ（１０００フィート／分）より大きなロータの先端速度を有する請求項４に記載の方法。
【請求項６】
少なくとも一つの高せん断装置は、分散体の形成中にロータの先端において少なくとも約１０３４．２ＭＰａ（１５０，０００ｐｓｉ）の局所圧力を生じる請求項４に記載の方法。
【請求項７】
少なくとも一つの高せん断装置のエネルギー消費は、分散体の形成中に１０００Ｗ／ｍ３を超える請求項４に記載の方法。
【請求項８】
分散体は更に触媒を含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
触媒はルテニウムを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
触媒層を備える固定層反応装置へと分散体を導入することを更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
液体含酸素物、Ｃ２＋の炭化水素及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物を製造する方法であって、
二酸化炭素、メタン又はその両方を含む軽質ガスと液体媒体とを含む流体混合物に２０，０００ｓ−１より大きなせん断速度を課すことによって液体の連続相中に軽質ガスの分散体を生成する段階と、
反応装置へと分散体を導入する段階と
を有し、分散体は少なくとも一つの高せん断装置を用いて少なくとも一部が形成されており、少なくとも一つの高せん断装置は液体媒体中に軽質ガスの気泡の分散体を生成するよう構成されており、液体含酸素物、Ｃ２＋の炭化水素、及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物が反応装置から除去される方法。
【請求項１２】
気体ストリームと液体生成物を含む液体生成物ストリームとに反応装置生成物を分離する段階と、
気体ストリームの少なくとも一部を外部高せん断装置へと再循環する段階と
を更に有する請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
分散体における軽質ガスの気泡の平均気泡直径が約０．１から約１．５μｍの範囲である請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
分散体は少なくとも一つの触媒をさらに含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン又はそれらの組み合わせを含む軽質ガスを、含酸素物、Ｃ２＋の炭化水素及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物へと変換するシステムであって、
せん断間隙によって分離されたロータ及び固定子を備える少なくとも一つの生成機を有する少なくとも一つの高せん断混合装置と、
軽質ガス及び液体媒体を含む混合物を高せん断混合装置へと輸送するよう構成されたポンプと
を有し、せん断間隙はロータ及び固定子の間の最小の距離であり、高せん断混合装置は２２．９ｍ／ｓ（４，５００フィート／分）より大きなロータの先端速度を生じることができるシステム。
【請求項１６】
少なくとも一つの高せん断混合装置とポンプとの間に配置された反応装置を更に有し、反応装置は生成物排出口と少なくとも一つの高せん断装置の分散体排出口から分散体を受容するよう構成された導入口とを有する請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも一つの高せん断装置は少なくとも二つの生成機を有する請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
一つの生成機のせん断速度が別の生成機のせん断速度より大きい請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
少なくとも一つの高せん断混合装置は、液体媒体を含む液相中に軽質ガスの気泡の分散体を形成するよう構成されており、分散体は４００ｎｍ未満の平均気泡直径を有する請求項１５に記載のシステム。
【請求項２０】
少なくとも二つの高せん断混合装置を有する請求項１５に記載のシステム。
【請求項１】
二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、及びメタノールの一つ又は複数を含む軽質ガスから、Ｃ２＋の炭化水素、含酸素物、及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物を製造する方法であって、
液体材料中に軽質ガスの分散体を形成する段階
を有し、分散体は少なくとも一部が高せん断力を用いて形成されており、液体材料及び軽質ガスの少なくとも一つが水素源である方法。
【請求項２】
分散体を形成する段階が、約０．１から約１．５μｍの範囲の平均直径を有する軽質ガスの気泡を生じることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
分散体を形成する段階が、軽質ガス及び液体材料の混合物に約２０，０００ｓ−１より大きなせん断速度を課すことを含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
高せん断力は、固定子及び相補的なロータを有する少なくとも一つの生成機を備えた少なくとも一つの高せん断装置によってもたらされる請求項１に記載の方法。
【請求項５】
分散体を形成する段階は、５．０ｍ／ｓ（１０００フィート／分）より大きなロータの先端速度を有する請求項４に記載の方法。
【請求項６】
少なくとも一つの高せん断装置は、分散体の形成中にロータの先端において少なくとも約１０３４．２ＭＰａ（１５０，０００ｐｓｉ）の局所圧力を生じる請求項４に記載の方法。
【請求項７】
少なくとも一つの高せん断装置のエネルギー消費は、分散体の形成中に１０００Ｗ／ｍ３を超える請求項４に記載の方法。
【請求項８】
分散体は更に触媒を含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
触媒はルテニウムを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
触媒層を備える固定層反応装置へと分散体を導入することを更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
液体含酸素物、Ｃ２＋の炭化水素及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物を製造する方法であって、
二酸化炭素、メタン又はその両方を含む軽質ガスと液体媒体とを含む流体混合物に２０，０００ｓ−１より大きなせん断速度を課すことによって液体の連続相中に軽質ガスの分散体を生成する段階と、
反応装置へと分散体を導入する段階と
を有し、分散体は少なくとも一つの高せん断装置を用いて少なくとも一部が形成されており、少なくとも一つの高せん断装置は液体媒体中に軽質ガスの気泡の分散体を生成するよう構成されており、液体含酸素物、Ｃ２＋の炭化水素、及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物が反応装置から除去される方法。
【請求項１２】
気体ストリームと液体生成物を含む液体生成物ストリームとに反応装置生成物を分離する段階と、
気体ストリームの少なくとも一部を外部高せん断装置へと再循環する段階と
を更に有する請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
分散体における軽質ガスの気泡の平均気泡直径が約０．１から約１．５μｍの範囲である請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
分散体は少なくとも一つの触媒をさらに含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン又はそれらの組み合わせを含む軽質ガスを、含酸素物、Ｃ２＋の炭化水素及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つを含む生成物へと変換するシステムであって、
せん断間隙によって分離されたロータ及び固定子を備える少なくとも一つの生成機を有する少なくとも一つの高せん断混合装置と、
軽質ガス及び液体媒体を含む混合物を高せん断混合装置へと輸送するよう構成されたポンプと
を有し、せん断間隙はロータ及び固定子の間の最小の距離であり、高せん断混合装置は２２．９ｍ／ｓ（４，５００フィート／分）より大きなロータの先端速度を生じることができるシステム。
【請求項１６】
少なくとも一つの高せん断混合装置とポンプとの間に配置された反応装置を更に有し、反応装置は生成物排出口と少なくとも一つの高せん断装置の分散体排出口から分散体を受容するよう構成された導入口とを有する請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも一つの高せん断装置は少なくとも二つの生成機を有する請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
一つの生成機のせん断速度が別の生成機のせん断速度より大きい請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
少なくとも一つの高せん断混合装置は、液体媒体を含む液相中に軽質ガスの気泡の分散体を形成するよう構成されており、分散体は４００ｎｍ未満の平均気泡直径を有する請求項１５に記載のシステム。
【請求項２０】
少なくとも二つの高せん断混合装置を有する請求項１５に記載のシステム。
【図１】
【図２】
【図２】
【公表番号】特表２０１０−５３１８９１（Ｐ２０１０−５３１８９１Ａ）
【公表日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５１５０７３（Ｐ２０１０−５１５０７３）
【出願日】平成２０年６月２５日（２００８．６．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０６８１７４
【国際公開番号】ＷＯ２００９／００３０３１
【国際公開日】平成２０年１２月３１日（２００８．１２．３１）
【出願人】（５０９２１８６５２）エイチ アール ディー コーポレーション (17)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月２５日（２００８．６．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０６８１７４
【国際公開番号】ＷＯ２００９／００３０３１
【国際公開日】平成２０年１２月３１日（２００８．１２．３１）
【出願人】（５０９２１８６５２）エイチ アール ディー コーポレーション (17)
【Ｆターム（参考）】
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