JP7265571B2 - 炭素化合物の製造装置及び炭素化合物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素化合物の製造装置及び炭素化合物の製造方法に関する。

エタノールアミン、エチレングリコール等の炭素化合物は、液体で運搬が容易であり、様々な化学製品の化学基礎原料として広く用いられている。エタノールアミンは、例えば、洗剤、化粧品、農薬の原料となる。エチレングリコールは、例えば、ポリエチレンテレフタレート、洗剤、医薬品の原料となる。

エタノールアミンは、例えば、酸化エチレンとアンモニアとの反応によって製造される（例えば、特許文献１）。また、エチレングリコールは、例えば、酸化エチレンと水との反応によって製造される（例えば、特許文献２）。酸化エチレンは、例えば、エチレンの気相酸化によって得られる（例えば、特許文献３）。

特許第４２０５９６３号公報 特開昭５４－１２５６０６号公報 特開昭５８－１７４２３８号公報

しかし、従来、これらの炭素化合物からなる化学基礎原料は石油化学工業技術によって製造されており、地球環境への負荷が大きいことから見直しを迫られている。そのため、エタノールアミン、エチレングリコール等の炭素化合物の製造における環境負荷を低減することは意義深いと言える。

本発明は、二酸化炭素からエタノールアミン、エチレングリコール等の炭素化合物を製造でき、環境負荷を低減できる炭素化合物の製造装置及び炭素化合物の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係る炭素化合物の製造装置（例えば、実施形態の炭素化合物の製造装置１００）は、二酸化炭素を回収する回収装置（例えば、実施形態の回収装置１）と、前記回収装置で回収した二酸化炭素を電気化学的に還元する電気化学反応装置（例えば、実施形態の電気化学反応装置２）と、前記電気化学反応装置で二酸化炭素が還元されて生成したエチレンからエタノールアミンを合成するエタノールアミン合成装置（例えば、実施形態のエタノールアミン合成装置４）と、を備え、前記エタノールアミン合成装置は、前記電気化学反応装置の二酸化炭素還元で生成したエチレンと副生した酸素とを反応させて酸化エチレンを得る第１反応器（例えば、実施形態の第１反応器４２）と、前記電気化学反応装置で副生した水素を窒素と反応させてアンモニアを得る第２反応器（例えば、実施形態の第２反応器４３）と、前記第１反応器で得た酸化エチレンと前記第２反応器で得たアンモニアとを反応させてエタノールアミンを得る第３反応器（例えば、実施形態の第３反応器４４）と、を備えている。
（２）本発明の一態様に係る炭素化合物の製造装置（例えば、実施形態の炭素化合物の製造装置２００）は、二酸化炭素を回収する回収装置（例えば、実施形態の回収装置１）と、前記回収装置で回収した二酸化炭素を電気化学的に還元する電気化学反応装置（例えば、実施形態の電気化学反応装置２）と、前記電気化学反応装置で二酸化炭素が還元されて生成したエチレンからエチレングリコールを合成するエチレングリコール合成装置（例えば、実施形態のエチレングリコール合成装置６）と、を備え、前記エチレングリコール合成装置は、前記電気化学反応装置の二酸化炭素還元で生成したエチレンと副生した酸素とを反応させて酸化エチレンを得る第１反応器（例えば、実施形態の第１反応器４２）と、前記酸化エチレンを水と反応させてエチレングリコールを得る第４反応器（例えば、実施形態の第４反応器４５）と、を備えている。
（３）前記回収装置は、二酸化炭素ガスを吸収液と接触させ、二酸化炭素を前記吸収液に吸収させる吸収部（例えば、実施形態の吸収部１２）と、二酸化炭素を吸収した前記吸収液を加熱して二酸化炭素ガスを放出させる放出部（例えば、実施形態の放出部１３）と、を備え、前記電気化学反応装置で生成したエチレンを多量化して増炭する増炭反応装置（例えば、実施形態の増炭反応装置５）をさらに備え、前記放出部は、前記増炭反応装置の多量化反応で発生した熱を利用して前記吸収液を加熱してもよい。
（４）本発明の一態様に係る炭素化合物の製造方法は、二酸化炭素を回収する工程と、回収した二酸化炭素を電気化学的に還元してエチレンを得る工程と、二酸化炭素還元で生成したエチレンと副生した酸素とを反応させて酸化エチレンを得て、二酸化炭素還元で副生した水素を窒素と反応させてアンモニアを得た後、前記酸化エチレンと前記アンモニアを反応させてエタノールアミンを得る工程と、を含む。
（５）本発明の一態様に係る炭素化合物の製造方法は、二酸化炭素を回収する工程と、回収した二酸化炭素を電気化学的に還元してエチレンを得る工程と、二酸化炭素還元で生成したエチレンと副生した酸素とを反応させて酸化エチレンを得た後、前記酸化エチレンを水と反応させてエチレングリコールを得る工程と、を含む。
（６）（４）又は（５）の炭素化合物の製造方法は、二酸化炭素還元で生成したエチレンを多量化する工程をさらに含んでもよい。

（１）～（６）の態様によれば、二酸化炭素からエタノールアミン、エチレングリコール等の炭素化合物を製造でき、環境負荷を低減できる。

実施形態の炭素化合物の製造装置を示したブロック図である。 図１の炭素化合物の製造装置における電気化学反応装置の一例を示した断面図である。 実施形態の炭素化合物の製造装置を示したブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において例示される図の寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

［第１の実施形態］
（炭素化合物の製造装置）
図１に示すように、本発明の一態様に係る炭素化合物の製造装置１００（以下、単に「製造装置１００」ともいう。）は、回収装置１と、電気化学反応装置２と、電源貯蔵装置３と、エタノールアミン合成装置４と、増炭反応装置５と、を備えている。回収装置１は、濃縮部１１と、吸収部１２と、放出部１３と、を備えている。電源貯蔵装置３は、変換部３１と、変換部３１と電気的に接続された貯蔵部３２と、を備えている。エタノールアミン合成装置４は、分離部４１と、第１反応器４２と、第２反応器４３と、第３反応器４４と、を備えている。増炭反応装置５は、反応器５１と、気液分離器５２と、を備えている。

製造装置１００では、濃縮部１１と吸収部１２はガス流路６１で接続されている。吸収部１２と放出部１３は液流路６２と液流路６３で接続されている。放出部１３と電気化学反応装置２はガス流路６４で接続されている。電気化学反応装置２と分離部４１はガス流路６５で接続されている。電気化学反応装置２と第１反応器４２はガス流路６６で接続されている。分離部４１と第１反応器４２はガス流路６７で接続されている。第１反応器４２と第３反応器４４はガス流路６８で接続されている。分離部４１と第２反応器４３はガス流路６９で接続されている。第２反応器４３と第３反応器４４は液流路７０で接続されている。分離部４１と反応器５１はガス流路７１で接続されている。反応器５１と気液分離器５２はガス流路７２とガス流路７３で接続されている。反応器５１と放出部１３の間には熱媒の循環流路７４が設けられている。濃縮部１１と気液分離器５２はガス流路７５で接続されている。

これら各流路は特に限定されず、公知の配管等を適宜使用できる。ガス流路６１，６４，６９，７１～７３，７５には、コンプレッサー等の送気手段、減圧弁や、圧力計等の計測機器等を適宜設置することができる。また、液流路６２，６３，７０には、ポンプ等の送液手段や、流量計等の計測機器等を適宜設置することができる。

回収装置１は、二酸化炭素を回収する装置である。
濃縮部１１には、大気、排気ガス等の二酸化炭素を含むガスＧ１が供給される。濃縮部１１では、ガスＧ１の二酸化炭素が濃縮される。濃縮部１１としては、二酸化炭素を濃縮できるものであれば公知の濃縮装置を採用でき、例えば、膜に対する透過速度の違いを利用した膜分離装置、化学的又は物理的な吸着、脱離を利用する吸着分離装置を利用できる。なかでも、エネルギー効率の点から、濃縮部１１としては二酸化炭素を分離できる膜分離装置が好ましい。

濃縮部１１で二酸化炭素が濃縮された濃縮ガスＧ２は、ガス流路６１を通じて吸収部１２に送られる。また、濃縮ガスＧ２と分離された分離ガスＧ３は、ガス流路７５を通じて気液分離器５２に送られる。

吸収部１２では、濃縮部１１から供給される濃縮ガスＧ２中の二酸化炭素ガスが吸収液Ａと接触し、二酸化炭素が吸収液Ａに溶解されて吸収される。二酸化炭素ガスと吸収液Ａとを接触させる手法としては、特に限定されず、例えば、吸収液Ａ中に濃縮ガスＧ２を吹き込んでバブリングする手法を例示できる。
吸収液Ａとしては、二酸化炭素を吸収でき、加熱によって二酸化ガスを放出するものであればよく、例えば、エタノールアミンを例示できる。

吸収部１２で二酸化炭素が吸収された吸収液Ｂは、液流路６２を通じて放出部１３へと送られる。放出部１３では、後述の増炭反応装置５の反応器５１で発生した熱を利用して加熱された熱媒Ｎと吸収液Ｂとの熱交換によって吸収液Ｂが加熱され、吸収液Ｂから二酸化炭素ガスＧ３が放出される。放出部１３としては、例えば、公知の熱交換器を使用できる。
放出部１３で放出された二酸化炭素ガスＧ４は、ガス流路６４を通じて電気化学反応装置２へと送られる。

電気化学反応装置２は、二酸化炭素を電気化学的に還元する装置である。図２に示すように、電気化学反応装置２は、カソード２１と、アノード２２と、液流路２３ａを形成するための液流路構造体２３と、ガス流路２４ａが形成されたガス流路構造体２４と、ガス流路２５ａが形成されたガス流路構造体２５と、給電体２６と、給電体２７と、を備えている。

電気化学反応装置２では、給電体２６、ガス流路構造体２４、カソード２１、液流路構造体２３、アノード２２、ガス流路構造体２５、給電体２７がこの順に積層されている。液流路構造体２３には複数のスリットが並列して形成されており、各々のスリットにおけるカソード２１とアノード２２と液流路構造体２３とで囲まれた領域が液流路２３ａになっている。ガス流路構造体２４のカソード２１側には溝が形成されており、その溝のガス流路構造体２４とカソード２１に囲まれた部分がガス流路２４ａとなっている。ガス流路構造体２５のアノード２２側には溝が形成されており、その溝のガス流路構造体２５とアノード２２に囲まれた部分がガス流路２５ａとなっている。

このように、電気化学反応装置２では、カソード２１とアノード２２の間に液流路２３ａが形成され、カソード２１と給電体２６の間にガス流路２４ａが形成され、アノード２２と給電体２７の間にガス流路２５ａが形成されている。給電体２６と給電体２７は、電源貯蔵装置３の貯蔵部３２と電気的に接続されている。また、ガス流路構造体２４とガス流路構造体２５は導電体であり、貯蔵部３２から供給される電力によってカソード２１とアノード２２の間に電圧を印加できるようになっている。

カソード２１は、二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成し、また水を還元して水素を生成する電極である。カソード２１としては、二酸化炭素を電気化学的に還元でき、かつ生成したガス状の炭素化合物と水素がガス流路２４ａまで透過するものであればよく、例えば、ガス拡散層の液流路２３ａ側にカソード触媒層が形成された電極を例示できる。カソード触媒層は、一部がガス拡散層中に入り込んでいてもよい。ガス拡散層とカソード触媒層の間には、ガス拡散層よりも緻密な多孔質層を配置してもよい。

カソード触媒層を形成するカソード触媒としては、二酸化炭素の還元を促進する公知の触媒を使用できる。カソード触媒の具体例としては、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、チタン、カドミウム、亜鉛、インジウム、ガリウム、鉛、錫等の金属、それらの合金や金属間化合物、ルテニウム錯体、レニウム錯体等の金属錯体を例示できる。なかでも、二酸化炭素の還元が促進される点から、銅、パラジウムが好ましく、銅がより好ましい。カソード触媒としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
カソード触媒としては、金属粒子が炭素材料（カーボン粒子、カーボンナノチューブ、グラフェン等）に担持された担持触媒を用いてもよい。

カソード２１のガス拡散層としては、特に限定されず、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロスを例示できる。
カソード２１の製造方法は、特に限定されず、例えば、ガス拡散層の液流路２３ａ側となる面に、カソード触媒を含む液状組成物を塗布して乾燥する方法を例示できる。

アノード２２は、水酸化物イオンを酸化して酸素を生成するための電極である。アノード２２としては、水酸化物イオンを電気化学的に酸化でき、かつ生成した酸素がガス流路２５ａまで透過するものであればよく、例えば、ガス拡散層の液流路２３ａ側にアノード触媒層が形成された電極を例示できる。

アノード触媒層を形成するアノード触媒としては、特に限定されず、公知のアノード触媒を使用できる。具体的には、例えば、白金、パラジウム、ニッケル等の金属、それらの合金や金属間化合物、酸化マンガン、酸化イリジウム、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化スズ、酸化インジウム、酸化ルテニウム、酸化リチウム、酸化ランタン等の金属酸化物、ルテニウム錯体、レニウム錯体等の金属錯体を例示できる。アノード触媒としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

アノード２２のガス拡散層としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロスを例示できる。また、ガス拡散層としては、メッシュ材、パンチング材、多孔体、金属繊維焼結体等の多孔質体を用いてもよい。多孔質体の材質としては、例えば、チタン、ニッケル、鉄等の金属、これらの合金（例えばＳＵＳ）を例示できる。

液流路構造体２３の材質としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂を例示できる。
ガス流路構造体２４，２５の材質としては、例えば、チタン、ＳＵＳ等の金属、カーボンを例示できる。
給電体２６，２７の材質としては、例えば、銅、金、チタン、ＳＵＳ等の金属、カーボンを例示できる。給電体２６，２７としては、銅基材の表面に金メッキ等のメッキ処理を施したものを使用してもよい。

電気化学反応装置２では、液流路２３ａに電解液が流される。液流路２３ａの出口から流出した電解液は、液流路２３ａの入口に戻されて循環するようになっている。放出部１３から供給されてくる二酸化炭素ガスＧ４はガス流路２４ａに流される。そして、カソード２１とアノード２２に電圧が印加されることで、カソード２１において二酸化炭素が以下の反応で電気化学的に還元され、エチレン及び水素が生成する。カソード２１で生成したエチレン及び水素を含むガス状生成物Ｃは、カソード２１のガス拡散層を透過し、ガス流路２４ａから流出し、ガス流路６５を通じて分離部４１に送られる。
ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋２ＯＨ^－
２ＣＯ＋８Ｈ_２Ｏ→Ｃ_２Ｈ_４＋８ＯＨ^－＋２Ｈ_２Ｏ
２Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋２ＯＨ^－

また、カソード２１で生じた水酸化物イオンは電解液中をアノード２２へと移動し、以下の反応で酸化されて酸素が生成する。アノード２２で生成した酸素ガスＤは、アノード２２のガス拡散層を透過し、ガス流路２５ａから流出して、ガス流路６６を通じて第１反応器４２に送られる。
４ＯＨ^－→Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ

電源貯蔵装置３は、電気化学反応装置２に電力を供給する装置である。
変換部３１では、再生可能エネルギーが電気エネルギーに変換される。変換部３１としては、特に限定されず、例えば、風力発電機、太陽光発電機、地熱発電機を例示できる。電源貯蔵装置３が備える変換部３１は、１つであってもよく、２つ以上であってもよい。

貯蔵部３２では、変換部３１で変換された電気エネルギーが貯蔵される。変換した電気エネルギーを貯蔵部３２で貯蔵することで、変換部が発電していない時間帯も電気化学反応装置２に安定して電力を供給できる。また、再生可能エネルギーを利用する場合、一般に電圧変動が大きくなりやすいが、貯蔵部３２で一旦貯蔵することで、電気化学反応装置２に安定した電圧で電力を供給できる。

貯蔵部３２としては、充放電が可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池を例示できる。なかでも、電気化学システムに用いる電解液との相性の点から、ニッケル水素電池が好ましい。

エタノールアミン合成装置４は、電気化学反応装置２で二酸化炭素が還元されて生成したエチレンからエタノールアミンを合成する装置である。
分離部４１では、電気化学反応装置２から供給されるガス状生成物ＣからエチレンガスＥと水素ガスＦが分離される。分離されたエチレンガスＥの一部はガス流路６７を通じて第１反応器４２に送られ、残部はガス流路７２を通じて反応器５１に送られる。

分離部４１としては、エチレンガスＥと水素ガスＦを分離できるものであればよく、例えば、公知の膜分離装置、圧力スイング吸着装置、又は深冷ガス分離装置を例示できる。なかでも、エネルギー効率の点から、膜分離装置が好ましい。

第１反応器４２には、ガス流路６７からエチレンガスＥが供給され、ガス流路６６から酸素ガスＤが供給される。第１反応器４２では、触媒の存在下、酸素ガスを用いてエチレンを気相酸化させ、酸化エチレンを合成する。エチレンの気相酸化に用いる触媒としては、公知の触媒を使用でき、例えば、銀触媒を例示できる。
第１反応器４２としては、特に限定されず、固定床反応器等の公知の反応器を使用できる。

第２反応器４３には、分離部４１で分離された水素ガスＦがガス流路６９を通じて供給される。また、第２反応器４３には窒素ガスが別途供給される。第２反応器４３では、触媒の存在下、水素と窒素の反応によってアンモニアを合成する。アンモニア合成に用いる触媒としては、公知の触媒を使用でき、例えば、ルテニウム触媒、鉄触媒を例示できる。
第２反応器４３としては、特に限定されず、固定床反応器等の公知の反応器を使用できる。

第３反応器４４には、第１反応器４２で合成した酸化エチレンガスＨがガス流路６８を通じて供給され、第２反応器４３で合成したアンモニアＩが液流路７０を通じて供給される。第３反応器４４では、触媒の存在下、酸化エチレンとアンモニアの反応によってエタノールアミンを合成する。酸化エチレンとアンモニアの反応に用いる触媒としては、公知の触媒を使用でき、例えば、ゼオライト触媒を例示できる。
第３反応器４４としては、特に限定されず、固定床反応器等の公知の反応器を使用できる。

増炭反応装置５は、電気化学反応装置２で二酸化炭素が還元されて生成したエチレンを多量化して増炭する装置である。
電気化学反応装置２のカソード２１で生成したガス状生成物Ｃから分離部４１で分離されたエチレンガスＥは、ガス流路７１を通じて反応器５１に送られる。反応器５１では、オレフィン多量化触媒の存在下、エチレンの多量化反応を行う。これにより、例えば、１－ブテン、１－ヘキセン、１－オクテン等の増炭されたオレフィンを製造できる。

オレフィン多量化触媒としては、特に限定されず、多量化反応に用いられる公知の触媒を使用でき、例えば、ゼオライトを用いた固体酸触媒、遷移金属錯体化合物を例示できる。

この例の増炭反応装置５では、反応器５１から流出する多量化反応後の生成ガスＫは、ガス流路７２を通じて気液分離器５２に送られる。炭素数６以上のオレフィンは常温で液体である。そのため、例えば炭素数６以上のオレフィンを目的の炭素化合物とする場合、気液分離器５２の温度を３０℃程度にすることで、炭素数６以上のオレフィン（オレフィン液Ｌ）と炭素数６未満のオレフィン（オレフィンガスＭ）とを容易に気液分離できる。また、気液分離器５２の温度を上げることで、得られるオレフィン液Ｌの炭素数を大きくすることができる。

回収装置１の濃縮部１１に供給するガスＧ１が大気であれば、気液分離器５２における生成ガスＫの冷却には、濃縮部１１からガス流路７５を通じて送られてくる分離ガスＧ３を利用してもよい。例えば冷却管を備える気液分離器５２を用い、冷却管内に分離ガスＧ３を通し、冷却管外に生成ガスＫを通して、冷却管の表面で凝集させてオレフィン液Ｌとする。また、気液分離器５２で分離されたオレフィンガスＭは、エチレン等の未反応成分や、目的のオレフィンよりも炭素数が少ないオレフィンを含むため、ガス流路７３を通じて反応器５１に返送して多量化反応に再利用することができる。

反応器５１におけるエチレンの多量化反応は、供給物質の方が生成物質よりもエンタルピーが高く、反応エンタルピーが負となる発熱反応である。製造装置１００では、増炭反応装置５の反応器５１で発生した反応熱を利用して熱媒Ｎを加熱し、循環流路７４を通じて熱媒Ｎを放出部１３に循環させ、吸収液Ｂの加熱に利用する。

増炭反応装置５は、電気化学反応装置２で生成する水素を利用して、エチレンを多量化して得たオレフィンの水素化反応を行う反応器や、オレフィンやパラフィンの異性化反応を行う反応器をさらに備えていてもよい。オレフィンの多量化には、例えば、分離部４１で分離された水素ガスＦを利用することができる。

（炭素化合物の製造方法）
本発明の一態様に係る炭素化合物の製造方法は、以下の工程（ａ）～（ｃ）を含む方法である。
工程（ａ）：二酸化炭素を回収する。
工程（ｂ）：回収した二酸化炭素を電気化学的に還元してエチレンを得る。
工程（ｃ）：二酸化炭素還元で生成したエチレンと副生した酸素とを反応させて酸化エチレンを得て、二酸化炭素還元で副生した水素を窒素と反応させてアンモニアを得た後、前記酸化エチレンと前記アンモニアを反応させてエタノールアミンを得る。

製造装置１００のように、増炭反応装置をさらに備える製造装置を用いる場合、炭素化合物の製造方法は、工程（ａ）～（ｃ）に加えて、以下の工程（ｄ）をさらに含む。以下、本実施態様に係る炭素化合物の製造方法として、前記した製造装置１００を用いる例について説明する。
工程（ｄ）：二酸化炭素還元で生成したエチレンを多量化する。

工程（ａ）では、まず排気ガス、大気等をガスＧ１として濃縮部１１に供給し、二酸化炭素を濃縮して濃縮ガスＧ２とする。濃縮ガスＧ２の二酸化炭素濃度は、適宜設定することができ、例えば、２５～８５体積％とすることができる。

次いで、濃縮部１１から濃縮ガスＧ２を吸収部１２に供給し、濃縮ガスＧ２を吸収液Ａと接触させ、濃縮ガスＧ２中の二酸化炭素を吸収液Ａに溶解させて吸収させる。二酸化炭素を吸収した吸収液Ｂを放出部１３に送り、反応器５１から供給される熱媒Ｎとの熱交換によって加熱して二酸化炭素ガスＧ４を放出させる。放出された二酸化炭素ガスＧ４は、電気化学反応装置２に供給する。

工程（ｂ）では、電気化学反応装置２の液流路２３ａに電解液を流し、ガス流路２４ａに二酸化炭素ガスＣを流し、電源貯蔵装置３から電気化学反応装置２に電力を供給してカソード２１とアノード２２の間に電圧を印加する。そして、カソード２１で二酸化炭素を電気化学的に還元し、エチレンと水素を含むガス状生成物Ｃを生成させる。ガス状生成物Ｃは、カソード２１のガス拡散層を透過し、ガス流路２４ａから流出し、分離部４１に送られる。また、アノード２２では電解液中の水酸化物イオンが酸化されて酸素ガスＤが発生する。酸素ガスＤは、アノード２２のガス拡散層を透過し、ガス流路２５ａから流出し、第１反応器４２に送られる。

工程（ｃ）では、分離部４１でガス状生成物ＣからエチレンガスＥと水素ガスＦを分離し、エチレンガスＥを第１反応器４２に供給し、水素ガスＦを第２反応器４３に供給する。また、電気化学反応装置２のアノード２２で副生した酸素ガスＤを第１反応器４２に供給する。そして、第１反応器４２において、例えば銀触媒の存在下、酸素ガスを用いてエチレンを気相酸化して酸化エチレンを合成する。エチレンの気相酸化の反応温度は、適宜設定でき、例えば、２００～３００℃とすることができる。

また、第２反応器において、例えばルテニウム触媒の存在下、水素と窒素とを反応させてアンモニアを合成する。アンモニア合成の反応温度は、適宜設定でき、例えば、３００～４００℃とすることができる。アンモニア合成の反応圧力は、適宜設定でき、例えば、３～８ＭＰａとすることができる。

次いで、第１反応器４２で合成した酸化エチレンガスＨと、第２反応器４３で合成したアンモニアＩを第３反応器４４に供給し、例えばゼオライト触媒の存在下、酸化エチレンとアンモニアを反応させてエタノールアミンＪを合成する。エタノールアミン合成の反応温度は、適宜設定でき、例えば、２０～１５０℃とすることができる。エタノールアミン合成の反応圧力は、適宜設定でき、例えば、５～１５ＭＰａとすることができる。

工程（ｄ）では、分離部４１で分離したエチレンガスＥを反応器５１に送り、反応器５１内でオレフィン多量化触媒と気相接触させ、エチレンを多量化する。これにより、エチレンが多量化されたオレフィンが得られる。例えば炭素数６以上のオレフィンを目的の炭素化合物とする場合、反応器５１から出た生成ガスＫを気液分離器５２に送り、３０℃程度まで冷却する。そうすると、目的の炭素数６以上のオレフィン（例えば１－ヘキセン）が液化し、炭素数６未満のオレフィンはガスのままとなるため、オレフィン液ＬとオレフィンガスＭとして容易に分離できる。気液分離するオレフィン液ＫとオレフィンガスＭの炭素数は、気液分離の温度によって調節できる。

気液分離後のオレフィンガスＭは、反応器５１に返送して多層化反応に再利用することができる。このように、目的のオレフィンよりも炭素数が少ないオレフィンを反応器５１と気液分離器５２の間で循環させる場合、反応器５１では原料ガス（エチレンガスＥとオレフィンガスＭとの混合ガス）と触媒との接触時間を調節し、各分子が平均１回の多層化反応を起こす条件に制御することが好ましい。これにより、反応器５１で生成するオレフィンの炭素数が意図せず大きくなることが抑制されるため、気液分離器５２において目的の炭素数のオレフィン（オレフィン液Ｌ）を選択的に分離できる。

このような方法によれば、再生可能な炭素源から有価物を高い選択性で効率良く得ることができる。そのため、フィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）合成法やＭｔＧ法を利用する従来の石油化学において必要な蒸留塔等の大型の精製設備を必要とせず、総合的に見て経済面で優位である。

多量化反応の反応温度は、２００～３００℃が好ましい。
多量化反応の反応時間、すなわち原料ガスとオレフィン多量化触媒との接触時間は、過度な多量化反応が抑制されて目的の炭素化合物の選択率が向上する点から、０．０３～０．０６秒が好ましい。

以上説明したように、本実施態様では、再生可能エネルギーを利用し、二酸化炭素の電気化学反応によって生成するエチレンと酸素から酸化エチレンを合成し、さらに酸化エチレンとアンモニアを反応させてエタノールアミンを製造する。このように、本実施態様は、二酸化炭素からエタノールアミンが得られるカーボンネガティブエミッション技術であり、環境負荷を低減できる。また酸化エチレンの合成以降は従来の工業製品の製造プロセスも利用できるサスティナブルな技術でもある。また、製造装置１００を用いる実施態様では、二酸化炭素からオレフィンやパラフィンを製造しつつ、エタノールアミンを製造して吸収液を再生することもできる。

［第２の実施形態］
（炭素化合物の製造装置）
図３に示すように、本発明の一態様に係る炭素化合物の製造装置２００（以下、単に「製造装置２００」ともいう。）は、回収装置１と、電気化学反応装置２と、電源貯蔵装置３と、エチレングリコール合成装置６と、増炭反応装置５と、を備えている。製造装置２００は、エタノールアミン合成装置４の代わりにエチレングリコール合成装置６を備える以外は、製造装置１００と同様の態様である。図３における図１と同じ部分は同符号を付して説明を省略する。

エチレングリコール合成装置６は、分離部４１と、第１反応器４２と、第４反応器４５と、を備えている。第１反応器４２と第４反応器４５はガス流路６８で接続されている。エチレングリコール合成装置６は、第２反応器４３を備えておらず、第３反応器４４の代わりに第４反応器４５を備えている以外は、エタノールアミン合成装置４と同様の態様である。

第４反応器４５には、第１反応器４２で合成した酸化エチレンガスＨがガス流路６８を通じて供給される。第４反応器４５では、触媒の存在下、酸化エチレンと水の反応によってエチレングリコールを合成する。酸化エチレンと水の反応に用いる触媒としては、公知の触媒を使用でき、例えば、モリブデンや、三酸化モリブデン、モリブデン酸、モリブデン酸アンモニウム等のモリブデン化合物を例示できる。
第４反応器４５としては、特に限定されず、固定床反応器等の公知の反応器を使用できる。

（炭素化合物の製造方法）
本発明の一態様に係る炭素化合物の製造方法は、以下の工程（ａ）、（ｂ）、（ｅ）を含む方法である。
工程（ａ）：二酸化炭素を回収する。
工程（ｂ）：回収した二酸化炭素を電気化学的に還元してエチレンを得る。
工程（ｅ）：二酸化炭素還元で生成したエチレンと副生した酸素とを反応させて酸化エチレンを得た後、前記酸化エチレンを水と反応させてエチレングリコールを得る。

製造装置２００のように、増炭反応装置をさらに備える製造装置を用いる場合、炭素化合物の製造方法は、工程（ａ）、（ｂ）、（ｅ）に加えて、前記した工程（ｄ）をさらに含む。以下、本実施態様に係る炭素化合物の製造方法として、前記した製造装置２００を用いる例について説明する。

工程（ａ）、工程（ｂ）及び工程（ｄ）は、製造装置１００を用いる方法の工程（ａ）、工程（ｂ）及び工程（ｄ）と同様に実施できる。
工程（ｅ）では、製造装置１００を用いる方法の工程（ｃ）と同様に、第１反応器４２に、分離部４１からエチレンガスＥを供給し、電気化学反応装置２から酸素ガスＤを供給して、エチレンの気相酸化によって酸化エチレンを合成する。

次いで、第１反応器４２で合成した酸化エチレンガスＨを第３反応器４４に供給し、例えばモリブデン触媒の存在下、酸化エチレンと水を反応させてエチレングリコールを合成する。エチレングリコール合成の反応温度は、適宜設定でき、例えば、５０～２５０℃とすることができる。エチレングリコール合成の反応圧力は、適宜設定でき、例えば、０．５～２．５ＭＰａとすることができる。

以上説明したように、本実施態様では、再生可能エネルギーを利用し、二酸化炭素の電気化学反応によって生成するエチレンと酸素から酸化エチレンを合成し、さらに酸化エチレンと水を反応させてエチレングリコールを製造する。このように、本実施態様は、二酸化炭素からエチレングリコールが得られるカーボンネガティブエミッション技術であり、環境負荷を低減できる。また、酸化エチレンの合成以降は従来の工業製品の製造プロセスも利用できるサスティナブルな技術でもある。

なお、本発明の炭素化合物の製造装置及び製造方法は、前記した製造装置１００及び製造装置２００を用いるものには限定されない。本発明の一態様に係る炭素化合物の製造装置は、製造装置１００や製造装置２００において、増炭反応装置を備えていない態様であってもよい。その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１００，２００…炭素化合物の製造装置、１…回収装置、２…電気化学反応装置、３…電源貯蔵装置、４…エタノールアミン合成装置、５…増炭反応装置、６…エチレングリコール合成装置、１１…濃縮部、１２…吸収部、１３…放出部、４１…分離部、４２…第１反応器、４３…第２反応器、４４…第３反応器、４５…第４反応器。

Claims (6)

1. 二酸化炭素を回収する回収装置と、前記回収装置で回収した二酸化炭素を電気化学的に還元する電気化学反応装置と、前記電気化学反応装置で二酸化炭素が還元されて生成したエチレンからエタノールアミンを合成するエタノールアミン合成装置と、を備え、
   前記エタノールアミン合成装置は、前記電気化学反応装置の二酸化炭素還元で生成したエチレンと副生した酸素とを反応させて酸化エチレンを得る第１反応器と、前記電気化学反応装置で副生した水素を窒素と反応させてアンモニアを得る第２反応器と、前記第１反応器で得た酸化エチレンと前記第２反応器で得たアンモニアとを反応させてエタノールアミンを得る第３反応器と、を備える、炭素化合物の製造装置。
2. 二酸化炭素を回収する回収装置と、前記回収装置で回収した二酸化炭素を電気化学的に還元する電気化学反応装置と、前記電気化学反応装置で二酸化炭素が還元されて生成したエチレンからエチレングリコールを合成するエチレングリコール合成装置と、を備え、
   前記エチレングリコール合成装置は、前記電気化学反応装置の二酸化炭素還元で生成したエチレンと副生した酸素とを反応させて酸化エチレンを得る第１反応器と、前記酸化エチレンを水と反応させてエチレングリコールを得る第４反応器と、を備え、
   前記エチレングリコール合成装置に、前記電気化学反応装置で得られるガス状生成物からエチレンガスと水素ガスとを分離する分離部がさらに設けられ、前記分離部で分離したエチレンガスが前記第１反応器に供給される、炭素化合物の製造装置。
3. 前記回収装置は、二酸化炭素ガスを吸収液と接触させ、二酸化炭素を前記吸収液に吸収させる吸収部と、二酸化炭素を吸収した前記吸収液を加熱して二酸化炭素ガスを放出させる放出部と、を備え、
   前記電気化学反応装置で生成したエチレンを多量化して増炭する増炭反応装置をさらに備え、
   前記放出部は、前記増炭反応装置の多量化反応で発生した熱を利用して前記吸収液を加熱する、請求項１又は２に記載の炭素化合物の製造装置。
4. 二酸化炭素を回収する工程と、
   回収した二酸化炭素を電気化学的に還元してエチレンを得る工程と、
   二酸化炭素還元で生成したエチレンと副生した酸素とを反応させて酸化エチレンを得て、二酸化炭素還元で副生した水素を窒素と反応させてアンモニアを得た後、前記酸化エチレンと前記アンモニアを反応させてエタノールアミンを得る工程と、を含む、炭素化合物の製造方法。
5. 二酸化炭素を回収する工程と、
   回収した二酸化炭素を電気化学的に還元してエチレンを得る工程と、
   二酸化炭素還元で生成したエチレンと副生した酸素とを反応させて酸化エチレンを得た後、前記酸化エチレンを水と反応させてエチレングリコールを得る工程と、を含む、炭素化合物の製造方法。
6. 二酸化炭素還元で生成したエチレンを多量化する工程をさらに含む、請求項４又は５に記載の炭素化合物の製造方法。

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