JP2015107943A - Methane manufacturing apparatus - Google Patents

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Tomoya Muramoto
知哉 村本
博幸 木村
Hiroyuki Kimura
博幸 木村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To manufacture methane highly efficiently.SOLUTION: A methane manufacturing apparatus 100 comprises: a plurality of reactors 110 which house a catalyst accelerating methanation reaction; a plurality of communication paths 120 which communicate with adjacent two reactors in the plurality of reactors and send out generated gas generated in a reactor on a previous stage to a reactor on a subsequent stage; a raw material gas introduction part 130 which introduces raw material gas to a reactor on the first stage out of the plurality of reactors; and a cooling part 150 which cools generated gas generated in the reactor on a previous stage in the communication paths to the temperature at which methanation reaction starts, in which the raw material gas introduction part introduces steam into the reactor on the first stage together with raw material gas.

Description

本発明は、水素と二酸化炭素を原料ガスとしてメタンを製造するメタン製造装置に関する。   The present invention relates to a methane production apparatus that produces methane using hydrogen and carbon dioxide as source gases.

水素(H)と二酸化炭素(CO)からメタン(CH)を製造するメタン製造装置において遂行される反応(メタネーション反応)は、発熱反応である。したがって、メタネーション反応を促進するためには、反応場における温度上昇を抑制する必要がある。そこで、メタネーション反応を促進する触媒が収容され、直列に連通された複数の反応器を備え、1の反応器において生成された生成ガスが、当該1の反応器の次段に配される反応器に送出されるように構成し、反応器間で生成ガスを冷却することで次段の反応器における開始温度の上昇を抑制するメタン製造装置が利用されている(例えば、非特許文献1)。 A reaction (a methanation reaction) performed in a methane production apparatus for producing methane (CH 4 ) from hydrogen (H 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ) is an exothermic reaction. Therefore, in order to promote the methanation reaction, it is necessary to suppress the temperature rise in the reaction field. Therefore, a reaction that contains a catalyst that promotes the methanation reaction and includes a plurality of reactors connected in series, and a product gas generated in one reactor is disposed in the next stage of the one reactor. A methane production apparatus is used that is configured to be sent to a reactor and suppresses the rise in the starting temperature in the reactor in the next stage by cooling the product gas between the reactors (for example, Non-Patent Document 1). .

また、反応器において生成された生成ガスの一部を抜き出し、当該生成ガスから水と二酸化炭素を除去してメタンリッチガスとし、当該メタンリッチガスを反応器に返送することで、反応器における熱容量を増大させて、反応器における反応場の温度上昇を抑制する技術も開示されている(例えば、特許文献1)。   Also, by extracting a part of the product gas generated in the reactor, removing water and carbon dioxide from the product gas to make methane rich gas, and returning the methane rich gas to the reactor, the heat capacity in the reactor is increased. Thus, a technique for suppressing the temperature rise of the reaction field in the reactor is also disclosed (for example, Patent Document 1).

特表2012−514039号公報Special table 2012-514039 gazette

Energy research Centre of the Netherlands , Methanation, http://www.biosng.com/experimental-line-up/methanation/Energy research Center of the Netherlands, Methanation, http://www.biosng.com/experimental-line-up/methanation/

しかし、特許文献1の技術では、メタンの製造効率に限界があった。したがって、上記直列に連通された複数の反応器を含んで構成されるメタン製造装置において、さらなるメタンの製造効率の向上が希求されている。   However, the technique of Patent Document 1 has a limitation in the production efficiency of methane. Therefore, further improvement in the production efficiency of methane is desired in the methane production apparatus including the plurality of reactors connected in series.

そこで本発明は、このような課題に鑑み、高効率にメタンを製造することが可能なメタン製造装置を提供することを目的としている。   Then, in view of such a subject, this invention aims at providing the methane manufacturing apparatus which can manufacture methane highly efficiently.

上記課題を解決するために、本発明のメタン製造装置は、水素と二酸化炭素を原料ガスとしてメタンを製造するメタン製造装置であって、原料ガスからメタンへの反応であるメタネーション反応を促進する触媒が収容された複数の反応器と、複数の反応器における隣り合う2つの反応器をそれぞれ連通し、前段の反応器において生成された生成ガスを後段の反応器に送出する複数の連通路と、複数の反応器のうち、最も前段の反応器に原料ガスを導入する原料ガス導入部と、連通路において、前段の反応器で生成された生成ガスを、メタネーション反応が開始する温度以上、メタネーション反応が停止する温度未満に冷却する冷却部と、を備え、原料ガス導入部は、最も前段の反応器に原料ガスとともに水蒸気を導入することを特徴とする。   In order to solve the above problems, the methane production apparatus of the present invention is a methane production apparatus for producing methane using hydrogen and carbon dioxide as raw material gas, and promotes the methanation reaction that is a reaction from raw material gas to methane. A plurality of reactors in which a catalyst is accommodated, and a plurality of communication passages for communicating two adjacent reactors in the plurality of reactors, respectively, and sending a product gas generated in the former reactor to the latter reactor , Among the plurality of reactors, the raw material gas introduction part that introduces the raw material gas into the most upstream reactor, and the product gas generated in the previous reactor in the communication path is equal to or higher than the temperature at which the methanation reaction starts, And a cooling section that cools below the temperature at which the methanation reaction stops, and the raw material gas introduction section introduces water vapor together with the raw material gas into the most upstream reactor.

また、原料ガス導入部が導入する水蒸気の量は、原料ガスの総量に対して、0倍より大きく1.2倍以下であるとしてもよい。   Further, the amount of water vapor introduced by the source gas introduction unit may be greater than 0 times and less than or equal to 1.2 times the total amount of source gas.

また、複数の反応器のうち、最も後段の反応器から送出された生成ガスの組成を測定するガス組成測定部と、ガス組成測定部による結果に基づいて、メタンの製造量が増加するように原料ガス導入部が導入する水蒸気量を制御する中央制御部と、をさらに備えとしてもよい。   Further, among the plurality of reactors, the amount of methane produced is increased based on the result of the gas composition measuring unit that measures the composition of the product gas sent from the reactor at the rearmost stage and the gas composition measuring unit. And a central control unit that controls the amount of water vapor introduced by the source gas introduction unit.

また、反応器の段数は、5以下であるとしてもよい。   Further, the number of stages of the reactor may be 5 or less.

また、少なくともいずれかの連通路のうち、冷却部と後段の反応器との間において、冷却部によって冷却された生成ガスから水を除去する水除去部をさらに備えるとしてもよい。   Moreover, it is good also as providing further the water removal part which removes water from the product gas cooled by the cooling part between a cooling part and the reactor of a back | latter stage among at least any one of the communicating paths.

本発明によれば、高効率にメタンを製造することが可能となる。   According to the present invention, methane can be produced with high efficiency.

従来のメタン製造装置を説明する図である。It is a figure explaining the conventional methane manufacturing apparatus. 反応器の段数と、反応率および平衡状態に到達する温度との関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the stage number of a reactor, the reaction rate, and the temperature which reaches | attains an equilibrium state. 実施形態にかかるメタン製造装置の構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the methane manufacturing apparatus concerning embodiment. 水蒸気導入量と反応率(%)との関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between water vapor introduction amount and reaction rate (%). 反応器の各段数における、Xと反応率(%)との関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between X and reaction rate (%) in each stage number of a reactor. 変形例にかかるメタン製造装置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the methane manufacturing apparatus concerning a modification.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the embodiments are merely examples for facilitating the understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and elements not directly related to the present invention are not illustrated. To do.

原料ガス(水素および二酸化炭素)からメタンを製造する際に利用されるメタネーション反応(下記式(1))は発熱反応である。したがって、反応場を冷却(除熱)しない場合、メタネーション反応が進行し、反応場が予め定められた温度まで到達すると、メタネーション反応が平衡状態に達し(停止し)て、それ以上のメタンの製造は行われなくなる。

Figure 2015107943
…式(1) The methanation reaction (the following formula (1)) used when producing methane from raw material gases (hydrogen and carbon dioxide) is an exothermic reaction. Therefore, when the reaction field is not cooled (heat removal), the methanation reaction proceeds, and when the reaction field reaches a predetermined temperature, the methanation reaction reaches an equilibrium state (stops), and more methane Is no longer manufactured.
Figure 2015107943
... Formula (1)

図1は、従来のメタン製造装置10を説明する図である。図1に示す、従来のメタン製造装置10では、複数の反応器12が連通路14によって直列に連通され、反応器12自体ではなく、隣り合う反応器12同士を連通する連通路14に冷却部16を配し、冷却部16(反応器12間)において生成ガスを冷却する。かかる構成により、次段に配される反応器12における反応場の温度を低下させ、メタンの製造効率(メタネーション反応の反応率)を上昇させている。   FIG. 1 is a diagram for explaining a conventional methane production apparatus 10. In the conventional methane production apparatus 10 shown in FIG. 1, a plurality of reactors 12 are connected in series by a communication path 14, and not a reactor 12 itself but a communication path 14 that connects adjacent reactors 12 to each other. 16 is disposed, and the product gas is cooled in the cooling unit 16 (between the reactors 12). With this configuration, the temperature of the reaction field in the reactor 12 arranged in the next stage is lowered, and the production efficiency of methane (reaction rate of methanation reaction) is increased.

従来のメタン製造装置10では、1の反応器12において生成された生成ガスが、次段の反応器12に送出され、当該次段の反応器12においてさらにメタネーション反応が進行されるため、反応器12の段数(個数)が増えるほど、反応率(原料ガスの導入量に対する、メタネーション反応によって消費された原料ガスの割合、転化率ともいう)が上昇する。以下、反応器12の段数と反応率との関係について具体的に説明する。   In the conventional methane production apparatus 10, the product gas generated in one reactor 12 is sent to the next-stage reactor 12, and further methanation reaction proceeds in the next-stage reactor 12. As the number of stages (number) of the vessel 12 increases, the reaction rate (the ratio of the raw material gas consumed by the methanation reaction to the amount of raw material gas introduced, also referred to as conversion) increases. Hereinafter, the relationship between the number of reactors 12 and the reaction rate will be described in detail.

表1は、反応器12の段数と、反応率および平衡状態に到達する温度との関係を示す表である。図2は、反応器12の段数と、反応率および平衡状態に到達する温度との関係を説明する図であり、横軸に反応率(%)を、縦軸に平衡状態に到達する温度(℃)を示す。また、図2中、平衡状態に到達する温度と、反応率との関係を破線で、各反応器12における温度上昇を実線の矢印で、反応器12間において生成ガスを冷却することによる生成ガスの温度低下を一点鎖線の矢印で示す。なお、メタネーション反応が開始する最低の温度は200℃である。すなわち、200℃未満では、メタネーション反応が進行しない。したがって、1段目の反応器12に導入される原料ガスは200℃である。

Figure 2015107943
Table 1 is a table showing the relationship between the number of stages of the reactor 12, the reaction rate, and the temperature at which the equilibrium state is reached. FIG. 2 is a diagram for explaining the relationship between the number of stages of the reactor 12 and the reaction rate and the temperature reaching the equilibrium state. The horizontal axis represents the reaction rate (%), and the vertical axis represents the temperature reaching the equilibrium state ( ° C). In FIG. 2, the relationship between the temperature at which the equilibrium state is reached and the reaction rate is indicated by a broken line, the temperature rise in each reactor 12 is indicated by a solid arrow, and the product gas produced by cooling the product gas between the reactors 12. The temperature drop is indicated by a dashed-dotted arrow. The lowest temperature at which the methanation reaction starts is 200 ° C. That is, at less than 200 ° C., the methanation reaction does not proceed. Therefore, the raw material gas introduced into the first-stage reactor 12 is 200 ° C.
Figure 2015107943

表1および図2に示すように、例えば、1段目の反応器12は589℃まで上昇し、反応率は39.5%に留まる。つまり、589℃でメタネーション反応が平衡状態に到達する。そして、2段目の反応器12は、518℃まで上昇し、反応率は61.3%となり、3段目の反応器12は、440℃まで上昇し、反応率は78.3%となり、4段目の反応器12は、360℃まで上昇し、反応率は89.7%となり、5段目の反応器12は、287℃まで上昇し、反応率は95.7%となり、6段目の反応器12は、234℃まで上昇し、反応率は98.0%となり、7段目の反応器12は、210℃まで上昇し、反応率は98.7%となる。   As shown in Table 1 and FIG. 2, for example, the first-stage reactor 12 rises to 589 ° C., and the reaction rate remains at 39.5%. That is, the methanation reaction reaches an equilibrium state at 589 ° C. The second-stage reactor 12 rises to 518 ° C., the reaction rate is 61.3%, the third-stage reactor 12 rises to 440 ° C., and the reaction rate is 78.3%. The fourth-stage reactor 12 rises to 360 ° C., the reaction rate is 89.7%, the fifth-stage reactor 12 rises to 287 ° C., the reaction rate is 95.7%, The first reactor 12 rises to 234 ° C. and the reaction rate becomes 98.0%, and the seventh-stage reactor 12 rises to 210 ° C. and the reaction rate becomes 98.7%.

上記表1および図2では、前段の反応器12において生成された生成ガスを、連通路14において200℃(メタネーション反応が開始する最低の温度)まで冷却した場合を想定している。なお、連通路14には、触媒が収容されていないため、冷却部16が連通路14において生成ガスを冷却する際には、メタネーション反応は進行されない。   In Table 1 and FIG. 2 described above, it is assumed that the product gas generated in the preceding reactor 12 is cooled to 200 ° C. (the lowest temperature at which the methanation reaction starts) in the communication path 14. Note that since the catalyst is not accommodated in the communication path 14, the methanation reaction does not proceed when the cooling unit 16 cools the generated gas in the communication path 14.

このように、反応器12の段数を増加させるほど、反応率は向上するが、上記式(1)に示すように、メタネーション反応は、発熱反応であるとともに平衡反応であるため、従来のメタン製造装置10においては、反応器12の段数に応じて、メタンの製造効率(反応率)が上記表1に示す値に決定されてしまう。本実施形態では、直列に連通された複数の反応器を含んで構成されるメタン製造装置において、新規の構成を追加することで、従来のメタン製造装置10と同じ段数の反応器を備える場合であってもメタンの製造効率を向上させる。以下、本実施形態にかかるメタン製造装置100について詳述する。   Thus, the reaction rate increases as the number of stages of the reactor 12 is increased. However, since the methanation reaction is an exothermic reaction and an equilibrium reaction as shown in the above formula (1), the conventional methane In the production apparatus 10, the production efficiency (reaction rate) of methane is determined to the value shown in Table 1 above according to the number of stages of the reactor 12. In this embodiment, in a methane production apparatus configured to include a plurality of reactors communicated in series, a new configuration is added to provide a reactor having the same number of stages as the conventional methane production apparatus 10. Even if it exists, the production efficiency of methane is improved. Hereinafter, the methane production apparatus 100 according to the present embodiment will be described in detail.

(メタン製造装置100)
図3は、本実施形態にかかるメタン製造装置100の構成を説明するための図である。図3に示すように、メタン製造装置100は、複数の反応器110と、複数の連通路120と、原料ガス導入部130と、冷却部150と、ガス組成測定部170と、中央制御部180とを含んで構成される。図3中、物質の流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。
(Methane production apparatus 100)
FIG. 3 is a diagram for explaining the configuration of the methane production apparatus 100 according to the present embodiment. As shown in FIG. 3, the methane production apparatus 100 includes a plurality of reactors 110, a plurality of communication passages 120, a raw material gas introduction unit 130, a cooling unit 150, a gas composition measurement unit 170, and a central control unit 180. It is comprised including. In FIG. 3, the substance flow is indicated by solid arrows, and the signal flow is indicated by broken arrows.

複数の反応器110における隣り合う2つの反応器は、連通路120によって連通されている。また、各反応器110には、原料ガス(水素、二酸化炭素)からメタンへの反応であるメタネーション反応を促進する触媒が収容されており、原料ガス導入部130によって、複数の反応器110のうち、最も前段の反応器110に原料ガスが導入されると、まず、最も前段の反応器110において生成ガスが生成される。なお、上述したように、連通路120は、複数の反応器110における隣り合う2つの反応器110をそれぞれ連通し、前段の反応器110において生成された生成ガスを後段の反応器110に送出するため、1の反応器110において生成された生成ガスは、連通路120を通じて当該1の反応器110の次段に配される反応器110に送出される。そして、次段に配される反応器110においてさらにメタネーション反応が進行し、前段の反応器110で生成された生成ガスよりもメタン濃度が高い生成ガスが生成されることとなる。   Two adjacent reactors in the plurality of reactors 110 are connected by a communication path 120. Each reactor 110 contains a catalyst that promotes a methanation reaction, which is a reaction from raw material gas (hydrogen, carbon dioxide) to methane, and a plurality of reactors 110 are connected by a raw material gas introduction unit 130. Among these, when the raw material gas is introduced into the foremost reactor 110, the product gas is first generated in the foremost reactor 110. Note that, as described above, the communication path 120 allows the two adjacent reactors 110 in the plurality of reactors 110 to communicate with each other, and the product gas generated in the upstream reactor 110 is sent to the downstream reactor 110. Therefore, the product gas generated in one reactor 110 is sent to the reactor 110 disposed in the next stage of the one reactor 110 through the communication path 120. Then, the methanation reaction further proceeds in the reactor 110 arranged in the next stage, and a product gas having a higher methane concentration than the product gas produced in the previous reactor 110 is produced.

また、本実施形態において、原料ガス導入部130は、最も前段の反応器110(1段目の反応器110)に、原料ガスとともに水蒸気を導入する。   In the present embodiment, the raw material gas introduction unit 130 introduces water vapor together with the raw material gas into the first reactor 110 (first reactor 110).

図4は、水蒸気導入量と反応率(%)との関係を説明する図である。なお、図4中、X=2.0倍を四角で、X=0.8倍を丸で、X=0.2倍を三角で、X=0倍、すなわち、水蒸気を導入しない場合を菱形で示す。ここで、原料ガス導入部130が導入する、原料ガスの総量に対する水蒸気の総量の倍率を「X」とする。   FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the amount of water vapor introduced and the reaction rate (%). In FIG. 4, X = 2.0 times is a square, X = 0.8 times is a circle, X = 0.2 times is a triangle, and X = 0 times, that is, when water vapor is not introduced It shows with. Here, the magnification of the total amount of water vapor with respect to the total amount of raw material gas introduced by the raw material gas introduction unit 130 is “X”.

図4に示すように、反応器110が1個設けられる構成(1段構成)、2個設けられる構成(2段構成)、3個設けられる構成(3段構成)、4個設けられる構成(4段構成)では、Xが大きくなるにつれて、最後段の反応器110における反応率が向上する。これは、水蒸気を導入することにより、各反応器110における熱容量を増大させることができ、各反応器110における反応場の単位時間あたりの温度上昇を抑制することが可能となるためである。   As shown in FIG. 4, a configuration in which one reactor 110 is provided (one-stage configuration), a configuration in which two reactors 110 are provided (two-stage configuration), a configuration in which three reactors 110 are provided (three-stage configuration), and a configuration in which four reactors 110 are provided ( In the four-stage configuration, as X increases, the reaction rate in the last-stage reactor 110 increases. This is because the heat capacity in each reactor 110 can be increased by introducing water vapor, and the temperature increase per unit time of the reaction field in each reactor 110 can be suppressed.

したがって、反応器110の段数が4以下の場合、原料ガス導入部130は、水蒸気の導入量を多くすれば、最後段の反応器110における反応率が向上する。   Therefore, when the number of stages of the reactor 110 is 4 or less, the source gas introduction unit 130 increases the reaction rate in the last stage reactor 110 if the amount of steam introduced is increased.

一方、図4に示すように、反応器110の段数が5段以上の場合、水蒸気の導入量を多くすると、最後段の反応器110における反応率が低下する。これは、水蒸気を導入したことで、メタネーション反応の平衡状態が崩れ、上記式(1)の右辺から左辺への反応が促進される(平衡が左に移動する)ことに起因すると考えられる。   On the other hand, as shown in FIG. 4, when the number of stages of the reactor 110 is five or more, the reaction rate in the last-stage reactor 110 decreases when the amount of steam introduced is increased. This is thought to be due to the fact that the equilibrium state of the methanation reaction collapses due to the introduction of water vapor, and the reaction from the right side to the left side of the formula (1) is promoted (the equilibrium moves to the left).

図5は、反応器110の各段数における、Xと反応率(%)との関係を説明する図である。図5に示すように、反応器110が7個設けられる構成(7段構成)、および、反応器110が6個設けられる構成(6段構成)においては、Xが上昇するにつれて反応率が低下する。   FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between X and the reaction rate (%) in each stage number of the reactor 110. As shown in FIG. 5, in the configuration in which seven reactors 110 are provided (seven-stage configuration) and the configuration in which six reactors 110 are provided (six-stage configuration), the reaction rate decreases as X increases. To do.

一方、反応器110が5個設けられる構成(5段構成)においては、X=0.8までは、Xが上昇するにつれて反応率が上昇するものの、X>0.8となると、Xが上昇するにつれて徐々に反応率が低下し、X>2.0となると、水蒸気を導入しない場合(X=0)よりも反応率が低下する。   On the other hand, in the configuration in which five reactors 110 are provided (5-stage configuration), the reaction rate increases as X increases up to X = 0.8, but when X> 0.8, X increases. Then, the reaction rate gradually decreases, and when X> 2.0, the reaction rate is lower than when water vapor is not introduced (X = 0).

同様に、反応器110が4個設けられる構成(4段構成)においては、X=1.2までは、Xが上昇するにつれて反応率が上昇するものの、X>1.2となると、Xが上昇するにつれて徐々に反応率が低下する。   Similarly, in the configuration in which four reactors 110 are provided (four-stage configuration), the reaction rate increases as X increases until X = 1.2, but when X> 1.2, X becomes The reaction rate gradually decreases as it rises.

したがって、メタン製造装置100における反応器110の段数は、少なくとも5以下(2〜5)であるとよい。   Therefore, the number of stages of the reactor 110 in the methane production apparatus 100 is preferably at least 5 or less (2 to 5).

また、上述したように、2〜5段構成のメタン製造装置100においては、所定の水蒸気量までは導入量を多くすれば、最後段の反応器110における反応率が向上する。しかし、X>1.2となると、反応器110の容量を大きくしなければならず、反応器110に要するコストが著しく上昇し、費用対効果が低くなってしまう。また、反応器110の占有体積が大きくなるため、メタン製造装置100自体の設置面積が大きくなってしまい、設置箇所が制限されるといった課題がある。   Further, as described above, in the methane production apparatus 100 having a 2 to 5 stage configuration, the reaction rate in the last stage reactor 110 is improved by increasing the introduction amount up to a predetermined water vapor amount. However, when X> 1.2, the capacity of the reactor 110 must be increased, and the cost required for the reactor 110 is significantly increased, and the cost effectiveness becomes low. Moreover, since the occupation volume of the reactor 110 becomes large, the installation area of the methane production apparatus 100 itself becomes large, and there is a problem that the installation location is limited.

そこで、原料ガス導入部130が導入する水蒸気の量は、原料ガスの総量に対して、0倍より大きく1.2倍以下であるとよい。かかる構成により、反応器110の容量を最小限に抑えつつ、反応率を向上させることが可能となる。   Therefore, the amount of water vapor introduced by the source gas introduction unit 130 is preferably greater than 0 and less than or equal to 1.2 times the total amount of source gas. With this configuration, it is possible to improve the reaction rate while minimizing the capacity of the reactor 110.

図3に戻って説明すると、冷却部150は、連通路120において、前段の反応器で生成された生成ガスを、メタネーション反応が開始する温度(ここでは、200℃)まで冷却する。   Referring back to FIG. 3, the cooling unit 150 cools the product gas generated in the preceding reactor in the communication path 120 to a temperature at which the methanation reaction starts (here, 200 ° C.).

冷却部150を備える構成により、次段に配される反応器110における反応場の温度を低下させることができ、メタンの製造効率(メタネーション反応の反応率)を上昇させることが可能となる。   With the configuration including the cooling unit 150, the temperature of the reaction field in the reactor 110 disposed in the next stage can be lowered, and the production efficiency of methane (reaction rate of methanation reaction) can be increased.

ガス組成測定部170は、複数の反応器110のうち、最も後段の反応器110から送出された生成ガスの組成を測定する。   The gas composition measuring unit 170 measures the composition of the product gas sent from the reactor 110 at the rearmost stage among the plurality of reactors 110.

中央制御部180は、CPU(中央処理装置)を含む半導体集積回路で構成され、ROMからCPU自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのRAMや他の電子回路と協働してメタン製造装置100全体を管理および制御する。   The central control unit 180 is composed of a semiconductor integrated circuit including a CPU (central processing unit), reads programs and parameters for operating the CPU itself from the ROM, and cooperates with the RAM as a work area and other electronic circuits. Thus, the entire methane production apparatus 100 is managed and controlled.

本実施形態において、中央制御部180は、ガス組成測定部170による測定結果に基づいて、メタンの製造量が増加するように原料ガス導入部130が導入する水蒸気量を制御する。かかる構成により、最終的に生成された生成ガス中のメタン含有率を向上させるように、適量の水蒸気を導入することが可能となる。   In the present embodiment, the central control unit 180 controls the amount of water vapor introduced by the source gas introduction unit 130 based on the measurement result by the gas composition measurement unit 170 so that the production amount of methane increases. With such a configuration, it is possible to introduce an appropriate amount of water vapor so as to improve the methane content in the finally produced product gas.

以上説明したように、本実施形態にかかるメタン製造装置100によれば、原料ガスとともに水蒸気を導入するといった簡易な構成で、高効率にメタンを製造することが可能となる。   As described above, according to the methane production apparatus 100 according to the present embodiment, it is possible to produce methane with high efficiency with a simple configuration in which water vapor is introduced together with the raw material gas.

また、水蒸気は、100℃未満で凝縮して液体とすることができるため、生成ガスから容易に分離することが可能となる。さらに、水蒸気は、炭素を含まないため、触媒に炭素が析出することがなく、触媒が劣化してしまう事態を回避することができる。   In addition, since water vapor can be condensed into a liquid at less than 100 ° C., it can be easily separated from the product gas. Furthermore, since water vapor does not contain carbon, carbon does not deposit on the catalyst, and a situation in which the catalyst deteriorates can be avoided.

(変形例)
上述したように、反応器110に水蒸気を導入すると、熱容量は増加するが、メタネーション反応の平衡状態が崩れ、上記式(1)の右辺から左辺への反応が促進される(平衡が左に移動する)。そこで、原料ガス導入部130によって反応器110に水蒸気を導入し、複数の反応器110によってある程度メタネーション反応を遂行させた後に、水を除去する。
(Modification)
As described above, when steam is introduced into the reactor 110, the heat capacity increases, but the equilibrium state of the methanation reaction is disrupted, and the reaction from the right side to the left side of the above formula (1) is promoted (the equilibrium is left). Moving). Therefore, water is removed after water vapor is introduced into the reactor 110 by the source gas introduction unit 130 and the methanation reaction is performed to some extent by the plurality of reactors 110.

図6は、変形例にかかるメタン製造装置200を説明するための図である。図6に示すように、メタン製造装置200は、複数の反応器110と、複数の連通路120と、原料ガス導入部130と、冷却部150と、ガス組成測定部170と、中央制御部180と、水除去部260と、加熱部270とを含んで構成される。図6中、物質の流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。   FIG. 6 is a diagram for explaining a methane production apparatus 200 according to a modification. As shown in FIG. 6, the methane production apparatus 200 includes a plurality of reactors 110, a plurality of communication passages 120, a raw material gas introduction unit 130, a cooling unit 150, a gas composition measurement unit 170, and a central control unit 180. And a water removal unit 260 and a heating unit 270. In FIG. 6, the substance flow is indicated by solid arrows, and the signal flow is indicated by broken arrows.

なお、上述したメタン製造装置100と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、ここでは、水除去部260および加熱部270について詳述する。   In addition, about the component substantially equivalent to the methane production apparatus 100 mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted, and here the water removal part 260 and the heating part 270 are explained in full detail.

最も後段の反応器110(N段目)と、N段目の反応器110より1つ前段の反応器110(N−1段目)とを連通する連通路120には、水除去部260および加熱部270が設けられている。水除去部260は、凝縮部262と、気液分離部264とを含んで構成される。凝縮部262は、N−1段目の反応器110で生成された生成ガスを、水の凝縮温度(露点)まで冷却して水を凝縮させる。気液分離部264は、凝縮部262によって冷却された生成ガスから凝縮した水を分離する。水除去部260の下流側に配される加熱部270は、気液分離部264によって、凝縮した水が除去された後の生成ガスである水除去後ガスを、メタネーション反応が開始する温度まで加熱する。   The communication passage 120 that communicates the most downstream reactor 110 (Nth stage) with the reactor 110 (N−1th stage) one stage before the Nth stage reactor 110 has a water removal unit 260 and A heating unit 270 is provided. The water removing unit 260 includes a condensing unit 262 and a gas / liquid separating unit 264. The condensing part 262 cools the product gas produced | generated with the N-1 stage | paragraph reactor 110 to the condensation temperature (dew point) of water, and condenses water. The gas-liquid separation unit 264 separates the condensed water from the product gas cooled by the condensing unit 262. The heating unit 270 disposed on the downstream side of the water removing unit 260 is configured to remove the water-removed gas, which is a product gas after the condensed water is removed by the gas-liquid separating unit 264, to a temperature at which the methanation reaction starts. Heat.

水除去部260を備える構成により、N−1段目の反応器110において生成された生成ガス中の水の量を減少させることができる。生成ガス中の水の量が減少すると、メタネーション反応の平衡状態が崩れ、上記式(1)の左辺から右辺への反応が促進される(平衡が右に移動する)こととなり、メタネーション反応の反応率(メタンの製造効率)を向上させることが可能となる。これにより、水除去部260を備えない構成と比較して、N段目の反応器110においてメタネーション反応をさらに促進させることができる。   With the configuration including the water removal unit 260, the amount of water in the product gas generated in the N-1th stage reactor 110 can be reduced. When the amount of water in the product gas decreases, the equilibrium state of the methanation reaction is disrupted, and the reaction from the left side to the right side of the above formula (1) is promoted (the equilibrium moves to the right), and the methanation reaction It is possible to improve the reaction rate (production efficiency of methane). As a result, the methanation reaction can be further promoted in the reactor 110 at the N-th stage as compared with the configuration without the water removal unit 260.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Is done.

例えば、上記実施形態において、原料ガス導入部130が、反応器110の熱容量を増加させるために、水蒸気を導入する構成について説明した。しかし、反応器110の熱容量を増加させることができ、また、200℃未満で凝縮すれば、原料ガス導入部130が導入するガスに限定はない。例えば、フロン等のハロゲン系ガスを利用してもよい。   For example, in the above embodiment, the configuration in which the raw material gas introduction unit 130 introduces water vapor in order to increase the heat capacity of the reactor 110 has been described. However, if the heat capacity of the reactor 110 can be increased and the condensation is performed at less than 200 ° C., the gas introduced by the source gas introduction unit 130 is not limited. For example, a halogen-based gas such as chlorofluorocarbon may be used.

また、上記実施形態において、原料ガス導入部130が導入する水蒸気の量が、原料ガスの総量に対して、0倍より大きく1.2倍以下である構成を例に挙げて説明した。しかし、原料ガス導入部130が導入する水蒸気量に限定はなく、原料ガスの総量に対して1.2倍より大きくてもよい。なお、この場合、反応器110の段数を2〜4段構成としたメタン製造装置100とするとよい。また、反応器110の段数を5段以上としたメタン製造装置100において、原料ガス導入部130が導入する水蒸気の量が、原料ガスの総量に対して1.2倍より大きい場合、水除去部260を備えるとよい。   Moreover, in the said embodiment, it demonstrated and demonstrated the structure which the quantity of the water vapor | steam which the raw material gas introduction part 130 introduce | transduces is larger than 0 time and 1.2 times or less with respect to the total amount of raw material gas. However, the amount of water vapor introduced by the source gas introduction unit 130 is not limited, and may be larger than 1.2 times the total amount of source gas. In this case, the methane production apparatus 100 may be configured such that the reactor 110 has 2 to 4 stages. In addition, in the methane production apparatus 100 in which the number of stages of the reactor 110 is five or more, when the amount of water vapor introduced by the source gas introduction unit 130 is larger than 1.2 times the total amount of the source gas, the water removal unit 260 may be provided.

また、上記実施形態において、メタン製造装置100を構成する反応器110の段数は、5以下が好ましいと説明した。しかし、メタン製造装置100における反応器110の段数に限定はなく、6段以上であってもよい。なお、この場合、水除去部260を備えるとよい。   Moreover, in the said embodiment, it demonstrated that the number of stages of the reactor 110 which comprises the methane manufacturing apparatus 100 was 5 or less. However, the number of reactors 110 in the methane production apparatus 100 is not limited, and may be 6 or more. In this case, a water removal unit 260 may be provided.

また、上記実施形態において、冷却部150は、生成ガスを、メタネーション反応が開始する温度まで冷却する構成を例に挙げて説明した。しかし、冷却部150は、生成ガスを、メタネーション反応が開始する温度以上、メタネーション反応が停止する(メタネーション反応が平衡状態に到達する)温度未満まで冷却すればよい。   Further, in the above embodiment, the cooling unit 150 has been described by taking as an example a configuration in which the generated gas is cooled to a temperature at which the methanation reaction starts. However, the cooling unit 150 may cool the product gas to a temperature equal to or higher than the temperature at which the methanation reaction starts and below the temperature at which the methanation reaction stops (the methanation reaction reaches an equilibrium state).

また、上記実施形態において、ガス組成測定部170および中央制御部180を備える構成について説明したが、これらは必須の構成ではない。   Moreover, in the said embodiment, although the structure provided with the gas composition measurement part 170 and the central control part 180 was demonstrated, these are not essential structures.

また、上記変形例において、水除去部260が、最も後段の反応器110(N段目)と、N段目の反応器110より1つ前段の反応器110(N−1段目)とを連通する連通路120に設けられる構成について説明した。しかし、水除去部260の位置に限定はなく、水除去部260は、少なくともいずれかの連通路120のうち、冷却部150と後段の反応器110との間に設けられればよい。   Further, in the above modification, the water removal unit 260 includes a reactor 110 (N-th stage) at the rearmost stage and a reactor 110 (N-1 stage) one stage before the reactor 110 at the N-th stage. The configuration provided in the communication path 120 that communicates has been described. However, the position of the water removal unit 260 is not limited, and the water removal unit 260 may be provided between the cooling unit 150 and the downstream reactor 110 in at least one of the communication paths 120.

また、上記変形例において、凝縮部262と気液分離部264とで構成される水除去部260について説明したが、生成ガスから水を除去できれば、水除去部260の構成に限定はない。例えば、水除去部260を水分離膜等で構成してもよい。なお、水除去部260を、凝縮部262と気液分離部264とで構成する場合、凝縮部262が冷却部として機能するが、水除去部260を水分離膜等で構成する場合、別途冷却部を備えるとよい。   Moreover, in the said modification, although the water removal part 260 comprised by the condensation part 262 and the gas-liquid separation part 264 was demonstrated, if water can be removed from product gas, there will be no limitation in the structure of the water removal part 260. For example, the water removal unit 260 may be configured with a water separation membrane or the like. In addition, when the water removal part 260 is comprised with the condensation part 262 and the gas-liquid separation part 264, the condensation part 262 functions as a cooling part, but when the water removal part 260 is comprised with a water separation membrane etc., it is separately cooled. It is good to have a part.

本発明は、水素と二酸化炭素を原料ガスとしてメタンを製造するメタン製造装置に利用することができる。   The present invention can be used in a methane production apparatus that produces methane using hydrogen and carbon dioxide as raw material gases.

100、200 メタン製造装置
110 反応器
120 連通路
130 原料ガス導入部
150 冷却部
170 ガス組成測定部
180 中央制御部
260 水除去部
270 加熱部
100, 200 Methane production apparatus 110 Reactor 120 Communication path 130 Source gas introduction part 150 Cooling part 170 Gas composition measurement part 180 Central control part 260 Water removal part 270 Heating part

Claims (5)

水素と二酸化炭素を原料ガスとしてメタンを製造するメタン製造装置であって、
前記原料ガスから前記メタンへの反応であるメタネーション反応を促進する触媒が収容された複数の反応器と、
前記複数の反応器における隣り合う2つの反応器をそれぞれ連通し、前段の反応器において生成された生成ガスを後段の反応器に送出する複数の連通路と、
前記複数の反応器のうち、最も前段の前記反応器に前記原料ガスを導入する原料ガス導入部と、
前記連通路において、前記前段の反応器で生成された前記生成ガスを、前記メタネーション反応が開始する温度以上、該メタネーション反応が停止する温度未満に冷却する冷却部と、
を備え、
前記原料ガス導入部は、前記最も前段の反応器に前記原料ガスとともに水蒸気を導入することを特徴とするメタン製造装置。
A methane production apparatus for producing methane using hydrogen and carbon dioxide as source gases,
A plurality of reactors containing a catalyst for promoting a methanation reaction that is a reaction from the source gas to the methane;
A plurality of communication passages for communicating two adjacent reactors in the plurality of reactors, respectively, and sending the product gas generated in the former reactor to the latter reactor;
Of the plurality of reactors, a raw material gas introduction section for introducing the raw material gas into the most upstream reactor,
A cooling section that cools the product gas generated in the preceding reactor in the communication path to a temperature equal to or higher than a temperature at which the methanation reaction starts and lower than a temperature at which the methanation reaction stops;
With
The raw material gas introduction unit introduces water vapor together with the raw material gas into the foremost reactor.
前記原料ガス導入部が導入する水蒸気の量は、前記原料ガスの総量に対して、0倍より大きく1.2倍以下であることを特徴とする請求項1に記載のメタン製造装置。   2. The apparatus for producing methane according to claim 1, wherein the amount of water vapor introduced by the source gas introduction unit is greater than 0 and less than or equal to 1.2 times the total amount of the source gas. 前記複数の反応器のうち、最も後段の前記反応器から送出された生成ガスの組成を測定するガス組成測定部と、
前記ガス組成測定部による結果に基づいて、前記メタンの製造量が増加するように前記原料ガス導入部が導入する水蒸気量を制御する中央制御部と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項1または2に記載のメタン製造装置。
Of the plurality of reactors, a gas composition measuring unit for measuring the composition of the product gas sent from the most downstream reactor,
Based on the result by the gas composition measurement unit, a central control unit that controls the amount of water vapor introduced by the source gas introduction unit so that the production amount of the methane increases,
The methane production apparatus according to claim 1, further comprising:
前記反応器の段数は、5以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のメタン製造装置。   The methane production apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the number of stages of the reactor is 5 or less. 少なくともいずれかの前記連通路のうち、前記冷却部と後段の前記反応器との間において、該冷却部によって冷却された生成ガスから水を除去する水除去部をさらに備えたことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のメタン製造装置。   It further comprises a water removing unit that removes water from the product gas cooled by the cooling unit between the cooling unit and the downstream reactor in at least one of the communication paths. The methane production apparatus according to any one of claims 1 to 4.
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