JP2020093216A - Catalyst reaction device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、触媒反応装置に関する。 The present invention relates to a catalytic reactor.
下記特許文献1には、二酸化炭素を含有する原料ガスに水素を供給してメタンを含むガスを生成するメタネーション反応装置が開示されている。このメタネーション反応装置は、触媒が充填され、原料ガスと水素の一部をメタネーション反応させて反応混合ガスを排出する第1反応器と、反応混合ガスの水素量を調整する第2反応器と、第2反応器の生成ガスの組成を調整する第3反応器を備え、第1反応器の温度に基づいて当該第1反応器への水素の供給量を制御することにより、装置内温度の急激な上昇を避けるものである。 Patent Document 1 below discloses a methanation reaction apparatus that supplies hydrogen to a raw material gas containing carbon dioxide to generate a gas containing methane. The methanation reaction apparatus includes a first reactor that is filled with a catalyst and that causes a methanation reaction of a part of raw material gas and hydrogen to discharge a reaction mixed gas, and a second reactor that adjusts the amount of hydrogen in the reaction mixed gas. And a third reactor that adjusts the composition of the product gas of the second reactor, and controls the amount of hydrogen supplied to the first reactor based on the temperature of the first reactor to obtain the internal temperature of the device. It avoids a sharp rise in.
しかしながら、上述した背景技術では、装置内温度の急激な上昇を避けるものの、第1反応器への水素の供給量を調整するので、メタネーション反応の反応率が犠牲になる。したがって、反応率を低下させることなく装置温度を低減させる温度抑制技術の開発が切望されている。 However, in the background art described above, although the temperature inside the apparatus is prevented from rising sharply, the reaction rate of the methanation reaction is sacrificed because the amount of hydrogen supplied to the first reactor is adjusted. Therefore, there has been a strong demand for the development of a temperature suppression technique for reducing the device temperature without lowering the reaction rate.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、反応率を低下させることなく発熱反応の温度を低減することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and an object thereof is to reduce the temperature of an exothermic reaction without lowering the reaction rate.
上記目的を達成するために、本発明では、触媒反応装置に係る第1の解決手段として、触媒の存在下で入力ガスを発熱反応させる触媒反応装置であって、前記触媒は、前記入力ガスの流入方向において活性が順次上昇する、という手段を採用する。 In order to achieve the above-mentioned object, in the present invention, as a first solution means relating to a catalytic reaction device, there is provided a catalytic reaction device which exothermically reacts an input gas in the presence of a catalyst, wherein the catalyst is the input gas. A method is adopted in which the activity gradually increases in the inflow direction.
本発明では、触媒反応装置に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記入力ガスの流入方向の上流側に活性が比較的低い第1触媒を配置し、下流側に活性が比較的高い第2触媒を配置する、という手段を採用する。 In the present invention, as a second means for solving a catalytic reaction device, in the first means for solving, a first catalyst having a relatively low activity is arranged on the upstream side in the inflow direction of the input gas and is activated on the downstream side. The second catalyst is arranged at a relatively high value.
本発明では、触媒反応装置に係る第3の解決手段として、上記第2の解決手段において、前記第1触媒及び前記第2触媒は同一組成であり、前記第1触媒は、前記第2触媒よりも濃度が低い、という手段を採用する。 In the present invention, as the third means for solving a catalytic reaction device, in the second means for solving, the first catalyst and the second catalyst have the same composition, and the first catalyst is more than the second catalyst. Also, the method that the concentration is low is adopted.
本発明では、触媒反応装置に係る第4の解決手段として、上記第2または第3の解決手段において、前記入力ガスが流入すると共に前記第1触媒及び前記第2触媒が充填される複数の反応管を備える、という手段を採用する。 In the present invention, as a fourth solution means relating to the catalytic reaction device, in the second or third solution means, a plurality of reactions in which the input gas flows and the first catalyst and the second catalyst are filled The method of providing a tube is adopted.
本発明では、触媒反応装置に係る第5の解決手段として、上記第4の解決手段において、前記反応管は、所定のシェル内に収容され、当該シェル内を流通する冷媒との熱交換によって冷却される、という手段を採用する。 In the present invention, as a fifth solution means for a catalytic reactor, in the above-mentioned fourth solution means, the reaction tube is housed in a predetermined shell and cooled by heat exchange with a refrigerant flowing in the shell. Will be adopted.
本発明では、触媒反応装置に係る第6の解決手段として、上記第5の解決手段において、前記冷媒は、前記反応管における前記入力ガスに対して対向流となるように流通する、という手段を採用する。 In the present invention, as a sixth solution means relating to a catalytic reaction device, in the fifth solution means, there is provided means for circulating the refrigerant so as to be a counterflow with respect to the input gas in the reaction tube. adopt.
本発明では、触媒反応装置に係る第7の解決手段として、上記第1〜第6のいずれかの解決手段において、前記発熱反応はメタネーション反応である、という手段を採用する。 In the present invention, as the seventh means for solving a catalytic reaction apparatus, in the means for solving any one of the above first to sixth means, the exothermic reaction is a methanation reaction.
本発明によれば、反応率を低下させることなく発熱反応の温度を低減することができる。 According to the present invention, the temperature of exothermic reaction can be reduced without lowering the reaction rate.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態におけるガス製造設備は、発熱反応の1つであるメタネーション反応を用いることにより、メタン(CH4)を主成分とするガスを製造するプラントであり、本実施形態に係るメタネーション反応装置を備える。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The gas production facility in the present embodiment is a plant that produces a gas containing methane (CH 4 ) as a main component by using a methanation reaction, which is one of the exothermic reactions, and the methanation reaction according to the present embodiment. Equipped with a device.
すなわち、このガス製造設備は、シフト反応器1、第1水蒸気発生器2、脱硫・脱炭酸装置3、温度調節器4、メタネーション反応装置5、循環ポンプ6、第2水蒸気発生器7及び脱炭酸装置8を備えており、ガス化炉から供給される原料ガスX1から製品ガスX8を製造する。これら構成要素のうち、メタネーション反応装置5は、本発明に係る触媒反応装置である。
That is, this gas production facility includes a shift reactor 1, a
ここで、上記ガス化炉は、例えば石炭やバイオマスを原料として水素(H2)と一酸化炭素(CO)とが含有する原料ガスX1を生成する原料ガス供給源である。例えば、このようなガス化炉には、熱を発生させる燃焼炉と、当該燃焼炉の熱を用いて原料をガス化させるガス化炉とを備えたものが採用される。 Here, the gasification furnace is a source gas supply source that generates a source gas X1 containing hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) from, for example, coal or biomass as a source. For example, such a gasification furnace is equipped with a combustion furnace that generates heat and a gasification furnace that uses the heat of the combustion furnace to gasify the raw material.
シフト反応器1は、水蒸気X2を用いたシフト反応により原料ガスX1における成分ガスのモル比を調節する反応器である。後段のメタネーション反応装置5で行われるメタネーション反応は、3対1のモル比で水素(H2)と一酸化炭素(CO)とが反応する。このシフト反応器1は、このようなメタネーション反応に鑑みてメタネーション反応装置5の前段に設けられている。 The shift reactor 1 is a reactor that adjusts the molar ratio of the component gas in the raw material gas X1 by a shift reaction using water vapor X2. In the methanation reaction performed in the latter-stage methanation reaction device 5, hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO) react at a molar ratio of 3:1. The shift reactor 1 is provided in front of the methanation reaction device 5 in view of such methanation reaction.
すなわち、このシフト反応器1は、水素(H2)と一酸化炭素(CO)とのモル比が3対1よりも小さい原料ガスX1について、下記反応式(1)のシフト反応を行いることによりモル比を3対1に調整する。このシフト反応器1は、水素(H2)と一酸化炭素(CO)とのモル比が3対1に調整されたシフト反応ガスX3を第1水蒸気発生器2に出力する。
CO+H2O⇔H2+CO2+Q1(熱量) (1)
That is, the shift reactor 1 performs the shift reaction of the following reaction formula (1) on the raw material gas X1 in which the molar ratio of hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) is smaller than 3:1. Adjust the molar ratio to 3:1. The shift reactor 1 outputs to the
CO + H 2 O⇔H 2 + CO 2 + Q1 ( amount of heat) (1)
上記シフト反応は、反応式(1)に示すように発熱反応であり、よってシフト反応ガスX3は原料ガスX1が加熱された加熱ガスである。第1水蒸気発生器2は、このような加熱ガスであるシフト反応ガスX3の熱を用いて水を蒸発させる水蒸気発生装置である。すなわち、この第1水蒸気発生器2は、シフト反応ガスX3と水との熱交換によって水を気化させて水蒸気X2を生成する。この水蒸気X2は、一部がシフト反応器1の前段において原料ガスX1と混合され、残部がメタネーション反応装置5の前段において入力ガスX5に混合される。
The shift reaction is an exothermic reaction as shown in the reaction formula (1), and thus the shift reaction gas X3 is a heating gas obtained by heating the raw material gas X1. The
ここで、原料ガスX1は、上述したように石炭やバイオマスに由来するものであり、よって硫黄(S)分が不可避的に含まれている。また、上述したシフト反応では、目的物である水素(H2)に加えて二酸化炭素(CO2)が生成される。したがって、シフト反応ガスX3には、硫黄(S)分及び二酸化炭素(炭酸分)が含まれている。 Here, the raw material gas X1 is derived from coal or biomass as described above, and thus contains sulfur (S) inevitably. Further, in the shift reaction described above, carbon dioxide (CO 2 ) is produced in addition to the target hydrogen (H 2 ). Therefore, the shift reaction gas X3 contains sulfur (S) and carbon dioxide (carbonic acid).
脱硫・脱炭酸装置3は、このようなシフト反応ガスX3から硫黄(S)分及び二酸化炭素(炭酸分)を除去して処理後ガスX4を生成する。すなわち、脱硫・脱炭酸装置3は、シフト反応ガスX3を冷却処理することにより、硫黄(S)分と炭酸分である二酸化炭素(CO2)とを除去する。なお、これら硫黄(S)分及び炭酸分は、後段のメタネーション反応の促進を阻害する要因である。 The desulfurization/decarbonation apparatus 3 removes sulfur (S) content and carbon dioxide (carbonic acid content) from such shift reaction gas X3 to generate a post-treatment gas X4. That is, the desulfurization/decarbonation apparatus 3 cools the shift reaction gas X3 to remove sulfur (S) and carbon dioxide (CO 2 ) which is carbonic acid. The sulfur (S) content and the carbonic acid content are factors that hinder the promotion of the methanation reaction in the latter stage.
また、メタネーション反応は熱力学的平衡反応であり、反応速度が反応温度に依存する。したがって、メタネーション反応において、所望の反応速度を維持するためには反応温度の管理が極めて重要である。温度調節器4は、このような背景から上記処理後ガスX4を加熱することにより入力ガスX5を生成する。すなわち、この温度調節器4は、後段のメタネーション反応装置5で行われるメタネーション反応の反応速度を管理するために、処理後ガスX4の加熱量を調節することにより入力ガスX5の温度を所定の目標温度に設定する。 The methanation reaction is a thermodynamic equilibrium reaction, and the reaction rate depends on the reaction temperature. Therefore, in the methanation reaction, control of the reaction temperature is extremely important to maintain a desired reaction rate. From such a background, the temperature controller 4 generates the input gas X5 by heating the post-treatment gas X4. That is, the temperature controller 4 regulates the temperature of the input gas X5 by adjusting the heating amount of the post-treatment gas X4 in order to control the reaction rate of the methanation reaction performed in the methanation reaction device 5 in the subsequent stage. Set the target temperature of.
メタネーション反応装置5は、触媒の存在下で入力ガスX5をメタネーション反応(発熱反応)させる触媒反応装置である。このメタネーション反応装置5は、温度調節器4から流入する入力ガスX5をメタネーション反応させることにより出力ガスX6を生成し、当該出力ガスX6を脱炭酸装置8に出力する。また、このメタネーション反応装置5は、外部から流入する冷媒X7によって冷却される。 The methanation reaction device 5 is a catalytic reaction device that causes a methanation reaction (exothermic reaction) of the input gas X5 in the presence of a catalyst. The methanation reaction device 5 produces an output gas X6 by causing a methanation reaction of the input gas X5 flowing from the temperature controller 4, and outputs the output gas X6 to the decarbonation device 8. Further, the methanation reaction device 5 is cooled by the refrigerant X7 flowing from the outside.
図2は、このようなメタネーション反応装置5の詳細構成を示す縦断面図(a)及び横断面図(b)である。このメタネーション反応装置5は、所謂シェルアンドチューブ型の反応器であり、図2(a)、(b)に示すように、シェル5a、ガス流入口5b、ガス流出口5c、冷媒流入口5d、冷媒流出口5e、流入側仕切板5f、流出側仕切板5g、7つ(複数)の反応管5h、第1触媒5i及び第2触媒5jを備えている。
FIG. 2 is a vertical sectional view (a) and a horizontal sectional view (b) showing a detailed configuration of such a methanation reaction device 5. The methanation reaction apparatus 5 is a so-called shell-and-tube type reactor, and as shown in FIGS. 2A and 2B, the
シェル5aは、メタネーション反応装置5の外郭を構成する略円筒状の容器であり、中心軸が垂直方向を向く縦置きに設置されている。このシェル5aは、上述した各構成要素のうち、流入側仕切板5f、流出側仕切板5g、複数の反応管5h、第1触媒5i及び第2触媒5jを収容している。
The
ガス流入口5bは、上記シェル5aの頂部中心に設けられ、入力ガスX5が流入する開口である。このガス流入口5bは、所定の配管で温度調節器4と接続されており、温度調節器4から排出された入力ガスX5を受け入れる。ガス流出口5cは、上記シェル5aの底部中心に設けられ、出力ガスX6が流出する開口である。このガス流出口5cは、所定の配管で脱炭酸装置8と接続されており、出力ガスX6を脱炭酸装置8に向けて排出する。
The
冷媒流入口5dは、上記シェル5aの側部において比較的下部に設けられ、所定の冷媒X7が流入する開口である。この冷媒流入口5dは、所定の配管で循環ポンプ6と接続されており、循環ポンプ6から吐出された冷媒X7を受け入れる。冷媒流出口5eは、上記シェル5aの側部において比較的上部に設けられ、上記冷媒X7が流出する開口である。この冷媒流出口5eは、所定の配管で第2水蒸気発生器7と接続されており、第2水蒸気発生器7に向けて冷媒X7を排出する。
The
流入側仕切板5fは、上記シェル5aの側部において比較的上側に内接する板材である。シェル5aの側部は、図示するように縦型円筒状である。このようなシェル5aの側部に内接する流入側仕切板5fは、7つの開口が形成された円板であり、周縁部がシェル5aの側部内面に気密に接続している。すなわち、この流入側仕切板5fは、シェル5aの内部において略水平姿勢に設けられた円板である。
The inflow
流出側仕切板5gは、上記シェル5aの側部において比較的下側に内接する板材である。この流出側仕切板5gは、上述した流入側仕切板5fと同形状の円板であり、周縁部がシェル5aの側部内面に気密に接続している。すなわち、この流出側仕切板5gは、シェル5aの内部において流入側仕切板5fと所定間隔を空けて平行対峙する姿勢で設けられている。
The outflow-
ここで、流入側仕切板5f及び流出側仕切板5gにおける開口は、複数の反応管5hに対応して形成されている。すなわち、流入側仕切板5f及び流出側仕切板5gの各開口は、互いに等間隔となるように形成されており、また反応管5hの形状に対応した形状かつ反応管5hの個数に対応した個数だけ形成されている。
Here, the openings in the inflow
7つの反応管5hは、所定の内径を有し、上述した流入側仕切板5fと流出側仕切板5gとの間に略垂直姿勢で設けられた円管かつ直管である。すなわち、これら反応管5hは、上端が流入側仕切板5fにおける1つの開口に対して気密に接続し、下端が流出側仕切板5gにおける1つの開口に対して気密に接続している。
The seven
第1触媒5i及び第2触媒5jは、7つの反応管5hの内部に各々充填されており、メタネーション反応を促進させる。これら第1触媒5i及び第2触媒5jは、所定の粒状担体(例えばシリカ)に所定量の活性金属(例えばニッケル)を担持させたものである。すなわち、第1触媒5i及び第2触媒5jは同一組成を有する。本実施形態では、粒状担体に対する活性金属の体積割合を「触媒濃度」という。
The
第1触媒5iは、反応管5hにおける入力ガスX5の流入方向において第2触媒5jよりも上流側に位置し、触媒濃度が第2触媒5jよりも低い触媒である。これに対して、第2触媒5jは、入力ガスX5の流入方向において第1触媒5iよりも下流側に位置し、上記触媒濃度が第1触媒5iよりも高い触媒である。
The
すなわち、反応管5hにおいて上流側に位置する第1触媒5iは、下流側に位置する第2触媒5jよりも触媒としての性能(活性)が低い。換言すると、第1触媒5i及び第2触媒5jは、反応管5hにおける入力ガスX5の流入方向において活性が順次上昇するように配置されている。このような第1触媒5i及び第2触媒5jのうち、第1触媒5iの触媒濃度は例えば30%であり、また第2触媒5jの触媒濃度は例えば50%である。
That is, the performance (activity) of the
ここで、シェル5aの内部空間は、流入側仕切板5f、流出側仕切板5g及び7つ反応管5hによって2つの空間に分割されている。一方の空間は、ガス流入口5b及びガス流出口5cに連通し、入力ガスX5及び出力ガスX6が流通するカス流通空間であり、他方の空間は、冷媒流入口5d及び冷媒流出口5eに連通し、冷媒X7が流通する冷媒流通空間である。これらカス流通空間と冷媒流通空間とは、図示するように熱交換可能に隣接している。
Here, the internal space of the
循環ポンプ6は、冷媒X7をメタネーション反応装置5と第2水蒸気発生器7との間で循環させる動力源である。この循環ポンプ6は、メタネーション反応装置5で加熱された冷媒X7を回収して第2水蒸気発生器7に供給すると共に、当該第2水蒸気発生器7で冷却された冷媒X7をメタネーション反応装置5に供給する。冷媒X7は、例えば石油系オイルである。
The
第2水蒸気発生器7は、水と冷媒X7とを熱交換させることにより水蒸気X2を生成する水蒸気発生装置である。すなわち、この第2水蒸気発生器7は、メタネーション反応装置5で発生する熱を用いて水蒸気X2を生成し、当該水蒸気X2の一部をシフト反応器1の前段に供給して原料ガスX1に混合させ、残りをメタネーション反応装置5の前段に供給して入力ガスX5と混合させる。なお、この第2水蒸気発生器7は、水との熱交換によって冷媒X7を冷却する冷媒冷却器でもある。 The second steam generator 7 is a steam generator that generates steam X2 by exchanging heat between water and the refrigerant X7. That is, the second steam generator 7 uses the heat generated in the methanation reaction device 5 to generate steam X2, and supplies a part of the steam X2 to the front stage of the shift reactor 1 to supply the raw material gas X1. The mixture is mixed, and the rest is supplied to the preceding stage of the methanation reaction device 5 and mixed with the input gas X5. The second steam generator 7 is also a refrigerant cooler that cools the refrigerant X7 by exchanging heat with water.
ここで、上述したようにメタネーション反応では、一酸化炭素(CO)と水素(H2)とからメタン(CH4)と水(H2O)とが生成されるが、熱力学的平衡により、二酸化炭素(CO2)と一酸化炭素ガス(CO)の共存条件となるシフト反応が生じ、二酸化炭素(CO2)と未反応の一酸化炭素(CO)が出力ガスX6に不可避的に含まれる。 Here, as described above, in the methanation reaction, methane (CH 4 ) and water (H 2 O) are produced from carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ), but due to thermodynamic equilibrium , A shift reaction that is a coexisting condition of carbon dioxide (CO 2 ) and carbon monoxide gas (CO) occurs, and carbon dioxide (CO 2 ) and unreacted carbon monoxide (CO) are inevitably included in the output gas X6. Be done.
脱炭酸装置8は、このような出力ガスX6に脱炭酸処理を施すことにより製品ガスX8を生成する。すなわち、脱炭酸装置8は、出力ガスX6から一酸化炭素(CO)及び二酸化炭素(CO2)を除去した製品ガスX8を生成して外部の需要先に出力する。
The decarbonation device 8 produces a product gas X8 by subjecting such output gas X6 to decarbonation. In other words,
次に、このように構成されたガス製造設備の動作、特にメタネーション反応装置5で行われるメタネーション反応について、図3及び図4をも参照して詳しく説明する。 Next, the operation of the gas production facility thus configured, particularly the methanation reaction performed in the methanation reaction device 5, will be described in detail with reference to FIGS. 3 and 4.
このガス製造設備では、原料ガスX1が水蒸気X2と混合されてシフト反応器1に供給される。シフト反応器1では、原料ガスX1に含まれる水素(H2)と一酸化炭素(CO)とのモル比が水蒸気X2を用いたシフト反応によって3対1に調整され、シフト反応ガスX3として脱硫・脱炭酸装置3に出力される。 In this gas production facility, the raw material gas X1 is mixed with the steam X2 and supplied to the shift reactor 1. In the shift reactor 1, the molar ratio of hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) contained in the raw material gas X1 is adjusted to 3:1 by the shift reaction using the steam X2, and desulfurization is performed as the shift reaction gas X3. -It is output to the carbon dioxide removal device 3.
そして、シフト反応ガスX3は、シフト反応器1と脱硫・脱炭酸装置3との間に設けられた第1水蒸気発生器2を通過する際に水と熱交換(間接熱交換)されることにより水蒸気X2を発生させる。一方、脱硫・脱炭酸装置3では、シフト反応ガスX3に含まれる硫黄(S)分及び炭酸分(二酸化炭素)が除去され、シフト反応によって生成された一酸化炭素(CO)と水素(H2)とを成分とする処理後ガスX4が温度調節器4に出力される。
The shift reaction gas X3 is heat-exchanged (indirect heat exchange) with water when passing through the
この処理後ガスX4は、温度調節器4によってメタネーション反応に最適化された温度に調整され、入力ガスX5としてメタネーション反応装置5に出力される。この入力ガスX5は、途中で水蒸気X2が混合されてメタネーション反応装置5に入力される。そして、このメタネーション反応装置5では、水蒸気X2の作用によってメタネーション触媒での炭素析出が抑制されつつ、入力ガスX5に含まれる一酸化炭素(CO)と水素(H2)とからメタン(CH4)と水(H2O)とが生成される。 The post-treatment gas X4 is adjusted to a temperature optimized for the methanation reaction by the temperature controller 4, and is output to the methanation reaction device 5 as the input gas X5. This input gas X5 is mixed with water vapor X2 on the way and is input to the methanation reaction device 5. Then, in the methanation reaction device 5, while carbon deposition on the methanation catalyst is suppressed by the action of the water vapor X2, methane (CH 2 ) is converted from carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) contained in the input gas X5. 4 ) and water (H 2 O) are produced.
そして、このメタン(CH4)と水(H2O)とを主成分とする出力ガスX6は、脱炭酸装置8に出力される。この脱炭酸装置8では、出力ガスX6から炭酸分(一酸化炭素及び二酸化炭素)が除去されることにより製品ガスX8が生成される。そして、この製品ガスX8は、メタン(CH4)を主成分とする可燃性ガスとして需要先に供給される。 Then, the output gas X6 containing methane (CH 4 ) and water (H 2 O) as main components is output to the decarbonation device 8. In the decarbonator 8, carbon dioxide (carbon monoxide and carbon dioxide) is removed from the output gas X6 to generate a product gas X8. Then, the product gas X8 is supplied to the customer as a combustible gas containing methane (CH 4 ) as a main component.
異常がガス製造設備の全体的な動作であるが、メタネーション反応装置5では、発熱反応であるメタネーション反応によって熱が発生する。すなわち、各反応管5hでは下式(2)に示す発熱反応が発生する。
CO+3H2⇔CH4+H2O+Q2(熱量) (2)
熱力学的平衡であるメタネーション反応を各反応管5hで所望の反応速度に維持するためには、メタネーション反応装置5の各反応管5hにおける熱の除去が極めて重要である。
The abnormality is the overall operation of the gas production facility, but in the methanation reaction device 5, heat is generated by the methanation reaction, which is an exothermic reaction. That is, an exothermic reaction represented by the following formula (2) occurs in each
CO+3H 2 ⇔ CH 4 +H 2 O+Q2 (heat quantity) (2)
In order to maintain the methanation reaction, which is thermodynamic equilibrium, at a desired reaction rate in each
このような背景から、メタネーション反応装置5では、各反応管5hの周囲の冷媒流通空間を流通する冷媒X7にメタネーション反応の熱が伝熱することにより反応管5h内の反応場つまり第1触媒5i及び第2触媒5jの近傍部位が冷却される。この伝熱は、冷媒流通空間を流通する冷媒X7の流通方向と各反応管5h内を流通する入力ガスX5及び出力ガスX6の流通方向とが逆向き、つまり冷媒X7の流通方向が入力ガスX5及び出力ガスX6の流通方向に対して対向流となっているので効果的に行われる。
From such a background, in the methanation reaction device 5, the heat of the methanation reaction is transferred to the refrigerant X7 flowing in the refrigerant flow space around each
また、このメタネーション反応装置5では、反応管5hにおいて上流側に比較的活性の低い第1触媒5iを配置し、また下流側に比較的活性の高い第2触媒5jを配置しているので、メタネーション反応の反応率(CO転化率)を目標転化率に維持しつつ反応管5hの最高温度を低減することが可能である。
Further, in this methanation reaction device 5, since the relatively low activity
すなわち、従来では単一種類のニッケル触媒を用いて目標転化率を達成していたので、反応管における入力ガスの流れ方向において触媒の最も上流側の温度が最高温度となるが、本実施形態では,入力ガスX5の流れ方向において上流側に活性が比較的低い第1触媒5iを配置し、下流側に活性が比較的高い第2触媒5jを配置しているので、目標転化率を達成しつつ第1触媒5iにおける熱の発生を抑制することが可能である。
That is, since the target conversion rate was conventionally achieved by using a single type of nickel catalyst, the temperature on the most upstream side of the catalyst in the flow direction of the input gas in the reaction tube is the highest temperature. , The
図3は、本実施形態における反応管5hの温度分布を示す特性図である。なお、この図3において、四角で示すグラフは、第1触媒5iの触媒濃度を30%かつ第2触媒5jの触媒濃度を50%とし、また入力ガスX5の流速を15000h−1とした場合の温度分布である。この場合の最高温度は460℃程度である。また、三角で示すグラフは、比較例であり、触媒濃度が50%の単一種類のニッケル触媒を用いた場合の温度分布である。なお、いずれの場合もCO転化率は99%である。この場合の最高温度は490℃弱である。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the temperature distribution of the
このような特性図からも判るように、本実施形態によれば、反応率(CO転化率)を低下させることなくメタネーション反応(発熱反応)を行う反応管5hの最高温度を低減することが可能である。例えば、図3に示すように触媒濃度が50%の単一種類のニッケル触媒を用いた場合の最高温度は490℃近くになるが、第1触媒5iの触媒濃度を30%かつ第2触媒5jの触媒濃度を50%とした場合の最高温度は460℃近くに低減されている。
As can be seen from such a characteristic diagram, according to the present embodiment, it is possible to reduce the maximum temperature of the
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
(1)上記実施形態では、発熱反応の一種であるメタネーション反応について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、メタネーション反応以外の各種発熱反応に適用可能である。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the following modifications are conceivable, for example.
(1) In the above embodiment, the methanation reaction, which is a kind of exothermic reaction, has been described, but the present invention is not limited to this. The present invention can be applied to various exothermic reactions other than the methanation reaction.
(2)上記実施形態では、第1触媒5i及び第2触媒5j、つまり入力ガスX5の流入方向において触媒活性を2段階に変化させたが、本発明はこれに限定されない。例えば触媒活性を3段階に変化させるべく、第1触媒5i及び第2触媒5jに加え、第2触媒5jよりも触媒濃度が高い第3触媒を設けてもよい。
(2) In the above embodiment, the catalyst activity is changed in two stages in the inflow direction of the
(3)上記実施形態では、触媒濃度が異なる第1触媒5i及び第2触媒5jを採用したが、本発明はこれに限定されない。触媒活性を第1触媒と第2触媒とで異ならせる方法として、例えば触媒濃度に代えて活性金属の組成を第1触媒と第2触媒とで異ならせてもよい。
(3) In the above embodiment, the
(4)上記実施形態では、図1に示したガス製造設備の構成を採用したが、本発明はこれに限定されない。本発明に係る触媒反応装置を構成要素とするプラント設備の構成には、図1の構成に限定されない様々な構成が考えられる。 (4) In the above embodiment, the configuration of the gas production facility shown in FIG. 1 was adopted, but the present invention is not limited to this. Various configurations, which are not limited to the configuration of FIG. 1, are conceivable for the configuration of plant equipment including the catalytic reaction device according to the present invention as a component.
1 シフト反応器
2 第1水蒸気発生器
3 脱硫・脱炭酸装置
4 温度調節器
5 メタネーション反応装置(触媒反応装置)
5a シェル
5b ガス流入口
5c ガス流出口
5d 冷媒流入口
5e 冷媒流出口
5f 流入側仕切板
5g 流出側仕切板
5h 反応管
5i 第1触媒
5j 第2触媒
6 循環ポンプ
7 第2水蒸気発生器
8 脱炭酸装置
X1 原料ガス
X2 水蒸気
X3 シフト反応ガス
X4 処理後ガス
X5 入力ガス
X6 出力ガス
X7 冷媒
X8 製品ガス
1
Claims (7)
前記触媒は、前記入力ガスの流入方向において活性が順次上昇することを特徴とする触媒反応装置。 A catalytic reaction device for exothermically reacting an input gas in the presence of a catalyst,
The catalytic reaction device is characterized in that the activity of the catalyst gradually increases in the inflow direction of the input gas.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2018
- 2018-12-12 JP JP2018232860A patent/JP2020093216A/en active Pending
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