JP2022095370A - 触媒反応装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】長手方向において過度な温度差が生じず、反応熱の除去に優れる反応管およびその製造方法と、流体状原料を触媒存在下で反応させて流体状生成物を得るための、触媒反応装置および触媒反応方法を提供する。【解決手段】筒状の非多孔質層２、その内側に積層されてなる多孔質層１からなり、流体流入口と流体流出口とを有し、流体流入口から流体流出口までを連通する反応管内腔３を有する、多層構造管と、多孔質層に担持されてなる触媒とを具備してなる反応管、ならびに反応管と、伝熱媒体流入口と伝熱媒体流出口とを有し、伝熱媒体流入口から伝熱媒体流出口までを連通する伝熱媒体管内腔を有する伝熱媒体管とを含有し、流体流入口にて流体状原料が反応管内腔に流入し、反応管内腔にて流体状原料を触媒と接触させて化学反応させ、流体流出口にて化学反応で得られる流体状生成物を含む流体混合物が流出する、触媒反応装置および触媒反応方法。【選択図】図１
Description
本発明は、触媒反応装置に関する。より詳細に、本発明は、流体状原料を触媒の存在下で化学反応させて流体状生成物を得るための触媒反応装置に関する。
流体状生成物を得るための触媒反応装置として種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１は、反応管内に充填して用いられる接触気相反応用の触媒であって、該触媒の形状が柱状であり、その長手方向の長さが反応管の内径よりも長く、かつ、長手方向に少なくとも１つ以上の貫通孔を有することを特徴とする接触気相反応用の柱状触媒を反応管内の触媒層入口端部に設置した後、該触媒の周囲および／または後方に該触媒とは異なる形状を有する粒状触媒を充填して反応を行うことを特徴とする接触気相反応方法を開示している。
例えば、特許文献１は、反応管内に充填して用いられる接触気相反応用の触媒であって、該触媒の形状が柱状であり、その長手方向の長さが反応管の内径よりも長く、かつ、長手方向に少なくとも１つ以上の貫通孔を有することを特徴とする接触気相反応用の柱状触媒を反応管内の触媒層入口端部に設置した後、該触媒の周囲および／または後方に該触媒とは異なる形状を有する粒状触媒を充填して反応を行うことを特徴とする接触気相反応方法を開示している。
特許文献２は、円筒状成形触媒反応管を収容してなる気相反応のための触媒反応器であって、前記円筒状成形触媒反応管には、前記触媒反応器の原料気体の入口から出口の方向に触媒活性の傾斜が設けられていることを特徴とする触媒反応器を開示している。
特許文献３は、多孔質合金溶射膜を内側としてこれと多孔質セラミック溶射膜とを積層したことを特徴とする混成型多孔質管体を開示している。
非特許文献１および２は、３Ｄプリント技術を応用して、金属触媒反応器を作製したことを開示している。
Quinhong Wei et al."Metal 3D printing technology for functional integration of catlytic system" NATURE COMMUNICATIONS | (2020) 11:4098 | https://doi.org/10.1038/s41467-020-17941-8 | www.nature.com/naturecommunications
「世界初、自己触媒機能付き金属触媒反応器を３Dプリント技術で作成～高温・高圧反応可能、プラントを劇的に小型化～」JST News Release 令和２年８月１４日
本発明の課題は、長手方向において過度な温度差が生じないように、反応熱の除去に優れる反応管およびその製造方法、ならびに流体状原料を触媒の存在下で化学反応させて流体状生成物を得るための、触媒反応装置および触媒反応方法を提供することである。
上記課題を解決するために以下の形態を包含する本発明を完成するに至った。
〔１〕 筒状の非多孔質層およびその内側に積層されてなる筒状の多孔質層からなり、流体流入口と流体流出口とを有し、且つ流体流入口から流体流出口までを連通する反応管内腔を有する、多層構造管と、
多孔質層に担持された触媒とを、
具備してなる、反応管。
多孔質層に担持された触媒とを、
具備してなる、反応管。
〔２〕 筒状の多孔質層の内面から反応管内腔に向かって凸に設けられた板状の多孔質層をさらに有する、〔１〕に記載の反応管。
〔３〕 板状の多孔質層が、十字状の形を成している、〔２〕に記載の反応管。
〔４〕 板状の多孔質層が、らせん状の形を成している、〔２〕に記載の反応管。
〔５〕 多層構造管の外面から外側に向かって凸に設けられたプレートフィンをさらに有する、〔１〕～〔４〕のいずれかひとつに記載の反応管。
〔３〕 板状の多孔質層が、十字状の形を成している、〔２〕に記載の反応管。
〔４〕 板状の多孔質層が、らせん状の形を成している、〔２〕に記載の反応管。
〔５〕 多層構造管の外面から外側に向かって凸に設けられたプレートフィンをさらに有する、〔１〕～〔４〕のいずれかひとつに記載の反応管。
〔６〕 〔１〕～〔５〕のいずれかひとつに記載の反応管と、
伝熱媒体流入口と伝熱媒体流出口とを有し且つ伝熱媒体流入口から伝熱媒体流出口までを連通する伝熱媒体管内腔を有する伝熱媒体管とを含有し、
流体流入口にて流体状原料が反応管内腔に流入し、反応管内腔にて流体状原料を触媒と接触させて化学反応させ、流体流出口にて反応管内腔から前記化学反応で得られる流体状生成物を含む流体混合物が流出する、機構、
伝熱媒体流入口にて伝熱媒体が伝熱媒体管内腔に流入し、伝熱媒体流出口にて第一伝熱媒体管内腔から伝熱媒体が流出する、機構、および
反応管が伝熱媒体管内腔に挿通されていて、伝熱媒体管内腔内の伝熱媒体が反応管壁を介して反応管内腔内のものとの間で熱交換する、機構を有する、
反応器を具備する、
触媒反応装置。
伝熱媒体流入口と伝熱媒体流出口とを有し且つ伝熱媒体流入口から伝熱媒体流出口までを連通する伝熱媒体管内腔を有する伝熱媒体管とを含有し、
流体流入口にて流体状原料が反応管内腔に流入し、反応管内腔にて流体状原料を触媒と接触させて化学反応させ、流体流出口にて反応管内腔から前記化学反応で得られる流体状生成物を含む流体混合物が流出する、機構、
伝熱媒体流入口にて伝熱媒体が伝熱媒体管内腔に流入し、伝熱媒体流出口にて第一伝熱媒体管内腔から伝熱媒体が流出する、機構、および
反応管が伝熱媒体管内腔に挿通されていて、伝熱媒体管内腔内の伝熱媒体が反応管壁を介して反応管内腔内のものとの間で熱交換する、機構を有する、
反応器を具備する、
触媒反応装置。
〔７〕 多層構造管の外面から外側に向かって凸に設けられたプレートフィンを有する反応管が複数あり、各反応管は、伝熱媒体管の長手方向に平行になるように配置されており且つ隣接する別の反応管とプレートフィンを介して相互に連結されている、〔６〕に記載の触媒反応装置。
〔８〕 〔６〕または〔７〕に記載の触媒反応装置において、
流体状原料を流体流入口にて反応管内腔に供給すること、
伝熱媒体を伝熱媒体流入口にて伝熱媒体管内腔に供給し、伝熱媒体管内腔に流し且つ伝熱媒体管内腔から伝熱媒体流出口にて排出することによって、反応管内腔内のものの温度を制御しながら化学反応を行うこと、
反応管内腔から流体流出口にて前記化学反応で得られる流体状生成物を含む流体混合物を排出すること
を含む、
流体状生成物を得るための方法。
流体状原料を流体流入口にて反応管内腔に供給すること、
伝熱媒体を伝熱媒体流入口にて伝熱媒体管内腔に供給し、伝熱媒体管内腔に流し且つ伝熱媒体管内腔から伝熱媒体流出口にて排出することによって、反応管内腔内のものの温度を制御しながら化学反応を行うこと、
反応管内腔から流体流出口にて前記化学反応で得られる流体状生成物を含む流体混合物を排出すること
を含む、
流体状生成物を得るための方法。
〔９〕 流体状原料が水素および二酸化炭素を含むものであり、流体状生成物が一酸化炭素、メタノールまたはメタンを含むものである、〔８〕に記載の方法。
〔１０〕 敷き詰めた材料粉末に、多孔質層に対応する部分への照射よりも非多孔質層に対応する部分への照射が強くなるように、レーザまたは電子ビームを照射して焼結させることによって、環状の非多孔質層と、その内側に積層されてなる環状の多孔質層とからなる多層構造板を形成することを繰り返して、筒状の非多孔質層およびその内側に積層されてなる筒状の多孔質層からなり、流体流入口と流体流出口とを有し、且つ流体流入口から流体流出口までを連通する反応管内腔を有する、多層構造管を得ること、および
多孔質層に、触媒を担持させることを含む、
反応管の製造方法。
多孔質層に、触媒を担持させることを含む、
反応管の製造方法。
粒状触媒を充填した反応管においては、粒状触媒が管壁よりも熱伝導率が低く、管壁から離れた位置にある粒状触媒からの熱の伝達効率が低い。また、内径の小さい管においては粒状触媒の充填が容易でない。
一方、本発明の反応管は、触媒の担持された多孔質層に積層された非多孔質層に反応熱を直に伝達できるので、熱の除去に優れており、長手方向において過度な温度差（ホットスポット）が生じにくい。その結果、ホットスポットでの触媒劣化などの不具合の発生を防ぐことができる。
本発明の反応管の製造方法によれば、粒状触媒などの充填が困難な、内径の小さい管であっても、化学反応のために必要且つ十分な量の触媒を、簡単に、均一に担持できる。本発明の反応管の製造方法によれば、伝熱を高めるために管壁を薄くし且つ軽量化しても、耐圧性を十分に確保できる。
本発明の触媒反応装置および触媒反応方法は、反応管内の温度分布を所定範囲内に均一に制御でき、長期間にわたって安定的に流体状原料を触媒の存在下で所望の圧力下で化学反応させて流体状生成物を得ることができる。
本発明は、ＣＯ2を利用してメタンガスおよび水を生成する化学反応などにおいて好ましく用いられる。
一方、本発明の反応管は、触媒の担持された多孔質層に積層された非多孔質層に反応熱を直に伝達できるので、熱の除去に優れており、長手方向において過度な温度差（ホットスポット）が生じにくい。その結果、ホットスポットでの触媒劣化などの不具合の発生を防ぐことができる。
本発明の反応管の製造方法によれば、粒状触媒などの充填が困難な、内径の小さい管であっても、化学反応のために必要且つ十分な量の触媒を、簡単に、均一に担持できる。本発明の反応管の製造方法によれば、伝熱を高めるために管壁を薄くし且つ軽量化しても、耐圧性を十分に確保できる。
本発明の触媒反応装置および触媒反応方法は、反応管内の温度分布を所定範囲内に均一に制御でき、長期間にわたって安定的に流体状原料を触媒の存在下で所望の圧力下で化学反応させて流体状生成物を得ることができる。
本発明は、ＣＯ2を利用してメタンガスおよび水を生成する化学反応などにおいて好ましく用いられる。
図面を参照しながら本発明を説明する。ただし、本発明は図面に示した態様のものに限定されない。
本発明の反応管は、多層構造管と、触媒とを、具備してなるものである。
多層構造管は、筒状の非多孔質層2と、その内側に積層されてなる筒状の多孔質層1とからなる。多層構造管は、流体流入口と流体流出口とを有し、且つ流体流入口から流体流出口までを連通する反応管内腔3を有する。多層構造管の長手方向に直角に切断した面（横断面）は、例えば、円形、卵形、楕円形、長円形、角丸四角形、四角形などであることができ、耐圧性と軽量化との観点から、好ましくは円形である（例えば、図１参照）。多層構造管の内径および外径は、反応規模、強度、耐圧力などに応じて適宜設計できる。なお、内径および外径は、長手方向に直角な断面において、流体が流れている部分の面積をＡ、流体が管路と接している周の長さ(浸辺長)をＬとするとき、４Ａ／Ｌにて定義される値（相当径）である。なお、流体は、液体、気体または気液混合体、好ましくは気体である。
多孔質層は、多数の細孔の空いた構造の層である。多孔質層は、流体が一方から他方に通り抜けることができる細孔（連通孔）を有することが好ましい。多孔質層は、全てが連通孔である必要は無く、流体が入り込める細孔容積を有するものであれば、行き止まりの細孔であってもよい。多孔質層は、触媒の担体となる部分であるので、反応管において行う化学反応に応じて、金属製のもの、セラミックス製のものなどから、適宜、選定することができる。熱伝導性の観点から、多孔質層は、金属製が好ましい。多孔質層の厚さは、特に制限されないが、例えば、０．１～２．０ｍｍである。多孔質層における、相対密度、空隙率、開放気孔率、有効孔隙率、細孔径分布などは、反応管において行う化学反応に応じて、適宜、設定できる。例えば、多孔質層は、相対密度が、好ましくは２０％～８０％である。なお、相対密度（密度指数）は、次式にて定義される。
相対密度［％］＝見かけ密度／真密度×１００
なお、真密度は、固体自身が占める体積だけを密度算定用の体積とした場合の密度であり、金属バルクの密度を真密度として用いるか、又はピクノメーター法に基づいて算出できる。見かけ密度は、固体自身と内部空隙を体積とした場合の密度であり、アルキメデス法に基づいて算出できる。嵩密度は、固体自身、細孔および内部空隙を体積とした場合の密度のことであり、ノギスやマイクロメータなどを用いる寸法法に基づいて算出できる。
相対密度［％］＝見かけ密度／真密度×１００
なお、真密度は、固体自身が占める体積だけを密度算定用の体積とした場合の密度であり、金属バルクの密度を真密度として用いるか、又はピクノメーター法に基づいて算出できる。見かけ密度は、固体自身と内部空隙を体積とした場合の密度であり、アルキメデス法に基づいて算出できる。嵩密度は、固体自身、細孔および内部空隙を体積とした場合の密度のことであり、ノギスやマイクロメータなどを用いる寸法法に基づいて算出できる。
非多孔質層は、連通孔を実質的に有しない、稠密な若しくは緻密な構造の層である。非多孔質層は、流体を実質的に遮断し、流体が漏れ出ないようにする。非多孔質層は、本発明の効果を奏する限り、層内部に封じ込められた空隙（内部空隙）を有していてもよい。例えば、非多孔質層は、相対密度が、好ましくは９９％以上、最も好ましくは１００％である。非多孔質層は、金属製のもの、セラミックス製のものなどから、適宜、選定することができる。熱伝導性の観点から、非多孔質層は、金属製が好ましい。非多孔質層の厚さは、特に制限されないが、例えば、０．１～２．０ｍｍである。また、熱膨張などの観点から、多孔質層と非多孔質層は、同じ材質のもので作製することが好ましい。
多孔質層から非多孔質層までの細孔の割合の遷移は、ステップワイズであってもよいし、グラデーションであってもよい。また、非多孔質層の厚さに対する多孔質層の厚さの比は、好ましくは１／５０～５０／１、より好ましくは１／３０～１０／１、さらに好ましくは１／１０～２／１である。
触媒は、前記の多孔質層に担持されている。触媒は、反応管において行う化学反応に応じて、適宜、選定することができる。例えば、二酸化炭素若しくは一酸化炭素のメタン化反応（メタネーション）においては、Ｎｉ系触媒、白金族金属系触媒、その他の貴金属系触媒等などを用いることができる。メタネーション触媒の具体例としては、ニッケルアルミネート（ＮｉＡｌxＯy）、Ｒｕ／ＮｉＡｌxＯy、Ｒｕ／Ａｌ2Ｏ3、Ｒｕ／ＴｉＯ2、Ｎｉ／ＴｉＯ2、Ｒｕ-Ｎｉ／ＴｉＯ2などを挙げることができる。ＣＯ選択酸化触媒の具体例としては、Ｒｕ／Ａｌ2Ｏ3、Ｒｕ／Ｃ、Ｒｈポルフィリン／Ｃ、Ｃｏx－Ｆｅ2Ｏ、Ｃｏ3Ｏ4、Ｃｕ／ＣｅＯ2－ＺｒＯ2、Ｎｉ／ＣｅＯ2－ＺｒＯ2、Ｃｏ／ＣｅＯ2－ＺｒＯ2、Ｆｅ／ＣｅＯ2－ＺｒＯ2、Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3、ＣｕＭｎ2Ｏ4、ＣｕＺｎＯ、Ｐｔ／ＳｉＯ2，Ｐｄ／Ａｌ2Ｏ3、Ｐｔ／ＳｎＯ2、Ｐｄ／ＣｅＯ2、Ｐｔ／ＴｉＯ2、ＰｄＣｌ2－ＣｕＣｌ2／Ｃ、Ａｕ／ＴｉＯ2、Ａｕ／Ｆｅ2Ｏ3などを挙げることができる。
多孔質層への触媒の担持は、その手法において、特に制限されない。例えば、触媒を構成する成分（触媒成分）の水溶液または分散液を多孔質層に接触させることによって、担持することができる。触媒成分の水溶液または分散液の多孔質層への接触は、触媒成分の水溶液または分散液に多孔質層を具備する反応管を浸漬する方法、多孔質層を具備する反応管に触媒成分の水溶液または分散液を流す方法、などによって行うことができる。接触させた後に、必要に応じて、熱処理（例えば、乾燥、焼成など）を施すことができる。
本発明の反応管の他の一態様は、筒状の多孔質層の内面から反応管内腔に向かって凸に設けられた板状の多孔質層4をさらに有する（例えば、図２）。板状の多孔質層の形状は、特に制限されない。例えば、本発明の反応管の他の一の態様は、板状の多孔質層5が、十字状の形を成している（例えば、図３）。本発明の反応管の他の一の態様は、板状の多孔質層6が、らせん状の形を成している（例えば、図４および５）。板状の多孔質層は、流体の流れの制御、触媒の担持量の増加、流体と多孔質層との接触面積の増加などに寄与する。
本発明の反応管の他の一の態様は、多層構造管の外面から外側に向かって凸に設けられたプレートフィン11をさらに有する。プレートフィンは、多層構造管の長手方向に対して板面が平行になるように設けてもよいし、板面がらせん状になるように設けてもよいし、多層構造管の長手方向に対して板面が非平行（例えば、直角など）になるように設けてもよい。
本発明の反応管の他の一の態様は、多層構造管の外面から外側に向かって凸に設けられたプレートフィンの端が隣接する別の多層構造管の外面に繋がっている。例えば、図８に示すように、多層構造管（反応管10）の長手方向に対して板面が平行になるようにプレートフィン11を設け、そのプレートフィン11の端が隣接する別の多層構造管（反応管10）の外面に繋がっている。これによって、反応管の振動の抑制、伝熱媒体の流れ制御、反応熱の放出促進などを行うことができる。
反応管10が伝熱媒体管12の内面に隣接している場合は、多層構造管（反応管10）の外面から外側に向かって凸に設けられたプレートフィンの端が伝熱媒体管の内面に繋がっていてもよい。また、熱膨張などの観点から、プレートフィンは、反応管と同じ材質のもので作製することが好ましい。
反応管10が伝熱媒体管12の内面に隣接している場合は、多層構造管（反応管10）の外面から外側に向かって凸に設けられたプレートフィンの端が伝熱媒体管の内面に繋がっていてもよい。また、熱膨張などの観点から、プレートフィンは、反応管と同じ材質のもので作製することが好ましい。
プレートフィンは、穴の無い板状のものであってもよいし、穴の開いた板状のものであってもよい。穴の開いた板状のものは、当該穴によって伝熱媒体の流れの制御、デッドスペースの低減、伝熱媒体との接触面積の増加などに寄与することができる。穴は、図８に示すような楕円形に限らず、様々な形状とすることができ、目的に応じて適宜な場所に設けることができる。また、プレートフィンは、非多孔質のもので作製してもよいし、多孔質もので作製してもよい。
本発明の触媒反応装置若しくは気相触媒反応装置は、本発明の反応管と伝熱媒体管とを含有する反応器、を具備する。
本発明に用いられる反応器の一態様は、反応管を複数有することが好ましい。各反応管は、その長手方向が、伝熱媒体管の長手方向に平行になるように配置されていることが好ましい。また、各反応管は、隣接する別の反応管とプレートフィンを介して相互に連結されていてもよい。複数の反応管は、すべてが本発明の反応管であってもよいし、一部が本発明の反応管であってもよいが、すべてが本発明の反応管であることが好ましい。
伝熱媒体管12は、伝熱媒体流入口16と伝熱媒体流出口17とを有し且つ伝熱媒体流入口から伝熱媒体流出口までを連通する伝熱媒体管内腔13を有する管である。伝熱媒体管の長手方向に直角に切断した面は、例えば、円形、卵形、楕円形、長円形、角丸四角形、四角形などであることができる。耐圧性と軽量化との観点から、円形が好ましい。
そして、本発明に用いられる反応器は、流体流入口にて流体状原料が反応管内腔に流入し、反応管内腔にて流体状原料を触媒と接触させて化学反応させ、流体流出口にて反応管内腔から前記化学反応で得られる流体状生成物を含む流体混合物が流出する、機構、および伝熱媒体流入口にて伝熱媒体が伝熱媒体管内腔に流入し、伝熱媒体流出口にて第一伝熱媒体管内腔から伝熱媒体が流出する、機構を有し、且つ反応管が伝熱媒体管内腔に挿通されていて、伝熱媒体管内腔内の伝熱媒体が反応管壁を介して反応管内腔内のものとの間で熱交換する、機構を有する。
流体流入口10aは伝熱媒体流入口16または伝熱媒体流出口17と区別されており、流体流入口にて流体状原料が反応管内腔に流入する。流体流入口と伝熱媒体流入口または伝熱媒体流出口との区別は、例えば、反応管の流体流入口側の端部を保持する板25によって行うことができる。
反応器の上流には、流体状原料を調製するための装置、例えば、流体状原料を構成する各成分を所定の割合で混ぜ合わせるための混合機構や、流体状原料を構成する各成分を貯蔵するためのタンクや、コンプレッサ31、熱交換器32などを設置することができる。原料が、液化二酸化炭素のように液体となっている場合には、安全に気化させるなどのために、気化器34などを設けることができる。流体状原料を構成する成分は反応器で行う化学反応に応じて適宜選択でき、例えば、二酸化炭素のメタン化反応に用いられる流体状原料は、水素ガスと二酸化炭素ガスとを少なくとも含むものである。反応管内腔への流体状原料の流入量は、反応器で行う化学反応に応じて適宜設定できる。
伝熱媒体流入口にて伝熱媒体が伝熱媒体管内腔13に流入する。伝熱媒体は、所望の化学反応を行うための温度範囲において変質せず、流動性を維持できるものであれば、特に限定されない。伝熱媒体の具体例としては、グリセリン、ポリグリコールなどの多価アルコール類； アニソール、ジフェニルエーテル、フェノールなどのフェノ－ルおよびフェノール性エーテル； ターフェニルなどのポリフェニル類、ｏ－ジクロルベンゼン、ポリクロルポリフェニルなどの塩素化ベンゼンおよびポリフェニル； テトラアリルケイ酸塩などのケイ酸エステル類； ナフタレン誘導体、鉱油などの分留タールおよび石油類； 硝酸ナトリウム、亜硝酸ナトリウム、硝酸カリウムなどの硝酸塩および亜硝酸塩（Heat Transfer Salt）； シリコーン類； フッ素化合物； グリコール類； Ｎａ金属、Ｋ金属、Ｐｂ金属、Ｐｂ－Ｂｉ共融混合物、Ｎａ－Ｋ合金などの融解金属および合金； などを挙げることができる。
伝熱媒体管内腔13を流れる伝熱媒体の圧力、および反応管内腔3を流れるものの圧力は、特に制限されないが、熱伝達性の観点から非多孔質層の厚さを薄くするために、両圧力の差が、非多孔質層の耐圧強度を下回るようにすることが好ましい。
伝熱媒体管内腔13を流れる伝熱媒体の圧力、および反応管内腔3を流れるものの圧力は、特に制限されないが、熱伝達性の観点から非多孔質層の厚さを薄くするために、両圧力の差が、非多孔質層の耐圧強度を下回るようにすることが好ましい。
伝熱媒体流入口と伝熱媒体流出口とは、その配置において、特に制限されないが、伝熱媒体が反応管の長手方向に対して直角な方向で流れやすくするように、配置することが好ましい。伝熱媒体管の内面の左右から交互に仕切板を設けて、伝熱媒体の流れを蛇行させることができる。また、伝熱媒体管の内面に沿ってらせん状に仕切板を設けて、伝熱媒体の流れを旋回させることができる。なお、仕切板は、反応管の中間部を保持するように反応管が貫通可能な穴を有してもよい。
流体流出口10bは伝熱媒体流入口16または伝熱媒体流出口17と区別されており、流体流出口にて流体状生成物を含む流体混合物が反応管内腔3から流出する。流体流出口と伝熱媒体流入口または伝熱媒体流出口との区別は、例えば、反応管の流体流出口側の端部を保持する板26によって行うことができる。伝熱媒体流出口にて伝熱媒体が伝熱媒体管内腔から流出する。流出した伝熱媒体はリサイクルすることができる。
流体流出口にて流出する流体混合物は、流体状生成物以外に、未反応の流体状原料、流体状副生物などを含むことがある。例えば、二酸化炭素のメタン化反応で得られる、流体状生成物はメタンであり、流体状副生成物は水である。
反応管10は伝熱媒体管内腔13に挿通されていて、伝熱媒体管内腔内の伝熱媒体が反応管の非多孔質層および多孔質層を介して反応管内腔3内の流体との間で熱交換することができる。熱交換の効率の観点から、反応管は、反応管壁の内側面から内に向かって突き出した板状の多孔質層を有することが好ましい。また、反応管は、反応管壁の外側面から外に向かって突き出したプレートフィンを有することが好ましい。
一般に、管型反応器においては、反応管の流れ方向の温度分布が不均一になりやい。発熱量の多い化学反応においてはホットスポットが発生することもある。ホットスポットの発生を抑制し、反応管の流れ方向の温度分布を均一化することが望まれる。
伝熱媒体流入口をホットスポットが発生するおそれのある部分に近い位置に設置したり、仕切板によって伝熱媒体管内腔を分割し、分割されたそれぞれに伝熱媒体流入口および伝熱媒体流出口を設け、分割された伝熱媒体管内腔に流す伝熱媒体のそれぞれの温度を、ホットスポットが発生するおそれのある部分に近い側において、相対的に低くしたりすることができる。また、プレートフィンをホットスポットが発生するおそれのある部分の近辺に多めに設け、その部分における熱移動量を増やすことによって、反応管の流れ方向の温度分布を均一化することができる。プレートフィンは、触媒の置かれた範囲のうち流体流入口に近い側の部分だけに設けられていてもよいし、触媒の置かれた範囲のうち流体流出口に近い側の部分だけに設けられていてもよいし、触媒の置かれた範囲の全部に設けられていてもよい。
伝熱媒体流入口をホットスポットが発生するおそれのある部分に近い位置に設置したり、仕切板によって伝熱媒体管内腔を分割し、分割されたそれぞれに伝熱媒体流入口および伝熱媒体流出口を設け、分割された伝熱媒体管内腔に流す伝熱媒体のそれぞれの温度を、ホットスポットが発生するおそれのある部分に近い側において、相対的に低くしたりすることができる。また、プレートフィンをホットスポットが発生するおそれのある部分の近辺に多めに設け、その部分における熱移動量を増やすことによって、反応管の流れ方向の温度分布を均一化することができる。プレートフィンは、触媒の置かれた範囲のうち流体流入口に近い側の部分だけに設けられていてもよいし、触媒の置かれた範囲のうち流体流出口に近い側の部分だけに設けられていてもよいし、触媒の置かれた範囲の全部に設けられていてもよい。
本発明の触媒反応装置若しくは気相触媒反応装置は、それの製造方法によって特に限定されない。たとえば、反応管および伝熱媒体管ならびに付属物をそれぞれ用意し、それらを溶接、螺合などによって組み立てることで、製造することができる。
複雑な形状を有する反応管、伝熱媒体管、付属物または反応器は、それらの３Ｄデータに基づいて、その断面形状を積層していくことでひと塊の立体物として形成することを含む方法で、製造することができる。
３Ｄデータは、目的部品の３Ｄ形状データであってもよい。３ＤＣＡＤにて３Ｄ形状データを設計することができる。３Ｄデータは、３Ｄ形状データを変換して得られる、例えば、ＳＴＬ(Stereolithography)データであってもよい。ＳＴＬデータは、３次元の立体形状を小さな三角形（ポリゴン）の集合体で表現するものである。
断面形状の積層による立体物の形成（造形）は、パウダーベッドフュージョン（ＰＢＦ）法、メタルデポジッション法、材料押出堆積（ＦＤＭ）法、液体金属インクジェット法、バインダージェット法、ＰＢＦによる積層造形中に切削を行うハイブリッド法などで行うことができる。これらのうち、パウダーベッドフュージョン（ＰＢＦ）法、またはメタルデポジッション法が好ましい。
パウダーベッドフュージョン法は、材料粉末を敷き詰め、熱源となるレーザや電子ビームで造形する部分を溶融・凝固させる方法である。材料粉末を敷き詰め、溶融・凝固を繰り返すことで造形する。造形終了後には、固化していない粉末を取り除いて造形物を取り出す。
パウダーベッドフュージョン法には、レーザビーム熱源方式、電子ビーム熱源方式などがある。
パウダーベッド・レーザビーム熱源方式は、敷き詰められた材料粉末にレーザビームを照射して、溶融・凝固または焼結させて積層造形する。レーザビーム熱源方式は、通常、窒素などの不活性雰囲気中で溶融凝固がなされる。レーザビーム熱源方式はレーザを照射する際の位置決めをミラーの角度を変えて行う。
パウダーベッド・電子ビーム熱源方式は、敷き詰められた材料粉末に電子ビームを高真空中で照射し衝突させることで、運動エネルギーを熱に変換し粉末を溶融させる電子ビーム熱源方式は、通常、真空中で溶融凝固がなされる。電子ビーム熱源方式は、磁界によるレンズを用いて電子ビームの向きを変える。その結果、電子ビーム熱源方式は、高速な位置決めが可能である。
メタルデポジッション法は、溶融した金属材料を所定の場所に積層・凝固させて造形する方法である。メタルデポジッション方法は、造形終了後のパウダー除去の作業を要しない。
メタルデポジッション法には、金属粉末を材料とするレーザビーム熱源方式、合金ワイヤを材料とするアーク放電方式などがある。
メタルデポジッション・レーザビーム熱源方式は、ノズルから金属粉末を噴射すると同時にレーザ光を照射することで金属粉末を溶融池に供給、凝固させて造形を行う。溶融ノズルまたはステージを移動させることによって立体形状を描く。金属粉の供給経路を切り替えることで、異種金属の造形ができる。レーザ出力が大きいので、高速造形に適する。
メタルデポジッション・アーク放電方式は、金属ワイヤ先端のアーク放電により金属ワイヤを溶融し、これを積層することによって造形する。装置価格や材料費が比較的安く、高速造形ができる。
造形の後、応力緩和、強度向上などのために、熱処理することができる。熱処理における、温度、時間、雰囲気などの条件は、使用する金属材料などに応じて適宜設定できる。
本発明の反応管の製造方法の具体的な一形態は、敷き詰めた材料粉末に、多孔質層に対応する部分への照射よりも非多孔質層に対応する部分への照射が強くなるように、レーザまたは電子ビームを照射して焼結させることによって、環状の非多孔質層と、その内側に積層されてなる環状の多孔質層とからなる多層構造板を形成することを繰り返して、筒状の非多孔質層と、その内側に積層されてなる筒状の多孔質層とからなり、流体流入口と流体流出口とを有し、且つ流体流入口から流体流出口までを連通する反応管内腔を有する、多層構造管を得ること、および多孔質層に、触媒を担持させることを含む。材料粉末としては、金属の粉末；酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物などの無機化合物の粉末などを用いることができる。
本発明の流体状生成物を得るための方法は、本発明の触媒反応装置において、流体状原料を流体流入口にて反応管内腔に供給すること、伝熱媒体を伝熱媒体流入口にて伝熱媒体管内腔に供給し、伝熱媒体管内腔に流し且つ伝熱媒体管内腔から伝熱媒体流出口にて排出することによって、反応管内腔内のものの温度を制御しながら化学反応を行うこと、反応管内腔から流体流出口にて前記化学反応で得られる流体状生成物を含む流体混合物を排出すること、を含む。
ＣＯ（一酸化炭素）、メタノールまたはメタンの製造方法においては、流体状原料として、ＣＯ2（二酸化炭素）とＨ2（水素）を含むガスを使用し、ＣＯ2の還元反応を行う。
流入させるＣＯ2とＨ2を含むガスの量は、反応速度、反応管内腔の容量などに応じて、適宜設定できる。
ＣＯ2とＨ2との比率によって、ＣＯ2の還元反応は次のように進行する。
ＣＯ2 ＋ Ｈ2 → ＣＯ ＋ Ｈ2Ｏ
ＣＯ2 ＋ ３Ｈ2 → ＣＨ3ＯＨ ＋ Ｈ2Ｏ
ＣＯ2 ＋ ４Ｈ2 → ＣＨ4 ＋ ２Ｈ2Ｏ
流入させるＣＯ2とＨ2を含むガスの量は、反応速度、反応管内腔の容量などに応じて、適宜設定できる。
ＣＯ2とＨ2との比率によって、ＣＯ2の還元反応は次のように進行する。
ＣＯ2 ＋ Ｈ2 → ＣＯ ＋ Ｈ2Ｏ
ＣＯ2 ＋ ３Ｈ2 → ＣＨ3ＯＨ ＋ Ｈ2Ｏ
ＣＯ2 ＋ ４Ｈ2 → ＣＨ4 ＋ ２Ｈ2Ｏ
本発明の触媒反応装置および流体状生成物を得るための方法は、ＣＯ2（二酸化炭素）とＨ2（水素）を含むガスからＣＯ（一酸化炭素）、メタノールまたはメタンを製造する方法以外のＣ１化学合成法などにも好ましく用いることができる。Ｃ１化学合成法として、例えば、メタンと水（水蒸気）との反応で一酸化炭素と水素とを製造する方法、メタンと二酸化炭素との反応で一酸化炭素と水素とを製造する方法、一酸化炭素と水との反応で二酸化炭素と水素とを製造する方法、メタンと水との反応で二酸化炭素と水素とを製造する方法、一酸化炭素と水素との反応でメタンと二酸化炭素を製造する方法、一酸化炭素と水素との反応でメタノールを製造する方法、一酸化炭素と水素との反応でアセトンと水を製造する方法、メタンと酸素との反応で一酸化炭素と水素、エチレンと水、またはメタノールを製造する方法などを挙げることができる。
本発明においては、ＣＯ2の還元反応により得られる生成物（ＣＯ（一酸化炭素）、メタノールまたはメタン）ならびに未反応物（主にＣＯ2）を、分離精製することができる。分離精製法としては、膜分離法、吸着分離法、吸収分離法、蒸留分離法、深冷分離法等を挙げることができる。メタンの分離精製においては、膜分離法が、分離選択性、分離速度、安価でコンパクトな設備という観点から好ましい。メタンの分離精製において得られる未反応物（主にＣＯ2）と低濃度のメタンは、上記メタンの製造方法における流体状原料として使用することができる。一酸化炭素は人体に対し有毒であるので、一酸化炭素濃度が３０ｐｐｍ以下となるように、処理することが好ましい。一酸化炭素濃度を下げる方法としては、例えば、ＣＯメタネーション反応で一酸化炭素をメタンに転化する、ＣＯ選択酸化反応で一酸化炭素を二酸化炭素に転化する、吸着剤や吸収剤などによって二酸化炭素を吸着または吸収する、などを挙げることができる。
また、分離精製によって得られるメタンを燃料としてガスタービンに供給することができる。このガスタービンにより発電することができる。
ガスタービンからの燃焼排ガスは、通常、二酸化炭素を含むので、これを上記メタンの製造方法における流体状原料として使用することができる。
ガスタービンからの燃焼排ガスは、通常、二酸化炭素を含むので、これを上記メタンの製造方法における流体状原料として使用することができる。
本発明は、各種の化学反応において使用することができる。本発明は、水の電気分解などにて生成する水素の活用、人や動物の呼吸によって若しくは燃料などの燃焼によって生成する二酸化炭素の活用、水の製造、または燃料などとしてのメタンの製造において、有用である。本発明は、宇宙ステーション、宇宙船、ロケットなどにおいても、利用できる。
実施例
長さ３００ｍｍ、外径１１４．３ｍｍおよび厚さ２．１ｍｍのＳＵＳ３１６製の円管（伝熱媒体管12）の内腔に、金属製筒状の非多孔質層およびそれの内側に積層された金属製筒状の多孔質層からなる長さ３００ｍｍ、外径３．９ｍｍおよび内径３．０ｍｍの多層構造管（反応管10）を３２４本、挿通した。隣接する多層構造管の間に、プレートフィンを設置して、両者を繋いで、伝熱媒体管の長手方向に平行となるように、図８のごとく、配置し、保持板25，26にて固定した。多孔質層にＣＯ2メタネーション触媒を含浸法によって３００ｇ／ｍ2（１反応管当たり０．８５ｇ）にて担持した。反応器流体流入口9aおよび反応器流体流出口9bをそれぞれ有する鏡板で保持板25，26の部分を封じた。伝熱媒体管12の側面に伝熱媒体流入口16と伝熱媒体流出口17を設けた。多孔質層には、所定の間隔で、熱電対を設置した。
長さ３００ｍｍ、外径１１４．３ｍｍおよび厚さ２．１ｍｍのＳＵＳ３１６製の円管（伝熱媒体管12）の内腔に、金属製筒状の非多孔質層およびそれの内側に積層された金属製筒状の多孔質層からなる長さ３００ｍｍ、外径３．９ｍｍおよび内径３．０ｍｍの多層構造管（反応管10）を３２４本、挿通した。隣接する多層構造管の間に、プレートフィンを設置して、両者を繋いで、伝熱媒体管の長手方向に平行となるように、図８のごとく、配置し、保持板25，26にて固定した。多孔質層にＣＯ2メタネーション触媒を含浸法によって３００ｇ／ｍ2（１反応管当たり０．８５ｇ）にて担持した。反応器流体流入口9aおよび反応器流体流出口9bをそれぞれ有する鏡板で保持板25，26の部分を封じた。伝熱媒体管12の側面に伝熱媒体流入口16と伝熱媒体流出口17を設けた。多孔質層には、所定の間隔で、熱電対を設置した。
伝熱媒体流入口16から伝熱媒体管内腔に伝熱媒体（商品名バーレルサーム４００，沸点３９０℃）を０．１ＭＰａ未満の圧力で供給し、伝熱媒体管内腔から伝熱媒体流出口17から排出し、反応管流体流入口10aにおける温度を３３０℃に調節した。伝熱媒体の供給流量は、平均で５０Ｌ／ｍｉｎであった。
二酸化炭素２０体積部および水素８０体積部の流体状原料を５．０Ｎｍ3／ｈにてを反応器流体流入口9aから反応管流体流入口10aを通って反応管内腔3に供給した。反応管流体流出口10bを通って反応器流体流出口9bから排出される流体混合物を分析した。二酸化炭素のメタン化反応率は８２％であった。反応管の多孔質層の最高温度は３３３℃であった。反応管の長手方向における温度差は３℃以内であった。
二酸化炭素２０体積部および水素８０体積部の流体状原料を５．０Ｎｍ3／ｈにてを反応器流体流入口9aから反応管流体流入口10aを通って反応管内腔3に供給した。反応管流体流出口10bを通って反応器流体流出口9bから排出される流体混合物を分析した。二酸化炭素のメタン化反応率は８２％であった。反応管の多孔質層の最高温度は３３３℃であった。反応管の長手方向における温度差は３℃以内であった。
比較例
内径３ｍｍおよび長さ３００ｍｍのＳＵＳ３１６製の円管に、粒度１～２ｍｍの粒状のＣＯ2メタネーション触媒と粒度１～２ｍｍの粒状のアルミナとを体積比１：１にて均一混合したものを充填して、反応管を得た。ＣＯ2メタネーション触媒の量は、１反応管当たり０．８５ｇであった。この反応管を用いた以外は、実施例１と同じ条件で二酸化炭素のメタン化反応を行った。二酸化炭素のメタン化反応率は８０％であった。反応管の多孔質層の最高温度は３８０℃であった。反応管の長手方向における温度差は５０℃以内であった。
内径３ｍｍおよび長さ３００ｍｍのＳＵＳ３１６製の円管に、粒度１～２ｍｍの粒状のＣＯ2メタネーション触媒と粒度１～２ｍｍの粒状のアルミナとを体積比１：１にて均一混合したものを充填して、反応管を得た。ＣＯ2メタネーション触媒の量は、１反応管当たり０．８５ｇであった。この反応管を用いた以外は、実施例１と同じ条件で二酸化炭素のメタン化反応を行った。二酸化炭素のメタン化反応率は８０％であった。反応管の多孔質層の最高温度は３８０℃であった。反応管の長手方向における温度差は５０℃以内であった。
（その他の実施形態）
本発明は、上述のような特徴を具備するものであれば、計装、管、槽、塔などの化学工学上の各種機器を具備することができる。また、本発明の主旨を逸脱しない限り、変更、置換、追加、省略をしたものも、本発明の権利範囲に包含されることが、当業者において理解される。
本発明は、上述のような特徴を具備するものであれば、計装、管、槽、塔などの化学工学上の各種機器を具備することができる。また、本発明の主旨を逸脱しない限り、変更、置換、追加、省略をしたものも、本発明の権利範囲に包含されることが、当業者において理解される。
1：筒状の多孔質層
2：筒状の非多孔質層
3：反応管内腔
4,5,6,：板状の多孔質層
10：反応管
10a：反応管流体流入口
10b：反応管流体流出口
11：プレートフィン
12：伝熱媒体管
16：伝熱媒体流入口
17：伝熱媒体流出口
13：伝熱媒体管内腔
20：反応器
9a：反応器流体流入口
9b：反応器流体流出口
25：流体流入口側保持板
26：流体流出口側保持板
30：触媒反応装置
31：圧縮機
32：熱交換器
34：気化器
35：熱交換器
38：気液分離器
21：液体流出管
39：気体流出管
2：筒状の非多孔質層
3：反応管内腔
4,5,6,：板状の多孔質層
10：反応管
10a：反応管流体流入口
10b：反応管流体流出口
11：プレートフィン
12：伝熱媒体管
16：伝熱媒体流入口
17：伝熱媒体流出口
13：伝熱媒体管内腔
20：反応器
9a：反応器流体流入口
9b：反応器流体流出口
25：流体流入口側保持板
26：流体流出口側保持板
30：触媒反応装置
31：圧縮機
32：熱交換器
34：気化器
35：熱交換器
38：気液分離器
21：液体流出管
39：気体流出管
Claims (10)
- 筒状の非多孔質層およびその内側に積層されてなる筒状の多孔質層からなり、流体流入口と流体流出口とを有し、且つ流体流入口から流体流出口までを連通する反応管内腔を有する、多層構造管と、
多孔質層に担持された触媒とを、
具備してなる、反応管。 - 筒状の多孔質層の内面から反応管内腔に向かって凸に設けられた板状の多孔質層をさらに有する、請求項１に記載の反応管。
- 板状の多孔質層が、十字状の形を成している、請求項２に記載の反応管。
- 板状の多孔質層が、らせん状の形を成している、請求項２に記載の反応管。
- 多層構造管の外面から外側に向かって凸に設けられたプレートフィンをさらに有する、請求項１～４のいずれかひとつに記載の反応管。
- 請求項１～５のいずれかひとつに記載の反応管と、
伝熱媒体流入口と伝熱媒体流出口とを有し且つ伝熱媒体流入口から伝熱媒体流出口までを連通する伝熱媒体管内腔を有する伝熱媒体管とを含有し、
流体流入口にて流体状原料が反応管内腔に流入し、反応管内腔にて流体状原料を触媒と接触させて化学反応させ、流体流出口にて反応管内腔から前記化学反応で得られる流体状生成物を含む流体混合物が流出する、機構、
伝熱媒体流入口にて伝熱媒体が伝熱媒体管内腔に流入し、伝熱媒体流出口にて第一伝熱媒体管内腔から伝熱媒体が流出する、機構、および
反応管が伝熱媒体管内腔に挿通されていて、伝熱媒体管内腔内の伝熱媒体が反応管壁を介して反応管内腔内のものとの間で熱交換する、機構を有する、
反応器を具備する、
触媒反応装置。 - 多層構造管の外面から外側に向かって凸に設けられたプレートフィンを有する反応管が複数あり、各反応管は、伝熱媒体管の長手方向に平行になるように配置されており且つ隣接する別の反応管とプレートフィンを介して相互に連結されている、請求項６に記載の触媒反応装置。
- 請求項６または７に記載の触媒反応装置において、
流体状原料を流体流入口にて反応管内腔に供給すること、
伝熱媒体を伝熱媒体流入口にて伝熱媒体管内腔に供給し、伝熱媒体管内腔に流し且つ伝熱媒体管内腔から伝熱媒体流出口にて排出することによって、反応管内腔内のものの温度を制御しながら化学反応を行うこと、
反応管内腔から流体流出口にて前記化学反応で得られる流体状生成物を含む流体混合物を排出すること
を含む、
流体状生成物を得るための方法。 - 流体状原料が水素および二酸化炭素を含むものであり、流体状生成物が一酸化炭素、メタノールまたはメタンを含むものである、請求項８に記載の方法。
- 敷き詰めた材料粉末に、多孔質層に対応する部分への照射よりも非多孔質層に対応する部分への照射が強くなるように、レーザまたは電子ビームを照射して焼結させることによって、環状の非多孔質層と、その内側に積層されてなる環状の多孔質層とからなる多層構造板を形成することを繰り返して、筒状の非多孔質層およびその内側に積層されてなる筒状の多孔質層からなり、流体流入口と流体流出口とを有し、且つ流体流入口から流体流出口までを連通する反応管内腔を有する、多層構造管を得ること、および
多孔質層に、触媒を担持させることを含む、
反応管の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020208656A JP2022095370A (ja) | 2020-12-16 | 2020-12-16 | 触媒反応装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020208656A JP2022095370A (ja) | 2020-12-16 | 2020-12-16 | 触媒反応装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022095370A true JP2022095370A (ja) | 2022-06-28 |
Family
ID=82163169
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020208656A Pending JP2022095370A (ja) | 2020-12-16 | 2020-12-16 | 触媒反応装置 |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP2022095370A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023286803A1 (ja) * | 2021-07-13 | 2023-01-19 | 三菱重工業株式会社 | 等温化した反応装置 |
-
2020
- 2020-12-16 JP JP2020208656A patent/JP2022095370A/ja active Pending
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|---|---|---|---|---|
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