JP2023132527A - 炭化水素の直接分解方法 - Google Patents
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Abstract
Description
<本開示の実施形態1に係る炭化水素の直接分解方法を実施するための装置の構成>
図1に、本開示の実施形態1に係る炭化水素の直接分解方法を実施するための装置1の構成を示す。装置1は、第1反応器2及び第2反応器3を備えている。装置1は、後述する構成の触媒4を連続的に第1反応器2に流通させた後に第2反応器3に流通させるように構成されている。このような構成を実現するために、例えば、第1反応器2に触媒4を供給するための触媒供給ライン5と、第1反応器2から流出した触媒4を第2反応器3に供給する触媒移送ライン6と、第2反応器3から触媒4を流出させる触媒流出ライン7とを設け、これらを例えば密閉式のベルトコンベアやスクリューフィーダで構成してもよい。
装置1において、触媒供給ライン5を介して第1反応器2に触媒4を連続的に供給する。第1反応器2に流入した触媒4は、予め設計された滞留時間だけ第1反応器2内に滞留した後、第1反応器2から順次流出する。第1反応器2から流出した触媒4は、触媒移送ライン6を介して第2反応器3に連続的に流入する。第2反応器3に流入した触媒4も、予め設計された滞留時間だけ第2反応器3内に滞留した後、第2反応器3から触媒流出ライン7を介して順次流出する。
CH4→2H2+C ・・・(1)
本開示の実施形態1に係る炭化水素の直接分解方法の作用効果を検討するためのシミュレーションに必要な基礎的データを採取するために、次に説明する実験を行った。図2に、この実験を行うための実験装置20の構成模式図を示す。
CR=CMe/(CMe+CH2×0.5)×100 ・・・(2)
ここで、CMeは反応ガス中のメタンの濃度[vol%]であり、CH2は反応ガス中の水素の濃度[vol%]である。
PR=FMe×CR/100×2 ・・・(3)
ここで、FMeはメタンの供給量[Ncc/min]である。
r(Me)=kP(Me) ・・・(4)
ここで、kは速度定数であり、P(Me)はメタンの分圧である。この式(4)を利用すると、圧力が1atm(101.3kPa)のときのメタン転化率を45%とすると、圧力が301.3kPaのときのメタン転化率は80%と推測される。
1.85m3+159m3/hr×20hr=3182m3
したがって、反応器は少なくとも3182m3の容積が必要となる。
1.13m3+24.2m3/hr×10hr=243m3
したがって、第1反応器は少なくとも243m3の容積が必要となる。また、第2反応器における6.8時間での触媒及びカーボンの体積は、以下のように算出される。
1.13m3+96.9m3/hr×6.8hr=660m3
したがって、第2反応器は少なくとも660m3の容積が必要となる。
次に、本開示の実施形態2に係る炭化水素の直接分解方法について説明する。実施形態2に係る炭化水素の直接分解方法は、実施形態1に対して、装置1における触媒4の流れと原料ガスの流れとが逆になるように変更したものである。尚、実施形態2において、実施形態1の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図6に、本開示の実施形態2に係る炭化水素の直接分解方法を実施するための装置1の構成を示す。装置1は、原料ガスを第2反応器3に供給するガス供給ライン8と、第2反応器3から流出した原料ガスを第1反応器2に供給するガス移送ライン9と、第1反応器2から流出ガスを流出させるガス流出ライン10とを備えている。その他の構成は、ガス移送ライン9に圧縮機12が設けられていない点と、ガスリサイクルライン13(図1参照)及びガス分離器14(図1参照)を設ける必要がない点とを除き、実施形態1と同じである。
装置1において、ガス供給ライン8を介して第2反応器3に原料ガスを連続的に供給する。第2反応器3に流入した原料ガスは、予め設計された滞留時間だけ第2反応器3内に滞留した後、第2反応器3から順次流出する。第2反応器3から流出した原料ガスは、ガス移送ライン9を介して第1反応器2に連続的に流入する。第1反応器2に流入した原料ガスも、予め設計された滞留時間だけ第1反応器2内に滞留した後、第1反応器2からガス流出ライン10を介して順次流出する。触媒4の流れは実施形態1と同じである。
実施形態2においても、第1反応器2では主に触媒4の前処理が行われ、第2反応器3では主に炭化水素の直接分解が行われる点は、実施形態1と同じである。このため、実施形態2でも実施形態1と同様に、第1反応器2及び第2反応器3の容積の合計を小さくすることができるので、適切なコストで炭化水素を直接分解できる。
実施形態1及び2では、鉄の純度が86%以上の金属製の複数の粒子の集合体の非担持触媒を用いて炭化水素の直接分解を行っているが、この触媒に限定するものではない。触媒成分として鉄を含む触媒であればどのような構成の触媒でもよく、例えば、触媒成分である鉄を担体に担持した担持触媒を用いてもよい。
第1反応器(2)及び第2反応器(3)のそれぞれにおいて炭化水素をカーボン及び水素に直接分解する炭化水素の直接分解方法であって、
触媒成分として鉄を含む触媒(4)を連続的に前記第1反応器(2)に流通させた後に前記第2反応器(3)に流通させるステップと、
炭化水素を含む原料ガスを連続的に前記第1反応器(2)又は前記第2反応器(3)の一方に流通させた後に前記第1反応器(2)又は前記第2反応器(3)の他方に流通させるステップと
を含み、
前記第1反応器(2)内の圧力よりも前記第2反応器(3)内の圧力が高い条件で、前記第1反応器(2)内及び前記第2反応器(3)内のそれぞれにおいて前記原料ガスと前記触媒(4)とが接触する。
前記触媒は、鉄の純度が86%以上の金属製の複数の粒子の集合体の非担持触媒である。
大気圧をP0kPaとすると、前記第1反応器(2)内の圧力はP0kPa~(P0+50)kPaであり、第2反応器(3)内の圧力は3MPa以下である。
前記第2反応器(3)におけるメタンの転化率の目標値X(%)を決定するステップと、
前記第2反応器(3)内の温度におけるメタンの平衡転化率Y(%)を取得するステップと、
X≦Yとなる条件で前記第2反応器(3)内の圧力を決定するステップと
により、前記第2反応器(3)内の圧力が決定される。
前記第1反応器(2)内及び前記第2反応器(3)内のそれぞれにおいて、600℃~900℃の温度範囲で前記原料ガスと前記触媒(4)とが接触する。
前記第2反応器(3)から流出する流出ガスの一部を前記第1反応器(2)に供給するステップを含む。
前記流出ガスの一部を前記第1反応器(2)に供給するステップの前に、前記流出ガスを炭化水素と水素とに分離するステップを備え、
前記流出ガスから分離された炭化水素を含むガスを前記第1反応器(2)に供給する。
前記原料ガスを連続的に前記第2反応器(3)に流通させた後に前記第1反応器(2)に流通させる。
3 第2反応器
4 触媒
Claims (8)
- 第1反応器及び第2反応器のそれぞれにおいて炭化水素をカーボン及び水素に直接分解する炭化水素の直接分解方法であって、
触媒成分として鉄を含む触媒を連続的に前記第1反応器に流通させた後に前記第2反応器に流通させるステップと、
炭化水素を含む原料ガスを連続的に前記第1反応器又は前記第2反応器の一方に流通させた後に前記第1反応器又は前記第2反応器の他方に流通させるステップと
を含み、
前記第1反応器内の圧力よりも前記第2反応器内の圧力が高い条件で、前記第1反応器内及び前記第2反応器内のそれぞれにおいて前記原料ガスと前記触媒とが接触する、炭化水素の直接分解方法。 - 前記触媒は、鉄の純度が86%以上の金属製の複数の粒子の集合体の非担持触媒である、請求項1に記載の炭化水素の直接分解方法。
- 大気圧をP0kPaとすると、前記第1反応器内の圧力はP0kPa~(P0+50)kPaであり、第2反応器内の圧力は3MPa以下である、請求項1または2に記載の炭化水素の直接分解方法。
- 前記第2反応器におけるメタンの転化率の目標値X(%)を決定するステップと、
前記第2反応器内の温度におけるメタンの平衡転化率Y(%)を取得するステップと、
X≦Yとなる条件で前記第2反応器内の圧力を決定するステップと
により、前記第2反応器内の圧力が決定される、請求項3に記載の炭化水素の直接分解方法。 - 前記第1反応器内及び前記第2反応器内のそれぞれにおいて、600℃~900℃の温度範囲で前記原料ガスと前記触媒とが接触する、請求項1~4のいずれか一項に記載の炭化水素の直接分解方法。
- 前記第2反応器から流出する流出ガスの一部を前記第1反応器に供給するステップを含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の炭化水素の直接分解方法。
- 前記流出ガスの一部を前記第1反応器に供給するステップの前に、前記流出ガスを炭化水素と水素とに分離するステップを備え、
前記流出ガスから分離された炭化水素を含むガスを前記第1反応器に供給する、請求項6に記載の炭化水素の直接分解方法。 - 前記原料ガスを連続的に前記第2反応器に流通させた後に前記第1反応器に流通させる、請求項1~5のいずれか一項に記載の炭化水素の直接分解方法。
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