JP7398427B2 - Membrane reactor, membrane reactor system and method for producing methanol - Google Patents

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Description

本発明は、二酸化炭素と水素からメタノールと水を連続的に合成する膜反応器、膜反応器システムおよびメタノールの製造方法に関する。 The present invention relates to a membrane reactor for continuously synthesizing methanol and water from carbon dioxide and hydrogen, a membrane reactor system, and a method for producing methanol.

地球環境上の悪影響を軽減するために、二酸化炭素の低減が求められており、二酸化炭素を利用したメタノール合成技術が着目されている。
現状において、プラントが建設され、量産化された技術は、二酸化炭素と水素を高温高圧下で触媒を用いて反応させる工程と、反応生成物を冷却してメタノールと水を分離する工程と、得られたメタノールと水の混合液を蒸留法を用いて脱水する工程とからなる。
In order to reduce the negative impact on the global environment, there is a need to reduce carbon dioxide, and methanol synthesis technology using carbon dioxide is attracting attention.
Currently, the technologies for which plants have been constructed and mass-produced include a process in which carbon dioxide and hydrogen are reacted using a catalyst under high temperature and pressure, a process in which methanol and water are separated by cooling the reaction product, and a process in which methanol and water are separated by cooling the reaction product. The process consists of a step of dehydrating the methanol and water mixture using a distillation method.

しかし、上記技術は、特に高温高圧下で触媒を用いて反応させる工程において、膨大なエネルギーを必要とするため、投入する電気エネルギーの製造時に大量の二酸化炭素を発生させることとなり、全工程としては二酸化炭素を低減させるに至っていない。 However, the above technology requires a huge amount of energy, especially in the reaction process using a catalyst under high temperature and high pressure, resulting in the generation of a large amount of carbon dioxide during the production of the input electrical energy, and the overall process is Carbon dioxide emissions have not been reduced.

そこで、二酸化炭素と水素を触媒を用いて反応させる際に、投入するエネルギーを低減できるメタノールの製造技術として、膜反応器を用いた製造技術に着目した。 Therefore, we focused on a production technology using a membrane reactor as a methanol production technology that can reduce the energy input when reacting carbon dioxide and hydrogen using a catalyst.

膜反応器を用いたメタノールの製造技術として、既にいくつかの先行技術が開示されている。特許文献1には、反応で副生する水を選択的に反応系外に分離除去する水選択透過膜体を用いたメタノール製造用反応器が開示されている。また、特許文献2には、水蒸気分離膜を透過した水蒸気を掃引ガスを流通させて流出させる工程を有するメタノール製造方法が開示されている。掃引ガスとして、窒素または空気を用いている。いずれの技術も、分離膜によって反応生成物の水蒸気を除くことにより反応を進行させることができ、反応に必要なエネルギーを低減させることができる。 Some prior art techniques have already been disclosed as techniques for producing methanol using a membrane reactor. Patent Document 1 discloses a reactor for methanol production using a water selectively permeable membrane body that selectively separates and removes water produced by the reaction out of the reaction system. Further, Patent Document 2 discloses a methanol production method including a step of flowing a sweep gas to cause water vapor that has passed through a water vapor separation membrane to flow out. Nitrogen or air is used as the sweep gas. In either technique, the reaction can proceed by removing water vapor from the reaction product using a separation membrane, and the energy required for the reaction can be reduced.

特開2007-55970号公報Japanese Patent Application Publication No. 2007-55970 特開2018-8940号公報Unexamined Japanese Patent Publication No. 2018-8940

しかし、特許文献1に開示された技術は、水選択透過膜体を透過した水を真空ポンプで吸引するものであり、真空ポンプを稼働させるためのエネルギーを必要とするものである。また、特許文献2に開示された技術は、掃引ガスを流通させるために、掃引ガスの供給装置を稼働させるためのエネルギーを必要とするものである。 However, the technique disclosed in Patent Document 1 uses a vacuum pump to suck water that has passed through a water selectively permeable membrane, and requires energy to operate the vacuum pump. Furthermore, the technique disclosed in Patent Document 2 requires energy to operate a sweep gas supply device in order to circulate the sweep gas.

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものである。本発明は、メタノールの製造に必要なエネルギーを低減させることが可能であり、掃引ガスを供給するための設備を簡略化することができる膜反応器、膜反応器システムおよびメタノールの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances. The present invention provides a membrane reactor, a membrane reactor system, and a method for producing methanol that can reduce the energy required for producing methanol and simplify the equipment for supplying sweep gas. The purpose is to

本発明者は、膜反応器を用いたメタノールの製造方法において、二酸化炭素と水素の反応によって生成したメタノールと水を系外に排出するために使用される掃引ガスについて検討を行った。その結果、触媒担持部においてガス分離膜を透過しなかった混合ガスを使用することによって、掃引ガスの供給装置が不要となり、メタノールの製造に必要なエネルギーを低減させることが可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventor studied a sweep gas used to discharge methanol and water produced by the reaction of carbon dioxide and hydrogen out of the system in a methanol production method using a membrane reactor. As a result, they discovered that by using a mixed gas that did not pass through the gas separation membrane in the catalyst support section, a sweep gas supply device was no longer required and the energy required for methanol production could be reduced. , we have completed the present invention.

(1)本発明の膜反応器は、二酸化炭素と水素からメタノールと水を連続的に合成する膜反応器であって、触媒担持部とガス分離膜とが積層した構造を有し、前記触媒担持部の上流側に二酸化炭素と水素を供給する供給手段と、二酸化炭素と水素からメタノールと水を合成する触媒を担持した前記触媒担持部と、二酸化炭素、水素、メタノールおよび水の混合ガスからメタノールと水を選択的に透過させる前記ガス分離膜と、前記ガス分離膜を透過したメタノールと水を掃引ガスとともに排出する手段と、前記ガス分離膜を透過しなかった混合ガスを、前記触媒担持部から前記ガス分離膜の下流側に流通させるバイパス通路とを備え、前記ガス分離膜を透過しなかった混合ガスを、前記掃引ガスとして使用することを特徴としている。 (1) The membrane reactor of the present invention is a membrane reactor that continuously synthesizes methanol and water from carbon dioxide and hydrogen, and has a structure in which a catalyst support part and a gas separation membrane are stacked, A supply means for supplying carbon dioxide and hydrogen to the upstream side of the supporting section, the catalyst supporting section supporting a catalyst for synthesizing methanol and water from carbon dioxide and hydrogen, and a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen, methanol and water. the gas separation membrane that selectively permeates methanol and water ; means for discharging the methanol and water that have permeated through the gas separation membrane together with the sweep gas ; The present invention is characterized in that it includes a bypass passage that flows from the supporting part to the downstream side of the gas separation membrane, and the mixed gas that has not passed through the gas separation membrane is used as the sweep gas.

(2)本発明の膜反応器は、前記(1)に記載の膜反応器であって、前記膜反応器が前記触媒担持部と前記ガス分離膜とが積層した筒状構造をしており、前記触媒担持部が前記筒状構造の外層を構成し、前記ガス分離膜が前記筒状構造の内層を構成し、二酸化炭素と水素が前記筒状構造の外層の外側から供給され、前記ガス分離膜を透過したメタノールと水が、前記掃引ガスとともに、前記筒状構造の内層の内側の空間を流れて排出され、前記バイパス通路は、前記空間内の掃引ガスの流れの上流側に連通することが好ましい。 (2) The membrane reactor of the present invention is the membrane reactor according to (1) above, wherein the membrane reactor has a cylindrical structure in which the catalyst supporting part and the gas separation membrane are stacked. , the catalyst support portion constitutes an outer layer of the cylindrical structure, the gas separation membrane constitutes an inner layer of the cylindrical structure, carbon dioxide and hydrogen are supplied from outside the outer layer of the cylindrical structure, and the gas Methanol and water that have passed through the separation membrane flow through a space inside the inner layer of the cylindrical structure and are discharged together with the sweep gas, and the bypass passage communicates with the upstream side of the flow of the sweep gas in the space. It is preferable.

(3)本発明の膜反応器システムは、前記(1)または前記(2)に記載の膜反応器と、前記膜反応器の下流に、二酸化炭素、水素、メタノールおよび水の混合ガスから、二酸化炭素と水素をガスとして分離し、メタノールと水を液体として分離する冷却手段と、前記冷却手段で分離された二酸化炭素と水素を前記膜反応器の上流側に還流させる還流手段とを備えることを特徴とする二酸化炭素と水素からメタノールと水を連続的に合成する膜反応器システムである。 (3) The membrane reactor system of the present invention includes the membrane reactor described in (1) or (2) above, and a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen, methanol, and water downstream of the membrane reactor. A cooling means for separating carbon dioxide and hydrogen as gases and methanol and water as liquids, and a reflux means for refluxing the carbon dioxide and hydrogen separated by the cooling means to the upstream side of the membrane reactor. This is a membrane reactor system that continuously synthesizes methanol and water from carbon dioxide and hydrogen.

(4)本発明の膜反応器システムは、前記(3)に記載の膜反応器システムの前記冷却手段の下流に、蒸留によってメタノールと水とを分離する分離手段を備えることが好ましい。 (4) The membrane reactor system of the present invention preferably includes a separation means for separating methanol and water by distillation downstream of the cooling means of the membrane reactor system described in (3) above.

(5)本発明のメタノールの製造方法は、二酸化炭素と水素からメタノールと水を連続的に合成するメタノールの製造方法であって、触媒担持部とガス分離膜とが積層した構造を有した膜反応器を使用し、前記触媒担持部の上流側に二酸化炭素と水素を供給し、前記触媒担持部において、担持された触媒を用いて、二酸化炭素と水素からメタノールと水を合成し、前記ガス分離膜によって、二酸化炭素、水素、メタノールおよび水の混合ガスからメタノールと水を分離して透過させ、前記ガス分離膜を透過したメタノールと水を掃引ガスとともに排出する製造方法であり、前記掃引ガスとして、前記触媒担持部において前記ガス分離膜を透過しなかった混合ガスを使用することを特徴としている。 (5) The methanol production method of the present invention is a methanol production method that continuously synthesizes methanol and water from carbon dioxide and hydrogen, and includes a membrane having a structure in which a catalyst support part and a gas separation membrane are laminated. A reactor is used to supply carbon dioxide and hydrogen to the upstream side of the catalyst support section, and in the catalyst support section, methanol and water are synthesized from carbon dioxide and hydrogen using the supported catalyst, and the gas A production method in which methanol and water are separated and permeated from a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen, methanol, and water using a separation membrane , and the methanol and water that have permeated through the gas separation membrane are discharged together with a sweep gas, The present invention is characterized in that a mixed gas that has not passed through the gas separation membrane in the catalyst supporting portion is used as the sweep gas.

本発明の膜反応器、膜反応器システムおよびメタノールの製造方法は、メタノールの製造に必要なエネルギーを低減させることが可能であり、掃引ガスを供給するための設備を簡略化することができる。 The membrane reactor, membrane reactor system, and methanol production method of the present invention can reduce the energy required for methanol production, and can simplify the equipment for supplying the sweep gas.

本実施形態の膜反応器の構成を示す模式的断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a membrane reactor according to the present embodiment. 図1の膜反応器の模式的断面図の一部分IIを拡大した模式的断面図である。FIG. 2 is an enlarged schematic cross-sectional view of a portion II of the schematic cross-sectional view of the membrane reactor in FIG. 1; 本実施形態の膜反応器システムの構成を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a membrane reactor system of this embodiment. 生成したメタノールと水を膜反応器から外部へ排出する方法の構成を示す模式図である。(a)は減圧機を用いる製造方法の構成の模式図である。(b)は不活性ガスを用いる製造方法の構成の模式図である。(c)はブロアーを用いる製造方法の構成の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a method for discharging generated methanol and water from a membrane reactor to the outside. (a) is a schematic diagram of the configuration of a manufacturing method using a pressure reducing machine. (b) is a schematic diagram of the configuration of a manufacturing method using an inert gas. (c) is a schematic diagram of the configuration of a manufacturing method using a blower.

以下、本発明の実施形態について、詳しく説明する。 Embodiments of the present invention will be described in detail below.

環境対策として、排ガスや大気中から回収された二酸化炭素を用いて、他の有用な化合物に変換して有効活用しようとする試みが種々行われている。
二酸化炭素と水素からメタノールと水を合成する方法は、既に広く知られている。その反応式は、下記の(1)式となる。また、一酸化炭素を経由する反応として、下記の(2)式と(3)式を経てメタノールが合成される場合もある。
CO+3H→CHOH+HO ・・・(1)
CO+H→CO+HO ・・・(2)
CO+2H→CHOH ・・・(3)
As an environmental measure, various attempts have been made to convert carbon dioxide recovered from exhaust gas and the atmosphere into other useful compounds for effective use.
The method of synthesizing methanol and water from carbon dioxide and hydrogen is already widely known. The reaction formula is the following formula (1). Furthermore, as a reaction via carbon monoxide, methanol may be synthesized via the following equations (2) and (3).
CO2 + 3H2CH3OH + H2O ...(1)
CO 2 + H 2 → CO + H 2 O...(2)
CO+ 2H2CH3OH ...(3)

上記の反応は、高温で進行するため、反応系中では原料の二酸化炭素と水素も、生成物であるメタノールと水も、ガス(気体)として存在している。 Since the above reaction proceeds at high temperatures, the raw materials carbon dioxide and hydrogen as well as the products methanol and water exist as gases in the reaction system.

上記の反応は、触媒の存在下で進行するが、平衡反応であるため、メタノールの収率を高めるためには、生成物であるメタノールまたは水を反応系の系外に排出させることが有効である。メタノールまたは水を反応系の系外に排出させる手段として、代表的な方法がガス分離膜を有した膜反応器を用いる方法である。 The above reaction proceeds in the presence of a catalyst, but since it is an equilibrium reaction, it is effective to discharge the product methanol or water out of the reaction system in order to increase the methanol yield. be. A typical method for discharging methanol or water out of the reaction system is a method using a membrane reactor having a gas separation membrane.

本実施形態の二酸化炭素と水素からメタノールと水を連続的に合成するメタノールの製造方法は、触媒担持部とガス分離膜とが積層した構造を有する膜反応器を使用する。
本実施形態のメタノールの製造方法は、膜反応器を用いて、以下の工程を経て行われる。
(a)触媒担持部の上流側に原料ガスである二酸化炭素と水素を供給する。
(b)触媒担持部において、担持された触媒によって、二酸化炭素と水素からメタノールと水を生成させる。
(c)ガス分離膜によって、二酸化炭素、水素、メタノールおよび水の混合ガスからメタノールと水を分離して、透過させる。
(d)ガス分離膜の下流側に掃引ガスを流して、ガス分離膜を透過したメタノールと水を掃引ガスとともに反応系外に排出する。
The methanol production method of the present embodiment, which continuously synthesizes methanol and water from carbon dioxide and hydrogen, uses a membrane reactor having a structure in which a catalyst support part and a gas separation membrane are stacked.
The method for producing methanol according to the present embodiment is carried out using a membrane reactor through the following steps.
(a) Carbon dioxide and hydrogen, which are raw material gases, are supplied to the upstream side of the catalyst supporting section.
(b) In the catalyst supporting section, methanol and water are generated from carbon dioxide and hydrogen using the supported catalyst.
(c) A gas separation membrane separates methanol and water from a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen, methanol, and water and allows them to permeate.
(d) A sweep gas is caused to flow downstream of the gas separation membrane, and the methanol and water that have passed through the gas separation membrane are discharged to the outside of the reaction system together with the sweep gas.

触媒担持部とガス分離膜とが積層した構造を有した膜反応器は、その形態において特に限定されず、平板状、曲面状、筒形状等がある。膜反応器の代表的な形態が、触媒担持部とガス分離膜とを内外層として積層した筒状構造の膜反応器である。触媒担持部が筒状構造の外層を構成し、ガス分離膜が筒状構造の内層を構成する形態が好ましい。 The membrane reactor having a structure in which a catalyst support part and a gas separation membrane are stacked is not particularly limited in its form, and may have a flat shape, a curved shape, a cylindrical shape, etc. A typical form of a membrane reactor is a membrane reactor having a cylindrical structure in which a catalyst support part and a gas separation membrane are stacked as inner and outer layers. It is preferable that the catalyst support portion constitutes the outer layer of the cylindrical structure, and the gas separation membrane constitutes the inner layer of the cylindrical structure.

図1は、本実施形態の膜反応器20の構成を示す模式的断面図である。
膜反応器20は、円筒形の筒状構造をしている。筒状構造の最外層が内部を保護するための筐体1である。そのすぐ内側に触媒担持部2があり、触媒担持部2の内側にガス分離膜3があり、ガス分離膜3の内側は空洞部4である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a membrane reactor 20 of this embodiment.
The membrane reactor 20 has a cylindrical structure. The outermost layer of the cylindrical structure is the casing 1 for protecting the inside. There is a catalyst support part 2 immediately inside thereof, a gas separation membrane 3 is located inside the catalyst support part 2, and a cavity part 4 is located inside the gas separation membrane 3.

二酸化炭素と水素からなる原料ガス9は、膜反応器20の原料ガス注入口5から膜反応器20内の触媒担持部2の外側に供給される。触媒担持部2内において、原料ガス9からメタノールと水が生成する反応が進行する。その結果、触媒担持部2内は、二酸化炭素、水素、メタノールおよび水がガスとして混合した状態で存在する。混合ガスのうち、メタノールと水は、ガス分離膜3を選択的に透過する。メタノールと水は、ガス分離膜3を透過して、ガス分離膜3の内側の空洞部4内に流入する。すなわち、空洞部4とは、ガス分離膜3の下流側に存在し、筒状構造の膜反応器20の内層の内側の空間のことである。 A raw material gas 9 consisting of carbon dioxide and hydrogen is supplied from the raw material gas inlet 5 of the membrane reactor 20 to the outside of the catalyst supporting section 2 in the membrane reactor 20 . Within the catalyst supporting portion 2, a reaction proceeds to generate methanol and water from the raw material gas 9. As a result, carbon dioxide, hydrogen, methanol, and water exist in a mixed state as a gas in the catalyst support portion 2 . Of the mixed gas, methanol and water selectively pass through the gas separation membrane 3. Methanol and water pass through the gas separation membrane 3 and flow into the cavity 4 inside the gas separation membrane 3. That is, the cavity 4 is a space located downstream of the gas separation membrane 3 and inside the inner layer of the membrane reactor 20 having a cylindrical structure.

膜反応器20の内層の内側の空洞部4内には、掃引ガス11、12が図の向かって左側(上流側)の入口7から流入し、図の向かって右側(下流側)の出口8に向かって流れている。空洞部4内に流入したメタノールと水は、掃引ガス11とともに空間内を流れていき、出口8から排出されて、反応系外に出る。 Sweep gases 11 and 12 flow into the cavity 4 inside the inner layer of the membrane reactor 20 from an inlet 7 on the left side (upstream side) in the figure, and an outlet 8 on the right side (downstream side) in the figure. flowing towards. The methanol and water that have entered the cavity 4 flow through the space together with the sweep gas 11, are discharged from the outlet 8, and exit the reaction system.

触媒担持部2内に存在していた二酸化炭素、水素、メタノールおよび水からなる混合ガスのうち、ガス分離膜を透過しなかった混合ガス10は、膜反応器20のガス排出口6から膜反応器20の外部へ排出される。 Of the mixed gas consisting of carbon dioxide, hydrogen, methanol, and water that was present in the catalyst support section 2, the mixed gas 10 that did not pass through the gas separation membrane is subjected to a membrane reaction from the gas outlet 6 of the membrane reactor 20. It is discharged to the outside of the container 20.

本実施形態において、触媒担持部2内には、担体に担持された触媒が充填されている。触媒としては、遷移金属を有する金属触媒が好ましく、遷移金属としては、Cu、Zn等が好ましい。また、担体としては、アルミナ(Al)やシリカ(SiO)等の金属酸化物からなる担体が好ましい。 In this embodiment, the catalyst support section 2 is filled with a catalyst supported on a carrier. The catalyst is preferably a metal catalyst containing a transition metal, and the transition metal is preferably Cu, Zn, or the like. Further, as the carrier, a carrier made of a metal oxide such as alumina (Al 2 O 3 ) or silica (SiO 2 ) is preferable.

膜反応器を用いて二酸化炭素と水素からメタノールと水を合成する方法において、生成したメタノールと水を膜反応器から外部へ排出する手段として、上記の掃引ガスを用いる方法にもいくつかの方法が存在する。 In the method of synthesizing methanol and water from carbon dioxide and hydrogen using a membrane reactor, there are several methods for using the above-mentioned sweep gas as a means to discharge the generated methanol and water from the membrane reactor to the outside. exists.

図4は、生成したメタノールと水を膜反応器から外部へ排出する方法の構成を示す模式図である。
図4(a)は、空洞部内に存在するガスを減圧機61を用いて吸引して、外部へ排出する方法の模式図である。この方法では、減圧機61を設置することが必要であり、減圧機61を稼働させるためのエネルギーが必要となり、エネルギー使用量が増大する。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of a method for discharging generated methanol and water from a membrane reactor to the outside.
FIG. 4(a) is a schematic diagram of a method for sucking gas existing in a cavity using a pressure reducing machine 61 and discharging it to the outside. In this method, it is necessary to install the pressure reducer 61, and energy is required to operate the pressure reducer 61, which increases the amount of energy used.

図4(b)は、掃引ガスとして不活性ガスを用いる方法の模式図である。不活性ガスとして、ヘリウムやアルゴンなどを用いる。この方法では、不活性ガスボンベ62を設置することが必要となり、製造コストが増大する。 FIG. 4(b) is a schematic diagram of a method using an inert gas as the sweep gas. Helium, argon, etc. are used as the inert gas. This method requires the installation of an inert gas cylinder 62, which increases manufacturing costs.

図4(c)は、掃引ガスとして空気を使用し、ブロワーを用いる方法の模式図である。ブロワー64を設置することが必要であり、空気中の水分の影響で反応系中からの脱水効率が低下する。また、外気の状態に影響されて、反応効率が変動するおそれがある。 FIG. 4(c) is a schematic diagram of a method using air as the sweep gas and a blower. It is necessary to install a blower 64, and the efficiency of dehydration from the reaction system decreases due to the influence of moisture in the air. Furthermore, the reaction efficiency may vary due to the influence of the outside air condition.

本発明者は、掃引ガスとして、触媒担持部においてガス分離膜を透過しなかった混合ガスを使用することを創案した。
そこで、ガス分離膜を透過しなかった混合ガスを、触媒担持部からガス分離膜の下流側に流通させるバイパス通路を設置した。当該バイパス通路を経由して、ガス分離膜を透過しなかった混合ガスを、ガス分離膜の下流側に供給して、掃引ガスとして使用することを検討した。
The present inventor devised the idea of using a mixed gas that did not pass through the gas separation membrane in the catalyst supporting part as the sweep gas.
Therefore, a bypass passage was installed to allow the mixed gas that did not pass through the gas separation membrane to flow from the catalyst supporting part to the downstream side of the gas separation membrane. We considered supplying the mixed gas that did not pass through the gas separation membrane to the downstream side of the gas separation membrane via the bypass passage and using it as a sweep gas.

図3は、本実施形態の膜反応器システムの構成を示す模式図である。
図3には、膜反応器31のガス排出口から、膜反応器31の内層の内側の空間内の掃引ガスの流れの上流側に連通するバイパス通路35が設置されている。ガス分離膜を透過しなかった混合ガスは、当該バイパス通路35を経由して、膜反応器31の内層の内側の空間内の掃引ガスの流れの上流側に流通される。その結果、ガス分離膜を透過しなかった混合ガスを掃引ガスとして使用することが可能となった。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the membrane reactor system of this embodiment.
In FIG. 3, a bypass passage 35 is installed which communicates from the gas outlet of the membrane reactor 31 to the upstream side of the flow of the sweep gas in the space inside the inner layer of the membrane reactor 31. The mixed gas that has not passed through the gas separation membrane is passed through the bypass passage 35 to the upstream side of the flow of the sweep gas in the space inside the inner layer of the membrane reactor 31 . As a result, it became possible to use the mixed gas that did not pass through the gas separation membrane as a sweep gas.

ガス分離膜を透過しなかった混合ガスを掃引ガスとして使用すると、掃引ガスを流すために、特にエネルギーを使用する必要がなくなった。また、掃引ガスを流すために、新たな設備を設置することも不要となった。すなわち、図4(a)、(b)、(c)において課題となっていた問題点を解消することができた。 By using the mixed gas that did not pass through the gas separation membrane as the sweep gas, there was no need to use any particular energy to flow the sweep gas. Additionally, it is no longer necessary to install new equipment to flow the sweep gas. That is, the problems that occurred in FIGS. 4(a), (b), and (c) could be solved.

図3の本実施形態の膜反応器システムは、膜反応器31の下流に、冷却手段としての冷却トラップ32を備えている。冷却トラップ32は、二酸化炭素、水素、メタノールおよび水の混合ガスを冷却することによって、メタノールと水を液体として分離し、二酸化炭素と水素をガスとして分離する。また、本実施形態の膜反応器システムは、冷却トラップ32でガスとして分離された二酸化炭素と水素を、膜反応器31の上流側に還流させる還流手段39を備えている。 The membrane reactor system of this embodiment shown in FIG. 3 includes a cooling trap 32 as a cooling means downstream of the membrane reactor 31. The cooling trap 32 cools the mixed gas of carbon dioxide, hydrogen, methanol, and water, thereby separating methanol and water as a liquid, and separating carbon dioxide and hydrogen as a gas. Further, the membrane reactor system of this embodiment includes a reflux means 39 that refluxes carbon dioxide and hydrogen separated as gases in the cooling trap 32 to the upstream side of the membrane reactor 31.

ガス分離膜を透過しなかった混合ガスは、掃引ガスとして膜反応器31の内層の内側の空間内を流れると同時に、ガス分離膜を透過したメタノールと水と一緒になって、反応系外に排出される。排出された混合ガス37のうち、反応の結果生成したメタノールと水は、冷却トラップ32によって液体として分離され、二酸化炭素と水素はガスとして分離される。分離された二酸化炭素と水素は、還流手段39によって膜反応器の上流側に還流されて、再びメタノール製造のための原料ガスとして利用されるため、問題はない。 The mixed gas that has not passed through the gas separation membrane flows as a sweep gas in the space inside the inner layer of the membrane reactor 31, and at the same time, it is mixed with methanol and water that have passed through the gas separation membrane and exits the reaction system. be discharged. Of the discharged mixed gas 37, methanol and water produced as a result of the reaction are separated as a liquid by the cooling trap 32, and carbon dioxide and hydrogen are separated as a gas. There is no problem because the separated carbon dioxide and hydrogen are refluxed to the upstream side of the membrane reactor by the reflux means 39 and used again as raw material gas for methanol production.

図2は、図1の膜反応器20の模式的断面図の一部分IIを拡大した模式的断面図である。触媒担持部2内には、二酸化炭素、水素、メタノールおよび水が混合した状態で存在する。一方、空洞部4内には、ガス分離膜を透過しなかった混合ガスを掃引ガスとして使用するため、二酸化炭素と水素とを主体とするガスが混合した状態で存在する。
そうすると、触媒担持部2内は、メタノールおよび水の分圧が高い状態にあり、空洞部4内は、メタノールおよび水の分圧が低い状態にある。そのため、メタノールおよび水は、分圧の高い触媒担持部2内から、ガス分離膜3を介して、分圧の低い空洞部4内に移動しようとする(図2中、破線の矢印参照)。その結果、触媒担持部2内におけるメタノール合成の平衡反応において、メタノールの収率を高める方向に働くことになる。
二酸化炭素と水素は、触媒担持部2内と空洞部4内のいずれにおいても主成分であり、分圧が高いため、分圧差が生じにくく、ガス分離膜3を介して二酸化炭素と水素が透過することは少ない。
FIG. 2 is an enlarged schematic cross-sectional view of a portion II of the schematic cross-sectional view of the membrane reactor 20 in FIG. Carbon dioxide, hydrogen, methanol, and water exist in a mixed state in the catalyst support portion 2 . On the other hand, in the cavity 4, since the mixed gas that has not passed through the gas separation membrane is used as the sweep gas, a gas mainly consisting of carbon dioxide and hydrogen exists in a mixed state.
Then, the partial pressures of methanol and water are high in the catalyst support portion 2, and the partial pressures of methanol and water are low in the cavity 4. Therefore, methanol and water try to move from the catalyst support part 2, which has a high partial pressure, through the gas separation membrane 3, into the cavity part 4, which has a low partial pressure (see the broken line arrow in FIG. 2). As a result, in the equilibrium reaction of methanol synthesis within the catalyst supporting section 2, the methanol yield is increased.
Carbon dioxide and hydrogen are the main components both in the catalyst support part 2 and in the cavity part 4, and because the partial pressure is high, it is difficult for a partial pressure difference to occur, and carbon dioxide and hydrogen permeate through the gas separation membrane 3. There's not much to do.

図3の本実施形態の膜反応器システムは、冷却トラップ32の下流に、蒸留塔33を備えている。蒸留塔33は、冷却トラップ32によって液体として分離されたメタノールと水の混合物から、蒸留によってメタノールと水とを分離することができる。蒸留塔33は、メタノールと水とを蒸留によって分離する分離手段として代表的なものである。 The membrane reactor system of this embodiment in FIG. 3 includes a distillation column 33 downstream of the cooling trap 32. The distillation column 33 can separate methanol and water from the mixture of methanol and water separated as a liquid by the cooling trap 32 by distillation. The distillation column 33 is a typical separation means for separating methanol and water by distillation.

このようにして、本実施形態の膜反応器システムは、二酸化炭素と水素を原料ガスとして、メタノールと水を連続的に合成し、メタノールを得ることを可能とするものである。 In this way, the membrane reactor system of the present embodiment is capable of continuously synthesizing methanol and water using carbon dioxide and hydrogen as raw material gases to obtain methanol.

図3の膜反応器システムの実施形態の変形例として、以下のものがある(不図示)。
膜反応器31のガス分離膜を透過しなかった混合ガスの一部を、バイパス通路35を経由して、膜反応器31の内層の内側の空間内の掃引ガスの流れの上流側に流通させる。そして、膜反応器31のガス分離膜を透過しなかった混合ガスの他の部分は、膜反応器31の原料ガスの流路34に合流させる。このような複数の混合ガスの流路を設けることによって、膜反応器31の内層の内側の空間内の掃引ガスの流量を自由に設定することが可能となる。
Variations on the membrane reactor system embodiment of FIG. 3 include the following (not shown):
A part of the mixed gas that has not passed through the gas separation membrane of the membrane reactor 31 is passed through the bypass passage 35 to the upstream side of the flow of the sweep gas in the space inside the inner layer of the membrane reactor 31. . Then, the other part of the mixed gas that has not passed through the gas separation membrane of the membrane reactor 31 is made to join the flow path 34 of the raw material gas of the membrane reactor 31. By providing a plurality of such mixed gas flow paths, it becomes possible to freely set the flow rate of the sweep gas in the space inside the inner layer of the membrane reactor 31.

以上述べてきたように、本実施形態の膜反応器、膜反応器システムおよびメタノールの製造方法は、掃引ガスとしてガス分離膜を透過しなかった混合ガスを用いることによって、メタノールの製造に必要なエネルギーを低減させることが可能であり、掃引ガスを供給するための設備を簡略化することができ、メタノールの収率を高めることができる。 As described above, the membrane reactor, membrane reactor system, and methanol production method of this embodiment use the mixed gas that has not passed through the gas separation membrane as the sweep gas, thereby achieving the required amount for methanol production. Energy can be reduced, equipment for supplying sweep gas can be simplified, and methanol yield can be increased.

1 筐体
2 触媒担持部
3 ガス分離膜
4 空洞部
5 原料ガス注入口
6 ガス排出口
7 入口
8 出口
9 原料ガス
10 混合ガス
11 掃引ガス
12 掃引ガス
20 膜反応器
31 膜反応器
32 冷却トラップ
33 蒸留塔
34 原料ガスの流路
35 バイパス通路
37 混合ガス
39 還流手段
1 Housing 2 Catalyst supporting part 3 Gas separation membrane 4 Cavity part 5 Raw material gas inlet 6 Gas discharge port 7 Inlet 8 Outlet 9 Raw material gas 10 Mixed gas 11 Sweep gas 12 Sweep gas 20 Membrane reactor 31 Membrane reactor 32 Cooling trap 33 Distillation column 34 Source gas flow path 35 Bypass passage 37 Mixed gas 39 Reflux means

Claims (5)

二酸化炭素と水素からメタノールと水を連続的に合成する膜反応器であって、
触媒担持部とガス分離膜とが積層した構造を有し、
前記触媒担持部の上流側に二酸化炭素と水素を供給する供給手段と、
二酸化炭素と水素からメタノールと水を合成する触媒を担持した前記触媒担持部と、
二酸化炭素、水素、メタノールおよび水の混合ガスからメタノールと水を選択的に透過させる前記ガス分離膜と、
記ガス分離膜を透過したメタノールと水を掃引ガスとともに排出する手段と、
前記ガス分離膜を透過しなかった混合ガスを、前記触媒担持部から前記ガス分離膜の下流側に流通させるバイパス通路とを備え、
前記ガス分離膜を透過しなかった混合ガスを、前記掃引ガスとして使用することを特徴とする膜反応器。
A membrane reactor that continuously synthesizes methanol and water from carbon dioxide and hydrogen,
It has a structure in which a catalyst support part and a gas separation membrane are laminated,
Supply means for supplying carbon dioxide and hydrogen to the upstream side of the catalyst supporting part;
the catalyst supporting part supporting a catalyst for synthesizing methanol and water from carbon dioxide and hydrogen;
the gas separation membrane that selectively permeates methanol and water from a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen, methanol, and water;
means for discharging methanol and water that have passed through the gas separation membrane together with the sweep gas ;
a bypass passage that allows the mixed gas that has not passed through the gas separation membrane to flow from the catalyst supporting part to the downstream side of the gas separation membrane;
A membrane reactor characterized in that a mixed gas that has not passed through the gas separation membrane is used as the sweep gas.
前記膜反応器が前記触媒担持部と前記ガス分離膜とが積層した筒状構造をしており、
前記触媒担持部が前記筒状構造の外層を構成し、前記ガス分離膜が前記筒状構造の内層を構成し、
二酸化炭素と水素が前記筒状構造の外層の外側から供給され、
前記ガス分離膜を透過したメタノールと水が、前記掃引ガスとともに、前記筒状構造の内層の内側の空間を流れて排出され、
前記バイパス通路は、前記空間内の掃引ガスの流れの上流側に連通することを特徴とする請求項1に記載の膜反応器。
The membrane reactor has a cylindrical structure in which the catalyst supporting part and the gas separation membrane are stacked,
The catalyst supporting portion constitutes an outer layer of the cylindrical structure, and the gas separation membrane constitutes an inner layer of the cylindrical structure,
carbon dioxide and hydrogen are supplied from outside the outer layer of the cylindrical structure,
The methanol and water that have passed through the gas separation membrane flow through the space inside the inner layer of the cylindrical structure and are discharged together with the sweep gas,
The membrane reactor according to claim 1, wherein the bypass passage communicates with an upstream side of the flow of sweep gas within the space.
請求項1または請求項2に記載の膜反応器と、
前記膜反応器の下流に、二酸化炭素、水素、メタノールおよび水の混合ガスから、二酸化炭素と水素をガスとして分離し、メタノールと水を液体として分離する冷却手段と、
前記冷却手段で分離された二酸化炭素と水素を前記膜反応器の上流側に還流させる還流手段とを備えることを特徴とする二酸化炭素と水素からメタノールと水を連続的に合成する膜反応器システム。
The membrane reactor according to claim 1 or 2,
A cooling means for separating carbon dioxide and hydrogen as gases and methanol and water as liquids from a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen, methanol and water, downstream of the membrane reactor;
A membrane reactor system for continuously synthesizing methanol and water from carbon dioxide and hydrogen, comprising a reflux means for refluxing carbon dioxide and hydrogen separated by the cooling means to the upstream side of the membrane reactor. .
前記冷却手段の下流に、蒸留によってメタノールと水とを分離する分離手段を備えることを特徴とする請求項3に記載の膜反応器システム。 4. The membrane reactor system according to claim 3, further comprising separation means for separating methanol and water by distillation downstream of said cooling means. 二酸化炭素と水素からメタノールと水を連続的に合成するメタノールの製造方法であって、
触媒担持部とガス分離膜とが積層した構造を有した膜反応器を使用し、
前記触媒担持部の上流側に二酸化炭素と水素を供給し、
前記触媒担持部において、担持された触媒を用いて、二酸化炭素と水素からメタノールと水を合成し、
前記ガス分離膜によって、二酸化炭素、水素、メタノールおよび水の混合ガスからメタノールと水を分離して透過させ、
記ガス分離膜を透過したメタノールと水を掃引ガスとともに排出する製造方法であり、
前記掃引ガスとして、前記触媒担持部において前記ガス分離膜を透過しなかった混合ガスを使用することを特徴とするメタノールの製造方法。
A method for producing methanol that continuously synthesizes methanol and water from carbon dioxide and hydrogen,
Using a membrane reactor with a structure in which a catalyst support part and a gas separation membrane are stacked,
Supplying carbon dioxide and hydrogen to the upstream side of the catalyst supporting part,
In the catalyst supporting section, methanol and water are synthesized from carbon dioxide and hydrogen using the supported catalyst,
Separating and permeating methanol and water from a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen, methanol and water by the gas separation membrane,
A manufacturing method in which methanol and water that have passed through the gas separation membrane are discharged together with a sweep gas,
A method for producing methanol, characterized in that a mixed gas that has not passed through the gas separation membrane in the catalyst supporting portion is used as the sweep gas.
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