JP7419610B2 - リアクタモジュール、液体燃料合成方法、分離膜モジュール及び分離方法 - Google Patents
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Description
本発明は、リアクタモジュール、液体燃料合成方法、分離膜モジュール及び分離方法に関する。
近年、水素及び二酸化炭素を含有する原料ガスからメタノールやエタノールなどの液体燃料（具体的には、常温常圧下で液体状態の燃料）への転化反応において、液体燃料とともに生成される水蒸気を分離することによって転化効率を向上させることのできるリアクタが開発されている。
例えば、特許文献１には、転化反応の生成物の一つである水蒸気を透過させる分離膜と、原料ガスが流れる非透過側流路と、掃引ガスが流れる透過側流路とを備えるチューブ型のリアクタが開示されている。
特許文献１に記載のリアクタによれば、透過側流路に掃引ガスを流すことによって転化反応で生じる反応熱を除去できるため、転化効率をより向上させることができる。
しかしながら、特許文献１に記載のリアクタでは、リアクタ内の透過側流路にのみ掃引ガスが流されているため、反応熱を除去するにも限界がある。
また、分離フィルタを備える分離膜モジュールにおいては、混合流体に含まれる所望成分を透過させるための分離膜を適温に制御するために、透過側流路に掃引ガスを流すことによって分離膜を冷却又は加熱したい場合がある。
本発明は、効率的に温度制御可能なリアクタモジュール、液体燃料合成方法、分離膜モジュール及び分離方法を提供することを目的とする。
本発明に係るリアクタモジュールは、長手方向に延びるモノリス型のリアクタと、リアクタを収容するハウジングと、ハウジングとリアクタの第１端部との間を封止する環状の第１封止部と、ハウジングとリアクタの第２端部との間を封止する環状の第２封止部と、長手方向において第１封止部と第２封止部との間に配置される環状の流れ止め部とを備える。リアクタは、水素及び二酸化炭素を含有する原料ガスから液体燃料への転化反応の生成物を透過させる分離膜と、分離膜の非透過側の第１流路と、分離膜の透過側の第２流路とを有する。第２流路は、第１封止部と流れ止め部との間の第１空間に開口する流入口と、第２封止部と流れ止め部との間の第２空間に開口する流出口とを含む。ハウジングは、第１空間に掃引ガスを供給するための掃引ガス供給口と、第２空間から掃引ガスを排出するための掃引ガス排出口とを有する。リアクタの側面視において、第２空間内を流れる掃引ガスの向きは、第２流路を流れる掃引ガスの向きと反対である。
本発明によれば、効率的に温度制御可能なリアクタモジュール、液体燃料合成方法、分離膜モジュール及び分離方法を提供することができる。
図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。
（リアクタ１）
図１は、リアクタ１の斜視図である。図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。図３は、図１のＢ－Ｂ断面図である。図４は、図２のＣ－Ｃ断面図である。
図１は、リアクタ１の斜視図である。図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。図３は、図１のＢ－Ｂ断面図である。図４は、図２のＣ－Ｃ断面図である。
リアクタ１は、原料ガスを液体燃料へ転化させるための所謂メンブレンリアクタである。原料ガスは、少なくとも水素及び二酸化炭素を含有する。原料ガスは、一酸化炭素を含有していてよい。原料ガスは、いわゆる合成ガス（Ｓｙｎｇａｓ）であってよい。液体燃料は、常温常圧で液体状態の燃料、又は、常温加圧状態で液化可能な燃料である。常温常圧で液体状態の燃料としては、例えばメタノール、エタノール、ＣｎＨ２（ｍ－２ｎ）（ｍは９０未満の整数、ｎは３０未満の整数）で表される液体燃料、及びこれらの混合物が挙げられる。常温加圧状態で液化可能な燃料としては、例えばプロパン、ブタン、及びこれらの混合物などが挙げられる。
例えば、二酸化炭素および水素を含む原料ガスを触媒存在下で接触水素化することでメタノールを合成する際の反応式（１）は次の通りである。
ＣＯ２＋３Ｈ２ ⇔ ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ （１）
上記反応は平衡反応であり、転化効率及び反応速度の両方を高めるには高温高圧下（例えば、１８０℃以上、２ＭＰａ以上）で実施されることが好ましい。液体燃料は、合成された時点では気体状態であり、少なくともリアクタ１から流出するまでは気体状態のまま維持される。リアクタ１は、所望の液体燃料の合成条件に適した耐熱性及び耐圧性を有することが好ましい。
図１に示すように、リアクタ１は、モノリス型に形成される。モノリスとは、長手方向に貫通した複数の孔を有する形状を意味し、ハニカムを含む概念である。リアクタ１は、長手方向に延びる。リアクタ１は、柱状に形成される。本実施形態において、リアクタ１は円柱状に形成されているが、リアクタ１の外形は特に限られない。
リアクタ１は、第１端部１ａ及び第２端部１ｂを有する。第１端部１ａは、リアクタ１を長手方向に５等分した場合に、リアクタ１の一端部から２／５までの部分である。第２端部１ｂは、リアクタ１を長手方向に５等分した場合に、リアクタ１の他端部から２／５までの部分である。本実施形態において、リアクタ１の第１端部１ａは原料ガスの流入側であり、リアクタ１の第２端部１ｂは液体燃料の流出側である。
リアクタ１は、第１端面Ｓ１、第２端面Ｓ２及び側面Ｓ３を有する。第１端面Ｓ１は、第１端部１ａ側の端面である。第２端面Ｓ２は、第２端部１ｂ側の端面である。第１端面Ｓ１は、第２端面Ｓ２の反対側に設けられる。側面Ｓ３は、第１端面Ｓ１及び第２端面Ｓ２の外縁に連なる。
図１～図４に示すように、リアクタ１は、多孔質支持体１０、触媒２０、分離膜３０、第１シール部４０及び第２シール部５０を備える。
多孔質支持体１０は、リアクタ１の長手方向に延びる柱体である。多孔質支持体１０は、多孔質材料によって構成される。
多孔質材料としては、セラミック材料、金属材料、樹脂材料などを用いることができ、特にセラミック材料が好適である。セラミック材料の骨材としては、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、チタニア（ＴｉＯ２）、ムライト（Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２）、セルベン及びコージェライト（Ｍｇ２Ａｌ４Ｓｉ５Ｏ１８）のうち少なくとも一つを用いることができる。セラミック材料の無機結合材としては、例えば、チタニア、ムライト、易焼結性アルミナ、シリカ、ガラスフリット、粘土鉱物、易焼結性コージェライトのうち少なくとも一つを用いることができる。ただし、セラミック材料は、無機結合材を含んでいなくてよい。
図２～図３に示すように、多孔質支持体１０は、多数の第１流路１１及び複数の第２流路１２を有する。
各第１流路１１は、図４に示すように、リアクタ１の長手方向に沿って形成される。各第１流路１１は、分離膜３０の非透過側である。各第１流路１１には、原料ガスが流される。各第１流路１１は、貫通孔である。各第１流路１１は、リアクタ１の第１端面Ｓ１及び第２端面Ｓ２それぞれに開口する。各第１流路１１は、第１端面Ｓ１に形成される原料ガスの流入口ｅ１と、第２端面Ｓ２に形成される液体燃料の流出口ｅ２とを有する。
各第１流路１１内には、触媒２０が配置される。第１流路１１の本数、位置及び形状などは適宜変更可能である。
各第２流路１２は、分離膜３０の透過側である。各第２流路１２には、分離膜３０を透過した水蒸気を掃引するための掃引ガスが流される。掃引ガスとしては、不活性ガス（例えば窒素）や空気などを用いることができる。発熱反応である本実施形態において、掃引ガスの温度は、リアクタ１の作動温度より低い。第２流路１２の本数、位置及び形状などは適宜変更可能である。
ここで、各第２流路１２は、図２～図３に示すように、複数のセル１３、流入スリット１４及び流出スリット１５によって構成される。
複数のセル１３は、リアクタ１の短手方向（長手方向に垂直な方向）に沿って一列に並ぶ。各セル１３は、図４に示すように、リアクタ１の長手方向に沿って形成される。各セル１３の両端は、第１及び第２目封止部１７，１８によって封止される。第１及び第２目封止部１７，１８は、上述した多孔質材料によって構成することができる。
流入スリット１４は、図１に示すように、長手方向におけるリアクタ１の第１端部１ａに形成される。流入スリット１４は、図２に示すように、リアクタ１の短手方向に沿って形成される。流入スリット１４は、複数のセル１３を貫通する。流入スリット１４の両端は、側面Ｓ３に開口する。流入スリット１４は、側面Ｓ３に形成される一対の流入口ｄ１を有する。一対の流入口ｄ１は、長手方向における第２流路１２の一端である。
流出スリット１５は、図１に示すように、長手方向におけるリアクタ１の第２端部１ｂに形成される。流出スリット１５は、図３に示すように、リアクタ１の短手方向に沿って形成される。流出スリット１５は、複数のセル１３を貫通する。流出スリット１５の両端は、側面Ｓ３に開口する。流出スリット１５は、側面Ｓ３に形成される一対の流出口ｄ２を有する。一対の流出口ｄ２は、長手方向における第２流路１２の他端である。
触媒２０は、各第１流路１１内に配置される。触媒２０は、各第１流路１１内に充填されていることが好ましいが、分離膜３０の表面に層状に配置されていてもよい。触媒２０は、上記式（１）に示したように、原料ガスから液体燃料への転化反応を促進させる。
触媒２０は、所望の液体燃料への転化反応に適した既知の触媒を用いることができる。触媒２０としては、例えば、金属触媒（銅、パラジウムなど）、酸化物触媒（酸化亜鉛、ジルコニア、酸化ガリウムなど）、及び、これらを複合化した触媒（銅－酸化亜鉛、銅－酸化亜鉛－アルミナ、銅－酸化亜鉛－酸化クロム－アルミナ、銅－コバルト－チタニア、及びこれらにパラジウムを修飾した触媒など）が挙げられる。
分離膜３０は、多孔質支持体１０によって支持される。分離膜３０は、第１流路１１を取り囲む。分離膜３０は、第１流路１１と第２流路１２との間に配置される。
分離膜３０は、原料ガスから液体燃料への転化反応の生成物の一つである水蒸気を透過させる。これにより、平衡シフト効果を利用して上記式（１）の反応平衡を生成物側にシフトさせることができる。
分離膜３０は、１００ｎｍｏｌ／（ｓ・Ｐａ・ｍ２）以上の水蒸気透過係数を有することが好ましい。水蒸気透過係数は、既知の方法（Ｉｎｄ．Ｅｎｇ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．，４０，１６３－１７５（２００１）参照）で求めることができる。
分離膜３０は、１００以上の分離係数を有することが好ましい。分離係数が大きいほど、水蒸気を透過しやすく、かつ水蒸気以外の成分（水素、二酸化炭素及び液体燃料など）を透過させにくい。分離係数は、既知の方法（「Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２３９ （２０２０） １１６５３３」のＦｉｇ．１参照）で求めることができる。
分離膜３０としては、無機膜を用いることができる。無機膜は、耐熱性、耐圧性、耐水蒸気性を有するため好ましい。無機膜としては、例えばゼオライト膜、シリカ膜、アルミナ膜、これらの複合膜などが挙げられる。特に、シリコン元素（Ｓｉ）とアルミニウム元素（Ａｌ）とのモル比（Ｓｉ／Ａｌ）が１．０以上３．０以下であるＬＴＡ型のゼオライト膜は、水蒸気透過性に優れているため好適である。
第１シール部４０は、図１に示すように、多孔質支持体１０の第１端面Ｓ１と側面Ｓ３の一部とを覆う。第１シール部４０は、原料ガスが多孔質支持体１０に侵入することを抑制する。第１シール部４０は、図４に示すように、第１流路１１の流入口ｅ１を塞がないように形成される。第１シール部４０は、第１目封止部１７を覆う。第１シール部４０は、ガラス、金属、ゴム、樹脂などによって構成することができる。
第２シール部５０は、図１に示すように、多孔質支持体１０の第２端面Ｓ２と側面Ｓ３の一部とを覆う。第２シール部５０は、液体燃料が多孔質支持体１０に侵入することを抑制する。第２シール部５０は、図４に示すように、第１流路１１の流出口ｅ２を塞がないように形成される。第２シール部５０は、第２目封止部１８を覆う。第２シール部５０は、ガラス、金属、ゴム、樹脂などによって構成することができる。
（リアクタ１を用いた液体燃料合成方法）
図４を参照しながら、リアクタ１を用いた液体燃料合成方法について説明する。
図４を参照しながら、リアクタ１を用いた液体燃料合成方法について説明する。
リアクタ１を用いた液体燃料合成方法は、分離膜３０の非透過側に設けられた第１流路１１に原料ガスを流しながら、分離膜３０の透過側に設けられた第２流路１２に掃引ガスを流す工程を備える。
原料ガスは、第１流路１１の流入口ｅ１から第１流路１１内に流入する。第１流路１１内では、上記式（１）に従って、液体燃料とともに水蒸気が生成される。合成された液体燃料は、第１流路１１の流出口ｅ２から流出する。生成物の一つである水蒸気は、分離膜３０及び多孔質支持体１０を順次透過して、第２流路１２に移動する。ただし、流出口ｅ２から流出する液体燃料には、転化反応に用いられなかった残原料ガスや転化反応の生成物の一つである水蒸気などが混じっていてよい。
掃引ガスは、流入スリット１４の流入口ｄ１から流入した後、流入スリット１４からセル１３に流入する。次に、流入スリット１４からセル１３に流入した掃引ガスは、分離膜３０ａを透過した水蒸気を取り込むとともに、転化反応に伴って発生した反応熱を吸収しながら流出スリット１５側に向かってセル１３内を流れる。流出スリット１５に到達した掃引ガスは、流出スリット１５の流出口ｄ２から流出する。
図４に示すように、本実施形態では、分離膜３０の側面視において、第２流路１２を流れる掃引ガスの向きは、第１流路１１を流れる原料ガスの向きと同じである。すなわち、第２流路１２を流れる掃引ガスは、第１流路１１を流れる原料ガスと平行な向きに流れる。
ただし、分離膜３０の側面視において、第２流路１２を流れる掃引ガスの向きは、第１流路１１を流れる原料ガスの向きと逆であってもよい。すなわち、第２流路１２を流れる掃引ガスは、第１流路１１を流れる原料ガスと対向する向きに流されてもよい。
（リアクタモジュール２）
実施形態に係るリアクタモジュール２について説明する。図５は、リアクタモジュール２の透視側面図である。
実施形態に係るリアクタモジュール２について説明する。図５は、リアクタモジュール２の透視側面図である。
図５に示すように、リアクタモジュール２は、上述したモノリス型のリアクタ１、ハウジング３、環状の第１封止部４、環状の第２封止部５及び環状の流れ止め部６を備える。
ハウジング３は、例えば金属材料（ステンレス鋼など）によって構成される。ハウジング３は、内部にリアクタ１を収容する。ハウジング３は、掃引ガス供給口３ａ、掃引ガス排出口３ｂ、原料ガス供給口３ｃ及び液体燃料排出口３ｄを有する。ハウジング３の内部は、第１封止部４、第２封止部５及び流れ止め部６によって、第１乃至第４空間Ｐ１～Ｐ４に区画される。
第１空間Ｐ１は、第１封止部４と流れ止め部６との間の空間である。第１空間Ｐ１には、リアクタ１の側面Ｓ３に形成された掃引ガスの流入口ｄ１が開口する。第１空間Ｐ１には、第１空間Ｐ１に掃引ガスを供給するための掃引ガス供給口３ａが開口する。第２空間Ｐ２は、第２封止部５と流れ止め部６との間の空間である。第２空間Ｐ２には、リアクタ１の側面Ｓ３に形成された掃引ガスの流出口ｄ２が開口する。第２空間Ｐ２には、第２空間Ｐ２から掃引ガスを排出するための掃引ガス排出口３ｂが開口する。第１空間Ｐ１と第２空間Ｐ２は、流れ止め部６によって区画される。
第３空間Ｐ３には、第３空間Ｐ３に原料ガスを供給するための原料ガス供給口３ｃが開口する。第３空間Ｐ３には、リアクタ１の第１端面Ｓ１に形成された原料ガスの流入口ｅ１（図４参照）が開口する。第４空間Ｐ４には、第４空間Ｐ４から液体燃料を排出するための液体燃料排出口３ｄが開口する。第４空間Ｐ４には、リアクタ１の第２端面Ｓ２に形成された液体燃料の流出口ｅ２（図４参照）が開口する。第１空間Ｐ１と第３空間Ｐ３とは第１封止部４によって区画され、第２空間Ｐ２と第４空間Ｐ４とは第２封止部５によって区画される。
第１封止部４は、環状に形成される。第１封止部４は、リアクタ１の第１端部１ａをハウジング３に固定する。第１封止部４は、リアクタ１の側面Ｓ３とハウジング３の内面Ｔ１とに接続される。第１封止部４は、リアクタ１の第１端部１ａとハウジング３との間を封止する。第１封止部４の構成材料としては、例えばガラス、銀ろう、はんだ、無機系接着剤などが挙げられる。
第２封止部５は、環状に形成される。第２封止部５は、リアクタ１の第２端部１ｂをハウジング３に固定する。第２封止部５は、リアクタ１の側面Ｓ３とハウジング３の内面Ｔ１とに接続される。第２封止部５の第４空間Ｐ４側は高温の液体燃料や水蒸気に曝されるため、高温の液体燃料の化学的負荷に対する耐性と水蒸気に対する耐性とが第２封止部５の構成材料には求められる。第２封止部５の構成材料としては、例えばガラス、銀ろう、はんだ、無機系接着剤などが挙げられる。第２封止部５の構成材料としてゴムやプラスチックは適していない。
流れ止め部６は、環状に形成される。流れ止め部６は、長手方向において第１封止部４と第２封止部５との間に配置される。流れ止め部６は、第１空間Ｐ１と第２空間Ｐ２との間を区画する。
流れ止め部６は、環状に形成される。流れ止め部６は、リアクタ１とハウジング３との間に配置される。流れ止め部６は、第１空間Ｐ１と第２空間Ｐ２との間に配置される。流れ止め部６は、第１空間Ｐ１から第２空間Ｐ２へ掃引ガスが流れることを抑制する。ただし、流れ止め部６は、掃引ガスの流れを抑えることができればよく、リアクタ１とハウジング３との間を密封していなくてよい。流れ止め部６は、例えば膨張黒鉛、ゴム、樹脂などによって構成することができる。
掃引ガスは、掃引ガス供給口３ａから第１空間Ｐ１に供給される。掃引ガスは、リアクタ１の流入口ｄ１から第２流路１２に流入する。第２流路１２内で水蒸気を取り込むとともに反応熱を吸収した掃引ガスは、リアクタ１の流出口ｄ２から第２空間Ｐ２に流出する。流出口ｄ２から第２空間Ｐ２に流出した掃引ガスは、流出口ｄ２から掃引ガス排出口３ｂに向かって第２空間Ｐ２を流れる。第２空間Ｐ２を通過した掃引ガスは、掃引ガス排出口３ｂから外部に排出される。
このように、第２流路１２を流れる掃引ガスによってリアクタ１を内部から冷却するとともに、第２空間Ｐ２を流れる掃引ガスによってリアクタ１を外部から冷却することができる。従って、転化反応によって生じる反応熱を効率的に除去できるため、より転化効率を向上させることができる。
特に、図５に示すように、リアクタ１の側面視において、第２空間Ｐ２内を流れる掃引ガスの向きは、第２流路１２を流れる掃引ガスの向きと反対である。従って、リアクタ１の外部に掃引ガスの全量を流すことができるため、多量の掃引ガスによって熱の運搬と分散を行うことができる。従って、外部からの除熱と均熱化を両立させることができる。また、リアクタ１の外部を流れる掃引ガスの流量が多く、流出口ｄ２から掃引ガス排出口３ｂにかけての圧力損失が大きくなるため、リアクタ１の内部を流れる掃引ガスの流量分布を一様にすることができる。従って、内部からの除熱と均熱化をも両立させることができる。
なお、図５では、ハウジング３に形成された掃引ガス供給口３ａ及び掃引ガス排出口３ｂが、断面視においてリアクタ１の軸心と交差する直線上に配置されている。これによって、各第２流路１２を介して掃引ガス供給口３ａから掃引ガス排出口３ｂまで流れる掃引ガスの各流路長を同等にできるため、掃引ガスの流れが偏ることを抑制できる。ただし、掃引ガス供給口３ａ及び掃引ガス排出口３ｂそれぞれの位置関係は適宜変更可能である。
（実施形態の変形例）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
（変形例１）
リアクタモジュール２は、第２空間Ｐ２内を流れる掃引ガスを冷却する熱交換器を更に備えていてもよい。具体的には、図６に示すように、リアクタモジュール２は、第２空間Ｐ２の内部に配置された熱交換器７を備えていてもよい。或いは、図７に示すように、リアクタモジュール２は、第２空間Ｐ２の外部に配置された熱交換器８を備えていてもよい。熱交換器７，８としては、例えば冷媒式の熱交換器を用いることができる。
リアクタモジュール２は、第２空間Ｐ２内を流れる掃引ガスを冷却する熱交換器を更に備えていてもよい。具体的には、図６に示すように、リアクタモジュール２は、第２空間Ｐ２の内部に配置された熱交換器７を備えていてもよい。或いは、図７に示すように、リアクタモジュール２は、第２空間Ｐ２の外部に配置された熱交換器８を備えていてもよい。熱交換器７，８としては、例えば冷媒式の熱交換器を用いることができる。
（変形例２）
図８は、図５に示したリアクタモジュール２の断面図である。図８では、リアクタ１の軸心に垂直な断面が図示されている。
図８は、図５に示したリアクタモジュール２の断面図である。図８では、リアクタ１の軸心に垂直な断面が図示されている。
図８に示すように、リアクタ１の内部を流出スリット１５が延びる第１延在方向は、掃引ガス排出口３ｂから外部に排出される掃引ガスの排出方向に対して傾斜又は直交していることが好ましい。具体的には、排出方向に対する第１延在方向の角度θ１は、４５度以上１３５度以下が好ましい。これによって、流出スリット１５の両側の開口部から掃引ガス排出口３ｂまでのガス流れの偏りを抑制できるため、掃引ガスの偏流を抑制できる。
図９は、図５に示したリアクタモジュール２の断面図である。図９では、リアクタ１の軸心に垂直な断面が図示されている。
図９に示すように、リアクタ１の内部を流入スリット１４が延びる第２延在方向は、掃引ガス供給口３ａから供給される掃引ガスの供給方向に対して傾斜又は直交していることが好ましい。具体的には、供給方向に対する第２延在方向の角度θ２は、４５度以上１３５度以下が好ましい。これによって、掃引ガス供給口３ａから流入スリット１４の両側の開口部までのガス流れの偏りを抑制できるため、掃引ガスの偏流を抑制できる。
（変形例３）
上記実施形態において、分離膜３０は、原料ガスから液体燃料への転化反応の生成物の一つである水蒸気を透過させることとしたが、これに限られない。分離膜３０は、原料ガスから液体燃料への転化反応によって生成される液体燃料自体を透過させてもよい。この場合においても、上記式（１）の反応平衡を生成物側にシフトさせることができる。
上記実施形態において、分離膜３０は、原料ガスから液体燃料への転化反応の生成物の一つである水蒸気を透過させることとしたが、これに限られない。分離膜３０は、原料ガスから液体燃料への転化反応によって生成される液体燃料自体を透過させてもよい。この場合においても、上記式（１）の反応平衡を生成物側にシフトさせることができる。
また、分離膜３０が液体燃料を透過させる場合には、水蒸気が生成されない反応（例えば、Ｈ２＋ＣＯ ⇔ ＣＨ３ＯＨ）によって液体燃料を生成するときにおいても、反応平衡を生成物側にシフトさせることができる。
（変形例４）
上記実施形態では、リアクタを備えるリアクタモジュールについて説明したが、本発明は、分離フィルタを備える分離膜モジュールにも適用可能である。分離フィルタは、混合流体から所定成分を分離するための分離膜を有する点以外は、上記実施形態に係るリアクタ１と同じ構成を備える。
上記実施形態では、リアクタを備えるリアクタモジュールについて説明したが、本発明は、分離フィルタを備える分離膜モジュールにも適用可能である。分離フィルタは、混合流体から所定成分を分離するための分離膜を有する点以外は、上記実施形態に係るリアクタ１と同じ構成を備える。
このような分離膜モジュールでは、分離膜を適温に制御するために、透過側流路に掃引ガスを流すことによって分離膜を加熱又は冷却したい場合がある。この際、上記実施形態と同様、分離フィルタの側面視において、第２空間Ｐ２内を流れる掃引ガスの向きを、第２流路１２を流れる掃引ガスの向きと反対にすることによって、分離フィルタの外部に掃引ガスの全量を流すことができるため分離フィルタを外部から効率的に冷却又は加熱することができる。
なお、上記実施形態では、掃引ガスの温度がリアクタ１の作動温度より低いこととしたが、分離膜モジュールでは、分離膜を冷却したい場合には掃引ガスの温度を分離フィルタの温度より低くする必要があり、分離膜を加熱したい場合には掃引ガスの温度を分離フィルタの温度より高くする必要がある。
また、分離膜モジュールは、第２空間Ｐ２内を流れる掃引ガスを冷却又は加熱する熱交換器（図６、図７参照）を更に備えていてもよい。第２空間Ｐ２内を流れる掃引ガスを冷却する場合には冷媒式の熱交換器が用いられ、第２空間Ｐ２内を流れる掃引ガスを加熱する場合には熱媒式の熱交換器が用いられる。
１ リアクタ
２ リアクタモジュール
３ ハウジング
３ａ 掃引ガス供給口
３ｂ 掃引ガス排出口
３ｃ 原料ガス供給口
３ｄ 液体燃料排出口
４ 第１封止部
５ 第２封止部
６ 流れ止め部
７，８ 熱交換器
１０ 多孔質支持体
１１ 第１流路
ｅ１ 流入口
ｅ２ 流出口
１２ 第２流路
１３ セル
１４ 流入スリット
ｄ１ 流入口
１５ 流出スリット
ｄ２ 流出口
２０ 触媒
３０ 分離膜
４０ 第１シール部
５０ 第２シール部
２ リアクタモジュール
３ ハウジング
３ａ 掃引ガス供給口
３ｂ 掃引ガス排出口
３ｃ 原料ガス供給口
３ｄ 液体燃料排出口
４ 第１封止部
５ 第２封止部
６ 流れ止め部
７，８ 熱交換器
１０ 多孔質支持体
１１ 第１流路
ｅ１ 流入口
ｅ２ 流出口
１２ 第２流路
１３ セル
１４ 流入スリット
ｄ１ 流入口
１５ 流出スリット
ｄ２ 流出口
２０ 触媒
３０ 分離膜
４０ 第１シール部
５０ 第２シール部
Claims (6)
- 長手方向に延びるモノリス型のリアクタと、
前記リアクタを収容するハウジングと、
前記ハウジングと前記リアクタの第１端部との間を封止する環状の第１封止部と、
前記ハウジングと前記リアクタの第２端部との間を封止する環状の第２封止部と、
前記長手方向において前記第１封止部と前記第２封止部との間に配置される環状の流れ止め部と、
を備え、
前記リアクタは、水素及び二酸化炭素を含有する原料ガスから液体燃料への転化反応の生成物を透過させる分離膜と、前記分離膜の非透過側の第１流路と、前記分離膜の透過側の第２流路とを有し、
前記第２流路は、前記第１封止部と前記流れ止め部との間の第１空間に開口する流入口と、前記第２封止部と前記流れ止め部との間の第２空間に開口する流出口とを含み、
前記ハウジングは、前記第１空間に掃引ガスを供給するための掃引ガス供給口と、前記第２空間から前記掃引ガスを排出するための掃引ガス排出口とを有し、
前記リアクタの側面視において、前記第２空間内を流れる前記掃引ガスの向きは、前記第２流路を流れる前記掃引ガスの向きと反対である、
リアクタモジュール。 - 前記第２空間内を流れる前記掃引ガスを冷却する熱交換器を更に備える、
請求項１に記載のリアクタモジュール。 - 請求項１又は２に記載のリアクタモジュールを用いた液体燃料合成方法であって、
前記掃引ガス供給口から前記第１空間に前記掃引ガスを供給する工程を備え、
前記前記リアクタの側面視において、前記第２空間内を流れる前記掃引ガスの向きは、前記第２流路を流れる前記掃引ガスの向きと反対である、
液体燃料合成方法。 - 長手方向に延びるモノリス型の分離フィルタと、
前記分離フィルタを収容するハウジングと、
前記ハウジングと前記分離フィルタの第１端部との間を封止する環状の第１封止部と、
前記ハウジングと前記分離フィルタの第２端部との間を封止する環状の第２封止部と、
前記長手方向において前記第１封止部と前記第２封止部との間に配置される環状の流れ止め部と、
を備え、
前記分離フィルタは、混合流体から所定成分を分離するための分離膜と、前記分離膜の非透過側の第１流路と、前記分離膜の透過側の第２流路とを有し、
前記第２流路は、前記第１封止部と前記流れ止め部との間の第１空間に開口する流入口と、前記第２封止部と前記流れ止め部との間の第２空間に開口する流出口とを含み、
前記ハウジングは、前記第１空間に掃引ガスを供給するための掃引ガス供給口と、前記第２空間から前記掃引ガスを排出するための掃引ガス排出口とを有し、
前記分離フィルタの側面視において、前記第２空間内を流れる前記掃引ガスの向きは、前記第２流路を流れる前記掃引ガスの向きと反対である、
分離膜モジュール。 - 前記第２空間内を流れる前記掃引ガスを冷却又は加熱する熱交換器を更に備える、
請求項４に記載の分離膜モジュール。 - 請求項４又は５に記載の分離膜モジュールを用いて混合流体から所定成分を分離する分離方法であって、
前記掃引ガス供給口から前記第１空間に前記掃引ガスを供給する工程を備え、
前記前記リアクタの側面視において、前記第２空間内を流れる前記掃引ガスの向きは、前記第２流路を流れる前記掃引ガスの向きと反対である、
分離方法。
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