JP7843719B2 - Methanation Reaction Apparatus and Methanation Reaction Method - Google Patents
Methanation Reaction Apparatus and Methanation Reaction MethodInfo
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Description
本発明は、メタネーション反応装置及びメタネーション反応方法に関する。 This invention relates to a methanation reaction apparatus and a methanation reaction method.
現在、世界的にカーボンニュートラルという観点から二酸化炭素(CO2)の回収技術の製品化及び開発が盛んである。また、自然エネルギー由来の電気分解による水素製造技術の製品化及び開発も盛んである。これらの二酸化炭素(CO2)、水素(H2)を利用し、メタン(CH4)を生成するメタネーションシステムの需要は今後増えると考えられる。 Currently, there is a global surge in the commercialization and development of carbon dioxide ( CO2 ) capture technologies from a carbon neutrality perspective. Furthermore, there is also a surge in the commercialization and development of hydrogen production technologies using electrolysis derived from renewable energy sources. The demand for methanation systems that utilize these carbon dioxide ( CO2 ) and hydrogen ( H2 ) to produce methane ( CH4 ) is expected to increase in the future.
触媒を用いた二酸化炭素のメタネーション技術の開発に関しても各所で進められている。本メタネーション技術の共通する課題は、メタネーション反応の急激な発熱の制御である。この発熱により触媒層は制御不能なほど急激に温度が上昇することもあり、触媒の劣化が懸念されたり、触媒反応器(以下「反応器」ともいう)を設計したりするうえで耐高温材料の要求につながることとなる。 Development of methanation technology for carbon dioxide using catalysts is progressing in various places. A common challenge in this methanation technology is controlling the rapid exothermic reaction. This exothermic reaction can cause the catalyst layer to rise uncontrollably, leading to concerns about catalyst degradation and requiring high-temperature resistant materials when designing catalytic reactors (hereinafter also referred to as "reactors").
特に、反応器においては、入口部付近において、発熱反応による触媒層の急激な温度上昇が顕著であるという問題がある。 In particular, in reactors, there is a problem in that the temperature of the catalyst layer rises sharply due to the exothermic reaction near the inlet.
これを解決するために、急激な触媒層の温度上昇が想定される反応ゾーンに、メタネーション触媒とアルミナボール(メタネーション反応に不活性)を交互に充填するか、または触媒とアルミナボールを混合して充填することにより、発熱反応の速度を抑制し、急激な触媒層温度の上昇を緩和する、という提案がある(特許文献1)。 To address this, one proposed solution involves alternately filling the reaction zone where a rapid temperature rise in the catalyst layer is expected with methanation catalyst and alumina balls (inert to the methanation reaction), or by mixing the catalyst and alumina balls and filling the zone with these materials. This suppresses the rate of the exothermic reaction and mitigates the rapid temperature rise in the catalyst layer (Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1では、触媒活性に寄与しないアルミナボールでメタネーション触媒を希釈しているだけであるので、発生した熱の放熱先が確保しづらく、またアルミナボール分の無駄な容積を必要とするため反応器の小型化には不向きである、という問題がある。 However, Patent Document 1 merely dilutes the methanation catalyst with alumina balls that do not contribute to catalytic activity. This presents problems because it makes it difficult to secure a heat dissipation outlet for the generated heat, and also requires wasted volume due to the alumina balls, making it unsuitable for miniaturizing the reactor.
通常、このようなメタネーション反応器内での急激な触媒層の温度上昇を緩和するためには、反応熱の除去のために別途冷却機能を備える場合も多いが、メタネーションシステム全体が大型化するという問題がある。 Typically, to mitigate the rapid temperature rise of the catalyst layer within such a methanation reactor, a separate cooling system is often incorporated to remove reaction heat. However, this presents the problem of increasing the overall size of the methanation system.
本発明は従来技術の有するこのような問題点を解決するためになされたものであり、その課題とするところは、メタネーション反応器内の、反応熱による急激な触媒層の温度上昇を緩和できるメタネーション反応装置及びメタネーション反応方法を提供することにある。 This invention was made to solve the problems of the prior art, and its objective is to provide a methanation reactor and a methanation reaction method that can mitigate the rapid temperature rise of the catalyst layer in the methanation reactor due to the heat of reaction.
本発明に係る一つの態様のメタネーション反応装置は、二酸化炭素と水素とを含む原料ガスを導入する反応器内に、前記二酸化炭素をメタン化させるメタネーション触媒と、メタネーション反応の発熱の一部を吸熱して反応する逆シフト反応用触媒(以下「逆シフト触媒」ともいう)とを所定の割合で混合した混合触媒を充填してなることを特徴とする。 One embodiment of the present invention is a methanation reactor characterized by filling a reactor, into which a raw material gas containing carbon dioxide and hydrogen is introduced, with a mixed catalyst obtained by mixing a methanation catalyst for methane conversion of the carbon dioxide and a reverse shift catalyst (hereinafter also referred to as "reverse shift catalyst") in a predetermined ratio.
また、本発明に係る一つの態様のメタネーション反応方法は、反応器のガス導入側からガス排出側にかけて、メタネーション触媒と逆シフト触媒とを所定の割合で混合した混合触媒を充填し、導入した二酸化炭素をメタネーション触媒によりメタンに変換させると共に、メタネーション反応の発熱の一部を吸熱して反応する逆シフト反応により、導入した二酸化炭素を一酸化炭素に変換させる反応工程を有することを特徴とする。 Furthermore, one embodiment of the methanation reaction method according to the present invention is characterized by a reaction step in which a mixed catalyst, obtained by mixing a methanation catalyst and a reverse shift catalyst in a predetermined ratio, is packed from the gas inlet side to the gas outlet side of the reactor, the introduced carbon dioxide is converted to methane by the methanation catalyst, and the introduced carbon dioxide is converted to carbon monoxide by a reverse shift reaction, which absorbs a portion of the heat generated by the methanation reaction.
本発明によれば、一つの反応場において、メタネーション触媒と逆シフト触媒とを混合させることによって、メタネーション反応の発熱の一部を、逆シフト反応による吸熱で利用し、一種の熱相殺作用を発揮させることができる。 According to the present invention, by mixing a methanation catalyst and a reverse shift catalyst in a single reaction field, a portion of the heat generated by the methanation reaction can be utilized through the endothermic reaction of the reverse shift reaction, thereby exhibiting a kind of thermal cancellation effect.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本明細書の実施形態においては、全体を通じて、同一の部材には同一の符号を付している。 The embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. In the embodiments described herein, the same reference numerals are used for the same components throughout.
[第1実施形態]
図1(A)~(C)は、本発明に係る第1実施形態のメタネーション反応器の概略図である。
図1(A)に示すように、本実施形態にかかるメタネーション反応器は、二酸化炭素(CO2)と水素(H2)とを含む原料ガスG1を導入する反応器11内に、二酸化炭素をメタンに変換するメタネーション触媒20と、メタネーション反応の発熱の一部を吸熱して反応する逆シフト反応用の逆シフト触媒21とを所定の割合で混合した混合触媒22を充填している。
ここで、逆シフト触媒21とメタネーション触媒20との配合比率(容量%)は例えば90:10~40:60とするのが好ましい。
[First Embodiment]
Figures 1(A) to 1(C) are schematic diagrams of a methanation reactor according to the first embodiment of the present invention.
As shown in Figure 1(A), the methanation reactor according to this embodiment is packed with a mixed catalyst 22 in a predetermined ratio within a reactor 11 into which a raw material gas G1 containing carbon dioxide ( CO2 ) and hydrogen ( H2 ) is introduced. This mixed catalyst 22 is obtained by mixing a methanation catalyst 20, which converts carbon dioxide into methane, and a reverse shift catalyst 21, which reacts by endothermically releasing some of the heat generated by the methanation reaction.
Here, the mixing ratio (volume %) of the reverse shift catalyst 21 and the methanation catalyst 20 is preferably, for example, 90:10 to 40:60.
反応器11の上部側と底部側には、原料ガスG1を導入するガス導入配管12Aと排出ガスG2を排出するガス排出配管12Bが設けられている。 The reactor 11 is equipped with a gas introduction pipe 12A for introducing the raw material gas G1 and a gas discharge pipe 12B for discharging the exhaust gas G2, both on the upper and lower sides.
原料ガスG1は、二酸化炭素(CO2)と水素(H2)とを1:4の比率で導入するのが好ましい。
反応器11の反応開始温度は200~400℃、好適には270℃~300℃としている。
ガス導入配管12Aから導入された二酸化炭素(CO2)と水素(H2)は、メタネーション触媒20により、下記式(1)のように、メタン(CH4)と水(H2O)とに変換される。
It is preferable to introduce raw material gas G1 consisting of carbon dioxide ( CO₂ ) and hydrogen ( H₂ ) in a ratio of 1:4.
The reaction start temperature of reactor 11 is set to 200 to 400°C, preferably 270 to 300°C.
Carbon dioxide ( CO₂ ) and hydrogen ( H₂ ) introduced from the gas introduction pipe 12A are converted into methane ( CH₄ ) and water ( H₂O ) by the methanation catalyst 20, as shown in equation (1) below.
[化1]
CO2+4H2→CH4+2H2O…(1)
[Chemical formula 1]
CO 2 +4H 2 →CH 4 +2H 2 O…(1)
この際、メタネーション触媒20に隣接する逆シフト触媒21により、下記式(2)のように、導入された二酸化炭素(CO2)と水素(H2)が、一酸化炭素(CO)と水(H2O)とに変換される。 In this process, the reverse-shift catalyst 21 adjacent to the methanation catalyst 20 converts the introduced carbon dioxide ( CO₂ ) and hydrogen ( H₂ ) into carbon monoxide (CO) and water (H₂O), as shown in equation ( 2 ) below.
[化2]
CO2+H2→CO+H2O…(2)
[Case 2]
CO 2 + H 2 →CO + H 2 O…(2)
すなわち、導入された二酸化炭素は、メタネーション触媒20上で上記式(1)のメタネーション反応により、発熱(+165.0kJ/mol)する。
また、隣接する逆シフト触媒21上では、メタネーション触媒20での発熱の一部を吸熱(-41.2kJ/mol)して上記式(2)のように逆シフト反応が進行する。
In other words, the introduced carbon dioxide generates heat (+165.0 kJ/mol) through the methanation reaction of formula (1) on the methanation catalyst 20.
Furthermore, on the adjacent reverse-shift catalyst 21, a portion of the heat generated in the methanation catalyst 20 is absorbed (-41.2 kJ/mol), and the reverse-shift reaction proceeds as shown in equation (2) above.
このように、式(1)のメタネーション反応による発熱が、式(2)の逆シフト反応の吸熱と熱相殺またはそれに近い状態となれば、反応器11の入口付近の触媒層の、例えば600℃またはそれ以上となる急激な温度上昇が緩和されることとなる。 Thus, if the exothermic reaction in the methanation reaction of equation (1) is thermally offset or nearly offset by the endothermic reaction in the reverse shift reaction of equation (2), the rapid temperature rise in the catalyst layer near the inlet of reactor 11, for example to 600°C or higher, will be mitigated.
以上より、本実施形態によれば、式(1)のメタネーション反応の発熱の一部を、式(2)の逆シフト反応による吸熱反応で利用し、一種の熱相殺作用を発揮させて、急激な触媒層の温度上昇を緩和することができる。 Therefore, according to this embodiment, a portion of the heat generated by the methanation reaction of formula (1) is utilized in the endothermic reaction by the reverse shift reaction of formula (2), thereby exhibiting a kind of heat cancellation effect and mitigating the rapid temperature rise of the catalyst layer.
また一つの反応場の反応器11内において、メタネーション触媒20と吸熱反応による逆シフト触媒21とを混合させることによって、メタネーション反応で発生した発熱の一部を、逆シフト反応による吸熱反応で利用し、一種の熱相殺作用を発揮させることができる。 Furthermore, by mixing the methanation catalyst 20 and the reverse-shift catalyst 21 (which is produced by an endothermic reaction) within the reactor 11 of a single reaction field, a portion of the heat generated by the methanation reaction can be utilized in the endothermic reaction of the reverse-shift reaction, thereby exhibiting a kind of heat cancellation effect.
メタネーション反応装置の概略図の一例を、図2に示すが本発明はこれに限定されるものではない。図2に示すように、本実施形態のメタネーション反応装置10Aは、二酸化炭素(CO2)、水素(H2)、パージ用窒素(N2)からなる原料ガスG1を導入するガス導入配管12Aと、メタネーション触媒20と逆シフト触媒21とを所定割合で充填した反応器11と、反応器11の導入前に原料ガスG1を予熱する予熱器31と、反応器11内を加熱するヒータ32と、ガスメーター33とから構成されている。また、各所に圧力計Pを設置している(すべては図示せず)。なお、反応器11内には、内部の温度を計測する反応管内温度計(図示せず)が設けられている。 Figure 2 shows an example of a schematic diagram of a methanation reactor, but the present invention is not limited thereto. As shown in Figure 2, the methanation reactor 10A of this embodiment consists of a gas introduction pipe 12A for introducing a raw material gas G1 consisting of carbon dioxide ( CO2 ), hydrogen ( H2 ), and purging nitrogen ( N2 ), a reactor 11 filled with a methanation catalyst 20 and a reverse shift catalyst 21 in a predetermined ratio, a preheater 31 for preheating the raw material gas G1 before introducing it into the reactor 11, a heater 32 for heating the inside of the reactor 11, and a gas meter 33. Pressure gauges P are also installed in various places (not all are shown). A reaction tube thermometer (not shown) for measuring the internal temperature is provided inside the reactor 11.
ここで、本発明でメタネーション触媒とは、上記式(1)のような、二酸化炭素(CO2)と水素(H2)とを、触媒反応によりメタン(CH4)と水(H2O)とに変換する触媒をいう。メタネーション触媒は、例えばPt、Ru、Ni、Pdなど少なくとも一種の触媒活性成分を、例えばアルミナなどの担体に担持させたものを例示することができるが、本発明はこれに限定されるものではない。 Here, in the present invention, a methanation catalyst refers to a catalyst that converts carbon dioxide ( CO₂ ) and hydrogen ( H₂ ) into methane ( CH₄ ) and water ( H₂O ) through a catalytic reaction, as shown in formula (1) above. A methanation catalyst can be exemplified by one in which at least one catalytically active component, such as Pt, Ru, Ni, or Pd, is supported on a carrier such as alumina, but the present invention is not limited thereto.
また、本発明で逆シフト触媒とは、二酸化炭素(CO2)と水素(H2)とを、触媒反応により一酸化炭素(CO)と水(H2O)とに変換する触媒をいう。逆シフト触媒は、例えばMn、Pdなど少なくとも一種の触媒活性成分を例えばアルミナなどの担体に担持させたものや、例えばFe、Crの酸化物からなるものを例示することができるが、本発明はこれに限定されるものではない。 Furthermore, in this invention, a reverse shift catalyst refers to a catalyst that converts carbon dioxide ( CO₂ ) and hydrogen ( H₂ ) into carbon monoxide (CO) and water ( H₂O ) through a catalytic reaction. Examples of reverse shift catalysts include those in which at least one catalytically active component, such as Mn or Pd, is supported on a carrier such as alumina, or those made of oxides of Fe or Cr, but this invention is not limited to these.
また、図1(B)に示すように、メタネーション触媒20と逆シフト触媒21とを混合する場合において、入口側から所定間隔設けたガス進行方向と直交する方向の領域において、逆シフト触媒21のみの充填層とした吸熱領域を設け、さらに発熱を抑制するようにしてもよい。なお、逆シフト触媒21のみの充填層の高さ方向の割合(厚さ)は、熱相殺度合いに応じて適宜変更しても良い。このように、逆シフト触媒21のみの充填層とすることで、熱相殺効果がさらに向上することも期待できる。 Furthermore, as shown in Figure 1(B), when mixing the methanation catalyst 20 and the reverse-shift catalyst 21, an endothermic region consisting only of the reverse-shift catalyst 21 may be provided in a region perpendicular to the gas flow direction, spaced at a predetermined interval from the inlet side, to further suppress heat generation. The height ratio (thickness) of the reverse-shift catalyst 21-only packed layer may be appropriately changed depending on the degree of heat cancellation. In this way, by using a packed layer consisting only of the reverse-shift catalyst 21, it is expected that the heat cancellation effect will be further improved.
また、図1(C)に示すように、メタネーション触媒20の触媒活性成分20aと逆シフト触媒21の触媒活性成分21aとを所定の割合で共通担体23に担持した混合触媒を充填させるようにしてもよい。
このように、メタネーション触媒と逆シフト触媒の触媒活性成分20a、21aを共通担体23に担持させることで、触媒の充填効率が向上する。共通担体23に担持する逆シフト触媒21の触媒活性成分21aとメタネーション触媒20の触媒活性成分20aとの配合比率は各々の触媒を個別に混合する場合と同じ90:10~40:60から計算した配合比とするのが好ましい。
Alternatively, as shown in Figure 1(C), a mixed catalyst may be packed into the common carrier 23, in which the catalytically active component 20a of the methanation catalyst 20 and the catalytically active component 21a of the reverse-shift catalyst 21 are supported on the common carrier 23 in a predetermined ratio.
In this way, by supporting the catalytic active components 20a and 21a of the methanation catalyst and the reverse shift catalyst on the common carrier 23, the catalyst packing efficiency is improved. The mixing ratio of the catalytic active component 21a of the reverse shift catalyst 21 and the catalytic active component 20a of the methanation catalyst 20 supported on the common carrier 23 is preferably a mixing ratio calculated from 90:10 to 40:60, the same as when each catalyst is mixed individually.
以上述べたように、本発明によれば、メタネーション反応器における温度制御において、メタネーション触媒20と逆シフト触媒21とを所定割合に充填してなる反応器11を設けることで、原料ガスG1のメタネーション反応における急激な発熱を緩和することができる。 As described above, according to the present invention, in temperature control in the methanation reactor, by providing a reactor 11 filled with a methanation catalyst 20 and a reverse-shift catalyst 21 in a predetermined ratio, the rapid exothermic reaction of the raw material gas G1 can be mitigated.
これにより、メタネーション装置において、従来のような冷却機能を削減または簡略化することができ、装置構成が簡便となり、コストダウンを図ることができる。 This allows for the reduction or simplification of the cooling function in the methanation device, resulting in a simpler device configuration and cost reduction.
[第2実施形態]
図3(図3(A)~(D))は、本発明に係る第2実施形態のメタネーション反応器の概略図である。
[Second Embodiment]
Figure 3 (Figures 3(A) to 3(D)) is a schematic diagram of a methanation reactor according to a second embodiment of the present invention.
図3(A)に示すように、第2の実施形態のメタネーション反応器は、反応器11をガス導入側からガス排出側にかけて第1反応領域11Aと第2反応領域11Bとに分割し、第1反応領域11Aに、メタネーション触媒20と逆シフト触媒21とを所定の割合で混合した混合触媒22を充填させると共に、第2反応領域11Bにメタネーション触媒20のみを充填してなる。 As shown in Figure 3(A), the methanation reactor of the second embodiment is divided into a first reaction region 11A and a second reaction region 11B from the gas inlet side to the gas outlet side of the reactor 11. The first reaction region 11A is filled with a mixed catalyst 22, which is a mixture of the methanation catalyst 20 and the reverse-shift catalyst 21 in a predetermined ratio, while the second reaction region 11B is filled with only the methanation catalyst 20.
本実施形態によれば、反応器11の第1反応領域11Aに導入された二酸化炭素は、メタネーション触媒20上で上記式(1)のメタネーション反応により、発熱(+165.0kJ/mol)する。
また、隣接する逆シフト触媒21上では、メタネーション触媒20での発熱の一部を吸熱(-41.2kJ/mol)し、上記式(2)の二酸化炭素から一酸化炭素への逆シフト反応が進行する。
According to this embodiment, carbon dioxide introduced into the first reaction region 11A of the reactor 11 is exothermic (+165.0 kJ/mol) by the methanation reaction of formula (1) on the methanation catalyst 20.
Furthermore, on the adjacent reverse-shift catalyst 21, a portion of the heat generated in the methanation catalyst 20 is absorbed (-41.2 kJ/mol), and the reverse-shift reaction from carbon dioxide to carbon monoxide in equation (2) above proceeds.
このように、式(1)のメタネーション反応による発熱が、式(2)の逆シフト反応の吸熱と熱相殺またはそれに近い状態となれば、反応器11の入口付近の触媒層の、例えば600℃またはそれ以上となる急激な温度上昇が緩和されることとなる。 Thus, if the heat generated by the methanation reaction in equation (1) is thermally offset or nearly offset by the heat absorbed by the reverse shift reaction in equation (2), the rapid temperature rise of the catalyst layer near the inlet of reactor 11, for example to 600°C or higher, will be mitigated.
第1反応領域11Aにおいて、充分にメタネーション反応が進行しない場合、第1反応領域出口ガス中の未反応二酸化炭素は、第2反応領域11Bを設けることで、メタネーション触媒20により、上記式(1)のように、メタン(CH4)と水(H2O)とに変換される。
また、逆シフト反応により生成された一酸化炭素(CO)は、第2反応領域11Bのメタネーション触媒20により、下記式(3)のようにメタン(CH4)と水(H2O)とに変換されるため、導入された原料ガスG1中の二酸化炭素はほぼメタンに変換される。
If the methanation reaction does not proceed sufficiently in the first reaction region 11A, the unreacted carbon dioxide in the outlet gas of the first reaction region is converted into methane ( CH₄ ) and water ( H₂O ) by the methanation catalyst 20 by the second reaction region 11B, as shown in formula (1) above.
Furthermore, the carbon monoxide (CO) produced by the reverse shift reaction is converted into methane ( CH₄ ) and water ( H₂O ) by the methanation catalyst 20 in the second reaction region 11B, as shown in equation (3) below. Thus, almost all of the carbon dioxide in the introduced raw material gas G1 is converted into methane.
[化3]
CO+3H2→CH4+H2O…(3)+206.2kJ/mol
[Chemical 3]
CO+3H 2 →CH 4 +H 2 O…(3)+206.2kJ/mol
この反応式(2)~(3)と合算すると、生成した一酸化炭素(CO)は相殺され、トータルの反応は結果として式(1)と変わりがないこととなる。 When reaction equations (2) and (3) are combined, the carbon monoxide (CO) produced cancels out, and the total reaction is the same as that in equation (1).
このように、反応式(1)と、反応式(2)~(3)の合算を比べると、トータルの反応における発熱量に変わりはないものの、第1反応領域11Aにおける式(1)~(2)の反応が熱相殺またはそれに近い状態となれば、反応器11の入口付近の触媒層の、例えば600℃またはそれ以上となる急激な温度上昇が緩和されることとなる。 Thus, comparing reaction equation (1) with the sum of reaction equations (2) and (3), while the total amount of heat generated in the reaction remains the same, if the reactions in equations (1) and (2) in the first reaction region 11A are thermally canceled out or nearly so, the rapid temperature rise in the catalyst layer near the inlet of reactor 11, for example to 600°C or higher, will be mitigated.
以上より、本実施形態によれば、式(1)のメタネーション反応の発熱の一部を、式(2)の逆シフト反応による吸熱反応で利用し、一種の熱相殺作用を発揮させて、急激な触媒層温度の上昇を緩和するようにしている。 Therefore, according to this embodiment, a portion of the heat generated by the methanation reaction of formula (1) is utilized in the endothermic reaction by the reverse shift reaction of formula (2), thereby exhibiting a kind of heat cancellation effect and mitigating a rapid rise in the catalyst layer temperature.
ここで第1反応領域11Aと第2反応領域11Bとの容積割合としては、95:5~30:70、好適には80:20~30:70とするのが好ましい。 Here, the volume ratio of the first reaction region 11A to the second reaction region 11B is preferably 95:5 to 30:70, more preferably 80:20 to 30:70.
また、図3(B)に示すメタネーション反応装置は、前述の図1(B)の第1反応領域11Aの後流側に、図3(A)と同様に第2反応領域11Bを設けている。これにより、第1反応領域では上記式(1)メタネーション反応と上記式(2)逆シフト反応が起こり、第2反応領域では逆シフト反応により生成された一酸化炭素(CO)および未反応二酸化炭素(CO2)が、第2反応領域11Bのメタネーション触媒20により、上記式(1)、(3)のようにメタン(CH4)と水(H2O)とに変換され、原料ガスG1中の二酸化炭素はほぼメタンに変換される。 Furthermore, the methanation reactor shown in Figure 3(B) has a second reaction region 11B downstream of the first reaction region 11A in Figure 1(B), similar to that in Figure 3(A). As a result, the methanation reaction of formula (1) and the reverse shift reaction of formula (2) occur in the first reaction region, and in the second reaction region, the carbon monoxide (CO) and unreacted carbon dioxide ( CO2 ) generated by the reverse shift reaction are converted into methane ( CH4 ) and water ( H2O ) by the methanation catalyst 20 in the second reaction region 11B, as shown in formulas (1) and (3), and almost all of the carbon dioxide in the raw material gas G1 is converted into methane.
また、図3(C)に示すメタネーション反応装置は、前述の図1(C)の第1反応領域11Aの後流側に、図3(A)と同様に第2反応領域11Bを設けている。これにより、第1反応領域では上記式(1)メタネーション反応と上記式(2)逆シフト反応が起こり、第2反応領域では逆シフト反応により生成された一酸化炭素(CO)および未反応二酸化炭素(CO2)が、第2反応領域11Bのメタネーション触媒20により、上記式(1)(3)のようにメタン(CH4)と水(H2O)とに変換され、原料ガスG1中の二酸化炭素はほぼメタンに変換される。 Furthermore, the methanation reactor shown in Figure 3(C) has a second reaction region 11B downstream of the first reaction region 11A in Figure 1(C), similar to that in Figure 3(A). As a result, the methanation reaction (1) and the reverse shift reaction (2) described above occur in the first reaction region, and in the second reaction region, the carbon monoxide (CO) and unreacted carbon dioxide ( CO₂ ) generated by the reverse shift reaction are converted into methane ( CH₄ ) and water ( H₂O ) by the methanation catalyst 20 in the second reaction region 11B, as shown in equations (1) and (3), and almost all of the carbon dioxide in the raw material gas G1 is converted into methane.
本実施形態のメタネーション反応装置の一例を図4に示す。図4に示すように、本実施形態のメタネーション反応装置10Bの構成は、図2に示すメタネーション反応装置10Aの構成と同様であるので詳細は省略する。本実施形態のメタネーション反応装置10Bは、反応器11内に第1反応領域11Aと第2反応領域11Bを設けている。なお、反応器11としては、上述した図3(A)~図3(C)を設置している。 An example of the methanation reactor of this embodiment is shown in Figure 4. As shown in Figure 4, the configuration of the methanation reactor 10B of this embodiment is the same as that of the methanation reactor 10A shown in Figure 2, so details are omitted. The methanation reactor 10B of this embodiment has a first reaction region 11A and a second reaction region 11B within the reactor 11. The reactor 11 is the one shown in Figures 3(A) to 3(C) above.
メタネーション反応方法は、反応器11のガス導入側からガス排出側にかけて第1反応領域11Aと第2反応領域11Bとに分割し、第1反応領域11Aに、メタネーション触媒20と逆シフト触媒21とを所定の割合で混合した混合触媒22を充填し、導入した二酸化炭素をメタネーション触媒20によりメタンに変換させると共に、メタネーション反応の発熱の一部を吸熱して反応する逆シフト反応により、導入した二酸化炭素を一酸化炭素に変換させる第1反応工程と、第2反応領域に、メタネーション触媒20のみを充填して、未反応の二酸化炭素をメタンに変換させると共に、逆シフト反応で生成した一酸化炭素をメタンに変換させる第2の反応工程を有する。 The methanation reaction method involves dividing the reactor 11 into a first reaction region 11A and a second reaction region 11B, extending from the gas inlet side to the gas outlet side. The first reaction region 11A is filled with a mixed catalyst 22, a mixture of a methanation catalyst 20 and a reverse shift catalyst 21 in a predetermined ratio. The first reaction step involves converting the introduced carbon dioxide into methane using the methanation catalyst 20, and simultaneously converting the introduced carbon dioxide into carbon monoxide through a reverse shift reaction that absorbs some of the heat generated by the methanation reaction. The second reaction step involves filling the second reaction region with only the methanation catalyst 20, converting unreacted carbon dioxide into methane, and converting the carbon monoxide produced by the reverse shift reaction into methane.
このメタネーション反応方法により、第1反応領域11Aではメタネーション触媒20により、原料ガスG1中の二酸化炭素をメタンに変換すると共に、逆シフト触媒21により二酸化炭素を一酸化炭素に変換し、第2反応領域11Bではメタネーション触媒20により、一酸化炭素および未反応の二酸化炭素がメタン(CH4)に変換され、原料ガスG1中の二酸化炭素はほぼメタンに変換することができる。
以上本発明によれば、メタネーション触媒20を用いた反応器11に導入する二酸化炭素と水素とのメタネーション反応の際に、簡易な方法によって触媒層温度の急激な上昇を緩和できる。
In this methanation reaction method, in the first reaction region 11A, the methanation catalyst 20 converts carbon dioxide in the raw material gas G1 into methane, and the reverse shift catalyst 21 converts carbon dioxide into carbon monoxide. In the second reaction region 11B, the methanation catalyst 20 converts carbon monoxide and unreacted carbon dioxide into methane ( CH4 ), so that almost all of the carbon dioxide in the raw material gas G1 can be converted into methane.
As described above, according to the present invention, when a methanation reaction occurs between carbon dioxide and hydrogen introduced into a reactor 11 using a methanation catalyst 20, a rapid rise in the catalyst layer temperature can be mitigated by a simple method.
(試験例)
以下、本発明の効果を示す試験例について説明する。
本試験例では、図3(D)に示すように、直径20mmの反応器11内を2分割して、第1反応領域11Aと第2反応領域11Bとに2分割し、第1反応領域11Aに混合触媒15mlを充填し、第2反応領域11Bにメタネーション触媒15mlを充填した。
混合触媒層の混合割合は、逆シフト触媒70容量%、メタネーション触媒30容量%とした(なお、図では混合割合の図示を簡略化している)。
(Example test)
The following describes test examples demonstrating the effects of the present invention.
In this test example, as shown in Figure 3(D), the reactor 11, which has a diameter of 20 mm, was divided into two parts: a first reaction region 11A and a second reaction region 11B. 15 ml of mixed catalyst was packed into the first reaction region 11A, and 15 ml of methanation catalyst was packed into the second reaction region 11B.
The mixing ratio of the mixed catalyst layer was 70% by volume of the reverse-shift catalyst and 30% by volume of the methanation catalyst (note that the illustration of the mixing ratio is simplified in the figure).
これに対して、反応容器内を第1反応領域11Aと第2反応領域11Bとに分割せず、触媒層30mlのメタネーション触媒20のみを充填したものを対照とした。どちらの場合も触媒は所定温度で還元して使用している。 In contrast, a control was used in which the reaction vessel was not divided into a first reaction region 11A and a second reaction region 11B, but instead filled only with a 30 ml catalyst layer of methanation catalyst 20. In both cases, the catalyst was used after reduction at a predetermined temperature.
予熱器31での予熱温度を200℃、反応器11内の反応温度を300℃とし、反応圧力を0.1MPaGと0MPaGの条件で、水素2NL/min、次いで二酸化炭素0.5NL/minを供給して二酸化炭素のメタネーション試験を行った。このときの触媒層温度分布を図5、図6に示す(なお、図5は図2(D)における触媒層温度分布を、図6はメタネーション触媒20のみにおける温度分布である)。
また、反応圧力0.1MPaG時が図中プロットA、0MPaG時が図中プロットBである。なお、図中プロットCは二酸化炭素の導入がない状態である。図5、図6における横軸の触媒高さは、試験装置のガス入口からガス進行方向(本例では下方)の距離である。
なお、反応器11内の反応圧力としては、0MPaG(大気圧)から1MPaG未満の範囲とするのが好ましい。
The preheating temperature in the preheater 31 was set to 200°C, the reaction temperature in the reactor 11 was set to 300°C, and the reaction pressure was set to 0.1 MPaG and 0 MPaG. A carbon dioxide methanation test was performed by supplying 2 NL/min of hydrogen, followed by 0.5 NL/min of carbon dioxide. The catalyst layer temperature distribution at this time is shown in Figures 5 and 6 (Figure 5 shows the catalyst layer temperature distribution in Figure 2(D), and Figure 6 shows the temperature distribution in the methanation catalyst 20 only).
Furthermore, plot A in the figure represents a reaction pressure of 0.1 MPaG, and plot B represents a reaction pressure of 0 MPaG. Plot C in the figure represents a state without the introduction of carbon dioxide. In Figures 5 and 6, the catalyst height on the horizontal axis is the distance from the gas inlet of the test apparatus in the direction of gas flow (downward in this example).
Furthermore, the reaction pressure inside the reactor 11 is preferably in the range of 0 MPaG (atmospheric pressure) to less than 1 MPaG.
試験に用いたメタネーション触媒は、伊藤忠セラテック社製の「エアロナイト(登録商標) agAl-NiPd」(商品名)である。
また、逆シフト触媒は、伊藤忠セラテック社製の「エアロナイト(登録商標) agAl-MnPd」(商品名)である。
The methanation catalyst used in the test was "Aeronite® agAl-NiPd" (product name), manufactured by Itochu Ceratec Co., Ltd.
Furthermore, the reverse shift catalyst is "Aeronite (registered trademark) agAl-MnPd" (product name) manufactured by Itochu Ceratec Co., Ltd.
図5と図6とを比較すると、反応容器11内を第1反応領域11Aと第2反応領域11Bとに分割しない場合には、入口付近において、急激な温度上昇がみられた。
これに対して、反応容器11内を第1反応領域11Aと第2反応領域11Bとに分割した場合は、入口付近での急激な温度上昇が緩和された。
また、図5のプロットAでは、入口付近の熱上昇は本発明では500℃未満(485℃)であったが、図6に示す従来のプロットAでは500℃を超えていた(515℃)。
Comparing Figure 5 and Figure 6, it can be seen that when the reaction vessel 11 is not divided into a first reaction region 11A and a second reaction region 11B, a rapid temperature increase is observed near the entrance.
In contrast, when the reaction vessel 11 was divided into a first reaction region 11A and a second reaction region 11B, the rapid temperature rise near the entrance was mitigated.
Furthermore, in plot A of Figure 5, the temperature rise near the inlet was less than 500°C (485°C) in the present invention, but it exceeded 500°C (515°C) in the conventional plot A shown in Figure 6.
以上説明したように、本発明によれば、一つの反応場において、メタネーション触媒と逆シフト触媒とを混合させることによって、メタネーション反応の発熱の一部を、逆シフト反応による吸熱反応で利用し、一種の熱相殺作用を発揮させることができる。 As explained above, according to the present invention, by mixing a methanation catalyst and a reverse shift catalyst in a single reaction field, a portion of the heat generated by the methanation reaction can be utilized in the endothermic reaction of the reverse shift reaction, thereby exhibiting a kind of thermal cancellation effect.
よって、複雑な工程を介さずに、また複雑な反応器構造を有さずに、本反応の急激な温度上昇を緩和することができるため、メタネーション装置のコストダウンを図ることができる。また高温になりにくいということから、触媒の長寿命化や反応器のコストダウン(耐熱鋼等の特殊材ではなく、一般的なステンレス鋼を選定)を図ることができる。 Therefore, since the rapid temperature rise in this reaction can be mitigated without complex processes or complex reactor structures, the cost of the methanation apparatus can be reduced. Furthermore, because high temperatures are less likely to occur, the catalyst lifespan can be extended and the reactor cost can be reduced (by selecting general stainless steel instead of special materials such as heat-resistant steel).
さらに、従来のような冷却機能を削除または簡略化できたり、触媒反応に寄与しない例えばアルミナボールなどを充填したりする必要がなくなり、簡便な構成であっても、メタネーション反応器の急激な触媒層温度上昇を緩和することができる。 Furthermore, by eliminating or simplifying conventional cooling functions, and by eliminating the need to fill the reactor with materials that do not contribute to the catalytic reaction, such as alumina balls, it is possible to mitigate the rapid rise in catalyst layer temperature in the methanation reactor, even with a simple configuration.
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において適宜設計変更可能である。 Although preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the embodiments described above, and can be appropriately modified within the scope of the gist of the invention.
本発明は、本実施形態に示す形態以外のメタネーション反応装置にも利用可能である。 The present invention can also be used in methanation reactors other than those shown in this embodiment.
10A、10B メタネーション反応装置
11 反応器
11A 第1反応領域
11B 第2反応領域
12A ガス導入配管
12B ガス排出配管
20 メタネーション触媒
20a メタネーション触媒活性成分
21 逆シフト触媒
21a 逆シフト触媒活性成分
22 混合触媒
23 共通担体
G1 原料ガス
G2 排出ガス
10A, 10B Methanation reactor 11 Reactor 11A First reaction region 11B Second reaction region 12A Gas introduction piping 12B Gas discharge piping 20 Methanation catalyst 20a Methanation catalyst active component 21 Reverse shift catalyst 21a Reverse shift catalyst active component 22 Mixed catalyst 23 Common carrier G1 Raw material gas G2 Exhaust gas
Claims (8)
前記第1反応領域に、前記メタネーション触媒と前記逆シフト触媒とを所定の割合で混合した混合触媒を充填させると共に、
前記第2反応領域に、前記メタネーション触媒のみを充填してなることを特徴とする請求項1に記載のメタネーション反応装置。 The reactor is divided into a first reaction region and a second reaction region from the gas inlet side to the gas outlet side.
The first reaction region is filled with a mixed catalyst obtained by mixing the methanation catalyst and the reverse shift catalyst in a predetermined ratio,
The methanation reaction apparatus according to claim 1, characterized in that the second reaction region is filled only with the methanation catalyst.
前記第1反応領域にメタネーション触媒と逆シフト触媒とを所定の割合で混合した混合触媒を充填し第1反応工程とし、前記第2反応領域に前記メタネーション触媒のみを充填して、前記第1反応領域で未反応の二酸化炭素をメタンに変換させると共に、前記第1反応領域での前記逆シフト反応で生成した一酸化炭素をメタンに変換させる第2反応工程とすることを特徴とする請求項7に記載のメタネーション反応方法。 The reactor is divided into a first reaction region and a second reaction region from the gas inlet side to the gas outlet side.
The methanation reaction method according to claim 7, characterized in that a first reaction step is to fill the first reaction region with a mixed catalyst obtained by mixing a methanation catalyst and a reverse shift catalyst in a predetermined ratio, and a second reaction step is to fill the second reaction region with only the methanation catalyst to convert unreacted carbon dioxide in the first reaction region into methane and to convert carbon monoxide produced in the reverse shift reaction in the first reaction region into methane.
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