JPH11189552A - 二酸化炭素のメタン化反応方法及びその装置 - Google Patents

二酸化炭素のメタン化反応方法及びその装置

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JPH11189552A
JPH11189552A JP9357047A JP35704797A JPH11189552A JP H11189552 A JPH11189552 A JP H11189552A JP 9357047 A JP9357047 A JP 9357047A JP 35704797 A JP35704797 A JP 35704797A JP H11189552 A JPH11189552 A JP H11189552A
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JP
Japan
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catalyst
carbon dioxide
reaction tube
heating furnace
reaction
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JP9357047A
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Yoshihiro Kita
吉博 北
Shigekazu Hatano
茂和 畑野
Hiroaki Matsumoto
浩明 松本
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Publication date
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    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 二酸化炭素と水素を反応させて安定した高い
反応効率でメタンと水に変換する二酸化炭素のメタン化
反応方法及び反応器を提供しようとするものであり、特
に、メタン化反応器の小型化、反応器の稼働に要するエ
ネルギーの省力化を可能にしたものである。 【解決手段】 二酸化炭素と水素からなる原料ガスを触
媒反応管に導入してメタンと水を生成する二酸化炭素の
メタン化反応方法において、前記触媒反応管の主に上流
側周囲に配置した加熱炉で前記触媒反応管内の触媒を加
熱し、前記加熱炉近傍の触媒温度が第1の反応温度範囲
の上限値を超えたときに前記加熱炉を停止し、下限値を
下回ったときに前記加熱炉を稼働させるとともに、前記
触媒反応管の主に下流側周囲に配置した冷却器に冷媒を
供給し、若しくは供給を停止し、又は供給量を調節し
て、前記冷却器近傍の触媒温度を第2の反応温度範囲内
に保持するようにした二酸化炭素のメタン化反応方法、
及びメタン化反応器である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、二酸化炭素と水素
を触媒に接触させてメタンと水に変換する二酸化炭素の
メタン化反応方法及びその反応器に関し、特に、地上閉
鎖実験施設用及び宇宙施設用の二酸化炭素の還元装置や
メタン製造装置に適したものである。
【0002】
【従来の技術】二酸化炭素と水素をメタンと水に変換す
る化学反応式は次のとおりである。 CO2 +4H2 →CH4 +2H2 O (1) (標準反応熱=253kJ/mol発熱) 図2は、二酸化炭素と水素をメタンと水に変換する従来
のメタン化反応器の概念図である。反応管には、触媒
〔ルテニウム(Ru)、ニッケル(Ni)系〕が充填さ
れ、反応管の触媒充填部全体が電気加熱炉内に挿入され
ている。反応管の触媒が加熱炉で反応温度まで加熱され
た後、二酸化炭素と水素からなる原料ガスを反応管に導
入して触媒反応によりメタンと水を生成し、反応管の他
端から回収する。
【0003】前記触媒反応は、電気加熱炉の中央部に挿
入した温度検出器で触媒温度を常時監視しており、反応
熱による異常昇温を検知したときには、反応管の外壁に
コイル状に巻き付けたチューブ状冷却管に、冷媒(空
気、水、オイル等)を供給して前記反応管全体を降温さ
せる。
【0004】図2の反応器は、上記のように、加熱炉及
び冷却管によって反応管の触媒層全体を加熱、冷却する
構造になっている。そのため、加熱、冷却の対象となる
反応管の熱容量が大きくなり、触媒層内温度の制御に遅
れが出やすく、安定して高い反応率を維持することが困
難であった。また、反応管の熱容量が大きいため、加
熱、冷却に要するエネルギーが相当に高くなり、その結
果、メタン化反応器全体が大型になるという欠点があっ
た。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の欠点
を解消し、二酸化炭素と水素を反応させて安定した高い
反応効率でメタンと水に変換する二酸化炭素のメタン化
反応方法及びその反応器を提供しようとするものであ
り、特に、メタン化反応器の小型化、反応器の稼働に要
するエネルギーの省力化を可能にし、宇宙の施設におけ
る二酸化炭素の還元装置にも適したものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、下記の構成を
採用することにより、上記の課題の解決に成功した。 (1) 二酸化炭素と水素からなる原料ガスを触媒反応管に
導入してメタンと水を生成する二酸化炭素のメタン化反
応方法において、前記触媒反応管の主に上流側周囲に配
置した加熱炉で前記触媒反応管内の触媒を加熱し、前記
加熱炉近傍の触媒温度が第1の反応温度範囲の上限値を
超えたときに前記加熱炉を停止し、下限値を下回ったと
きに前記加熱炉を稼働させるとともに、前記触媒反応管
の主に下流側周囲に配置した冷却器に冷媒を供給し、若
しくは供給を停止し、又は供給量を調節して、前記冷却
器近傍の触媒温度を第2の反応温度範囲内に保持するこ
とを特徴とする二酸化炭素のメタン化反応方法。
【0007】(2) 前記触媒反応管の下流側端部近傍の触
媒温度を第2の反応温度範囲内に保持することを特徴と
する前記(1) 記載の二酸化炭素のメタン化反応方法。
【0008】(3) 二酸化炭素と水素からなる原料ガスを
化学反応させてメタンと水に変換する触媒反応管を備え
た二酸化炭素のメタン化反応装置において、前記反応管
の主に上流側周囲に加熱炉を配置し、前記反応管の主に
下流側周囲に冷却器を配置し、前記冷却器に冷媒供給管
及び冷媒排出管を接続し、前記加熱炉に第1の温度検出
器を配置し、第1の温度検出器の信号により前記加熱炉
を制御する装置を設け、かつ、前記冷媒供給管側の前記
反応管近傍に第2の温度検出器を配置し、第2の温度検
出器の信号により前記冷媒の冷却能力を制御する装置を
設けたことを特徴とする二酸化炭素のメタン化反応器。
【0009】(4) 前記反応管下流端側の冷却器に冷媒供
給管を、他端側に冷媒排出管を接続し、前記加熱炉内に
位置する前記反応管に第1の温度検出器を配置し、前記
冷媒供給管側の前記反応管近傍に第2の温度検出器を配
置したことを特徴とする前記(3) 記載の二酸化炭素のメ
タン化反応器。
【0010】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の1つの具体例で
ある二酸化炭素のメタン化反応器の概念図である。メタ
ン化触媒を充填した反応管の上流側周囲に加熱炉を配置
し、下流側周囲に冷却管を配置し、反応管の下流側の冷
却管に冷媒を供給し、上流側の冷却管から冷媒を排出す
ることにより、反応管の下流側の冷却効果をより高める
構造としたものである。なお、反応管内の温度分布の形
成のために、加熱炉を反応管中央より下流側に延ばした
り、逆に、冷却管を反応管中央より上流側に延ばすこと
も可能である。
【0011】加熱炉近傍に設ける第1の温度検出器は、
加熱炉の中央側端部近傍の反応管の中心に設けてもよい
し、反応管外壁に設けてもよい。また、その配置も加熱
炉内であれば中央から前後に移動してもよい。そして、
第1の温度検出器の信号は加熱炉の制御器(図示せず)
に送られ、加熱の開始・停止を制御して反応管の上流側
の触媒を反応温度に維持する。また、第2の温度検出器
は、冷媒供給管の反応管近傍又は反応管の流出端近傍に
設け、反応管の中心部に配置するか、反応管の外壁に配
置してもよい。そして、第2の温度検出器の信号は、冷
却制御器(図示せず)に送られ、反応管内の触媒温度を
所定の範囲に保持するように、冷媒供給管の調節弁を制
御する。
【0012】本発明にかかるメタン化反応は発熱反応で
あるため、反応を持続できる所定の温度以上に反応管の
上流側の触媒を初期加熱すると、その後は反応熱によ
り、反応管全体の触媒を上記の温度以上に保持すること
ができる。そこで、加熱炉を反応管の主に上流側に限定
して設け、加熱炉内に位置する反応管に設けた第1の温
度検出器で触媒温度を常時監視して、上記の所定の温度
以上になったときには加熱炉の稼働を停止し、反応条件
等の変動により上記の所定の温度以下になったときにの
み加熱炉を再び稼働させるようにした。その結果、加熱
炉を小型化することができ、加熱炉の稼働を最小限に止
めることが可能になり、設備コスト及びランニングコス
トを大幅に抑制することができた。
【0013】また、反応管の主に下流側に冷却管を配置
し、冷媒供給管近傍で反応管流出端近傍に第2の温度検
出器を設けて常時監視し、第2の温度検出器の測定温度
を予め設定した温度範囲に維持するように、冷却管に冷
媒を供給したり、停止したり、流量を調節することによ
り、メタン化反応の反応熱が反応管の下流側に蓄積され
て必要以上の高温になることを防ぎ、反応管内の触媒温
度をメタン化反応に適した温度分布を保持できるように
した。その結果、冷却器を小型化するとともに、冷却器
の稼働を最小限にとどめ、稼働エネルギーを大幅に低下
させることができた。その結果、宇宙施設における二酸
化炭素の還元等にも適用可能なメタン化反応器を完成す
ることができた。
【0014】
【実施例】図1のメタン化反応器(二酸化炭素処理能
力:3.0kg/day)を用いて二酸化炭素を水素で
還元してメタンと水を回収した。まず、直径3.2m
m、長さ3.5mmのアルミナペレットに0.5wt%
のRuを担持させた触媒を、内径40mm、長さ320
mmのSUS304製の反応管に充填し、反応管の上流
側160mmを電気加熱炉内に挿入し、反応管の下流側
160mmの周囲に二重管状冷却管を配置し、該冷却管
に冷媒供給管と冷媒排出管を接続し、かつ、反応管の中
央部と下流側端部にそれぞれ第1の温度検出器及び第2
の温度検出器を配置した。そして、第1の温度検出器の
信号で作動する電気加熱炉の制御装置と、第2の温度検
出器の信号で作動する冷媒供給管の電磁弁を設けた。
【0015】まず、電気加熱炉を稼働させて第1の温度
検出器の温度が300℃になるまで加熱し、次いで、宇
宙設備等の密閉された室内で3人が呼吸するときに発生
する二酸化炭素量に相当する二酸化炭素(供給速度:
3.0kg/day=1.06リットルN/min)及
び水素(供給速度:4.77リットルN/min)を供
給し(H2 /CO2 供給mol比=4.5)メタン及び
水に変換して回収した。
【0016】電気加熱炉は、第1の温度検出器の温度が
300℃を超えると停止し、300℃を下回ると再び稼
働するようにした。また、冷却管には冷却空気を供給
し、第2の温度検出器の温度を常時ほぼ300℃に維持
できるように冷却空気の供給量を調節した。その結果、
二酸化炭素処理能力3.0kg/dayを確保すること
ができた。
【0017】比較のために、上記の実施例と同じ二酸化
炭素処理能力を有する図2の従来装置(反応管の内径は
実施例と同じにした)を作製して同様の処理を行ったと
ころ、実施例の装置に対し、触媒の使用量は3〜5倍を
必要とし、加熱炉は3倍の長さを必要とし、加熱炉の消
費電力は起動時に5倍、定常運転時には10倍のエネル
ギーを必要とした。
【0018】
【発明の効果】本発明は、上記の構成を採用することに
より、メタン化触媒反応の反応熱を有効に利用し、か
つ、触媒の加熱・冷却の役割を分離して、触媒温度を迅
速にかつ適切に行うことができるようになった。その結
果、メタン化反応装置の小型化、即ち反応管の小型化及
び電気炉の小型化を可能にし、触媒使用量を大幅に少な
くすることができるため、反応装置の建設コスト及びラ
ンニングコストを大幅に低下させることができた。特
に、装置の小型化と稼働エネルギーの大幅な抑制に成功
したため、地上閉鎖実験施設や宇宙設備における二酸化
炭素の還元処理への適用が容易になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1つの実施例であるメタン化反応器の
概念図である。
【図2】従来のメタン化反応器の概念図である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 二酸化炭素と水素からなる原料ガスを触
    媒反応管に導入してメタンと水を生成する二酸化炭素の
    メタン化反応方法において、前記触媒反応管の主に上流
    側周囲に配置した加熱炉で前記触媒反応管内の触媒を加
    熱し、前記加熱炉近傍の触媒温度が第1の反応温度範囲
    の上限値を超えたときに前記加熱炉を停止し、下限値を
    下回ったときに前記加熱炉を稼働させるとともに、前記
    触媒反応管の主に下流側周囲に配置した冷却器に冷媒を
    供給し、若しくは供給を停止し、又は供給量を調節し
    て、前記冷却器近傍の触媒温度を第2の反応温度範囲内
    に保持することを特徴とする二酸化炭素のメタン化反応
    方法。
  2. 【請求項2】 二酸化炭素と水素からなる原料ガスを化
    学反応させてメタンと水に変換する触媒反応管を備えた
    二酸化炭素のメタン化反応装置において、前記反応管の
    主に上流側周囲に加熱炉を配置し、前記反応管の主に下
    流側周囲に冷却器を配置し、前記冷却器に冷媒供給管及
    び冷媒排出管を接続し、前記加熱炉に第1の温度検出器
    を配置し、第1の温度検出器の信号により前記加熱炉を
    制御する装置を設け、かつ、前記冷媒供給管側の前記反
    応管近傍に第2の温度検出器を配置し、第2の温度検出
    器の信号により前記冷媒の冷却能力を制御する装置を設
    けたことを特徴とする二酸化炭素のメタン化反応器。
JP9357047A 1997-12-25 1997-12-25 二酸化炭素のメタン化反応方法及びその装置 Withdrawn JPH11189552A (ja)

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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010150055A (ja) * 2008-12-24 2010-07-08 Toho Gas Co Ltd 水素貯蔵装置
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