WO2019234991A1 - 不飽和炭化水素製造装置 - Google Patents

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WO2019234991A1
WO2019234991A1 PCT/JP2019/006331 JP2019006331W WO2019234991A1 WO 2019234991 A1 WO2019234991 A1 WO 2019234991A1 JP 2019006331 W JP2019006331 W JP 2019006331W WO 2019234991 A1 WO2019234991 A1 WO 2019234991A1
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heating furnace
heat
unsaturated hydrocarbon
gas
hydrocarbon production
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PCT/JP2019/006331
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English (en)
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博幸 木村
悟史 妹尾
伸介 松野
知哉 村本
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株式会社Ihi
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C2/00—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms
    • C07C2/76—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms by condensation of hydrocarbons with partial elimination of hydrogen
    • C07C2/82—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms by condensation of hydrocarbons with partial elimination of hydrogen oxidative coupling
    • C07C2/84—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms by condensation of hydrocarbons with partial elimination of hydrogen oxidative coupling catalytic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/12—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electromagnetic waves
    • B01J19/122—Incoherent waves
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/06—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds in tube reactors; the solid particles being arranged in tubes
    • B01J8/062—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds in tube reactors; the solid particles being arranged in tubes being installed in a furnace
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J2219/0871—Heating or cooling of the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0892—Materials to be treated involving catalytically active material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J7/00—Apparatus for generating gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/12—Refinery or petrochemical off-gas

Definitions

  • Ethylene or acetylene is a raw material for plastics. Ethylene or acetylene is produced by heating raw materials such as kerosene, naphtha, propane, and ethane to about 900 ° C. and causing thermal decomposition.
  • raw materials are heated by burning fossil fuels such as petroleum with a burner (for example, Patent Document 1).
  • the present disclosure aims to provide an unsaturated hydrocarbon production apparatus capable of reducing carbon dioxide emissions.
  • an unsaturated hydrocarbon production apparatus includes a light collecting device that collects sunlight and converts it into solar heat, methane and hydrogen, methane and oxygen, and ethane.
  • a heating furnace that heats at least 700 ° C. to 2000 ° C. of the source gas containing at least one of these groups with solar heat generated by a light collecting device.
  • the heating furnace may contain a catalyst that promotes the reaction of the raw material gas to one or both of ethylene and acetylene.
  • a preheating unit that preheats the source gas with the heat released from the heating furnace may be provided.
  • the 1st heat exchange part which heat-exchanges the product gas produced
  • the raw material gas heat-exchanged by the 1st heat exchange part may be introduce
  • a second heat exchange unit that exchanges heat between the generated gas generated in the heating furnace and the raw material gas preheated by the preheating unit may be provided.
  • a separation unit that separates ethylene or acetylene from the product gas generated in the heating furnace may be provided.
  • the heating furnace may heat the source gas to 1000 ° C. or more and 1200 ° C. or less.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an unsaturated hydrocarbon production apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is a diagram illustrating the appearance of the light collecting device and the heating unit.
  • FIG. 2B is a perspective view in which a part of the heating unit is cut away.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the unsaturated hydrocarbon production apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an unsaturated hydrocarbon production apparatus 100 according to the first embodiment.
  • solid arrows indicate the flow of the source gas.
  • broken arrows indicate the flow of product gas.
  • dashed-dotted arrow in FIG. 1 shows the flow of ethylene and acetylene.
  • white arrows indicate the condensed sunlight.
  • the unsaturated hydrocarbon production apparatus 100 includes a light collecting device 110, a heating unit 120, a first heat exchange unit 130, a second heat exchange unit 140, a cooling unit 150, A separation unit 160 and a second separation unit 170 (separation unit) are included.
  • the condensing device 110 condenses sunlight and guides it to the heating unit 120 (lighting window 212).
  • the heating unit 120 includes a casing 210, a furnace chamber 220, a heat transfer material 222, a heating furnace 230, a preheating unit 250, and a heat insulating material 260.
  • the heat transfer material 222 is indicated by hatching
  • the heat insulating material 260 is indicated by cross hatching.
  • FIG. 2A is a diagram illustrating the external appearance of the light collecting device 110 and the heating unit 120.
  • FIG. 2B is a perspective view in which a part of the heating unit 120 is cut away.
  • the heat transfer material 222 is indicated by hatching
  • the heat insulating material 260 is indicated by cross hatching.
  • the condensing device 110 is a device that condenses sunlight and converts it into solar heat.
  • the light concentrator 110 includes one or more heliostats (plane mirrors) 112, a parabolic curved mirror 114, and a furnace wall 220a described later.
  • the heliostat 112 reflects the sunlight and guides it to the parabolic curved mirror 114.
  • the parabolic curved mirror 114 is a mirror having a concave reflecting surface.
  • the parabolic curved mirror 114 condenses the sunlight reflected by the heliostat 112 and guides it to the heating unit 120 (lighting window 212).
  • the casing 210 of the heating unit 120 has a cylindrical shape.
  • the casing 210 is provided such that the axial direction is the horizontal direction.
  • a lighting window 212 is provided on the side surface of the housing 210.
  • the furnace chamber 220 is provided inside the casing 210 continuously to the daylighting window 212. That is, the daylighting window 212 divides the furnace chamber 220 from the outside.
  • the furnace chamber 220 is a space extending in the horizontal direction.
  • the furnace wall 220a that forms the furnace chamber 220 is made of an endothermic material (an inorganic material having high heat resistance such as black ceramics).
  • the heating furnace 230 and the preheating unit 250 have a tube shape.
  • the heating furnace 230 and the preheating unit 250 are provided so as to penetrate the furnace chamber 220.
  • the heating furnace 230 is provided at a position closest to the lighting window 212.
  • the preheating unit 250 is adjacent to the heating furnace 230. That is, the heating furnace 230 and the preheating unit 250 are provided in the furnace chamber 220 in order from the side closer to the daylighting window 212.
  • the heat transfer material 222 is provided between the heating furnace 230 and the preheating unit 250 and between the preheating unit 250 and the heat insulating material 260. That is, the heat transfer material 222 is separated from the heating furnace 230 and surrounds the preheating unit 250.
  • the heat transfer material 222 is, for example, graphite or ceramics.
  • the sunlight that has passed through the daylighting window 212 and led into the furnace chamber 220 is irradiated to the heating furnace 230, or irradiated to the furnace wall 220 a that forms the furnace chamber 220, etc. And the heating furnace 230 and the furnace wall 220a are heated. Thereby, the heating furnace 230 is maintained at 1000 ° C. or more and 2000 ° C. or less. Note that, since the heat transfer material 222 is not in contact with the heating furnace 230, the entire circumference of the heating furnace 230 is exposed to radiation. Thereby, the heating furnace 230 is efficiently heated by sunlight.
  • the heat (heat radiation) released from the heating furnace 230 is transmitted to the preheating unit 250 by the heat transfer material 222 and is maintained at a predetermined preheating temperature (temperature exceeding room temperature (25 ° C.)).
  • a predetermined preheating temperature temperature exceeding room temperature (25 ° C.)
  • the heat insulating material 260 is provided in the housing 210.
  • the heat insulating material 260 surrounds the furnace chamber 220.
  • the heat insulating material 260 suppresses the outflow (heat radiation) of heat from the furnace chamber 220 to the outside.
  • the first heat exchanging unit 130 generates a generated gas (which will be described later in detail) generated in the heating furnace 230 and removed by the second heat exchanging unit 140 described later, and a source gas. Heat exchange. Thereby, the raw material gas is heated by the heat of the generated gas, and the generated gas is cooled.
  • the source gas is a gas containing at least methane and hydrogen.
  • the source gas is, for example, a mixture of natural gas and hydrogen.
  • the source gas heated by the first heat exchange unit 130 is sent to the preheating unit 250.
  • the product gas cooled by the first heat exchange unit 130 is sent to a second separation unit 170 described later.
  • the preheating unit 250 is maintained at the preheating temperature by the heat radiation of the heating furnace 230. Therefore, the preheating unit 250 can preheat (heat) the source gas heated by the first heat exchange unit 130 to the preheating temperature.
  • the second heat exchanging unit 140 exchanges heat between the raw material gas preheated by the preheating unit 250 and the generated gas discharged from the heating furnace 230. Thereby, the raw material gas is heated by the heat of the generated gas, and the generated gas is cooled.
  • the source gas heated by the second heat exchange unit 140 is introduced into the heating furnace 230.
  • the product gas cooled by the second heat exchange unit 140 is introduced into the first heat exchange unit 130.
  • the raw material gas heated by the first heat exchange unit 130, the preheating unit 250, and the second heat exchange unit 140 is introduced into the heating furnace 230.
  • the source gas introduced into the heating furnace 230 is maintained at 1000 ° C. or more and 2000 ° C. or less by the light collecting device 110 as described above. Then, for example, the reactions shown in the following reaction formula (1) and reaction formula (2) proceed, and methane (CH 4 ) contained in the raw material gas becomes ethylene (C 2 H 4 ) and acetylene (C 2 H 2 ). Is converted to 2nCH 4 + 6nH 2 ⁇ nC 2 H 2 + 9nH 2 ... Reaction formula (1) 2nCH 4 + 6nH 2 ⁇ nC 2 H 4 + 8nH 2 ... Reaction formula (2) In addition, in reaction formulas including reaction formula (1) and reaction formula (2), n is an integer of 1 or more.
  • Hydrogen in the raw material gas introduced into the heating furnace 230 is 0.1 mol or more and 8 mol or less with respect to methane (1 mol) in the raw material gas. Hydrogen in the source gas is preferably 3 mol or more with respect to methane in the source gas. By introducing 3 moles or more of hydrogen with respect to methane, the heating furnace 230 can improve the yield of ethylene and acetylene.
  • the condensing device 110 may heat the source gas in the heating furnace 230 to 1000 ° C. or more and 1200 ° C. or less.
  • the condensing device 110 is good to heat the raw material gas in the heating furnace 230 at 1200 to 1600 degreeC.
  • a product gas containing at least ethylene, acetylene, and unreacted hydrogen is generated.
  • the cooling unit 150 rapidly cools the generated gas generated in the heating furnace 230 to 600 ° C. or lower. Thereby, the cooling unit 150 can suppress thermal decomposition of ethylene and acetylene contained in the generated gas.
  • the product gas rapidly cooled by the cooling unit 150 is introduced into the first separation unit 160.
  • the first separation unit 160 includes a ceramic hydrogen separation membrane (for example, a porous ceramic hydrogen separation membrane).
  • the first separation unit 160 separates and removes hydrogen from the product gas. With the configuration including the first separation unit 160, the unsaturated hydrocarbon production apparatus 100 can reduce the amount of hydrogen in the product gas.
  • the product gas from which hydrogen has been removed by the first separation unit 160 is heat-exchanged by the second heat exchange unit 140 and the first heat exchange unit 130 and then introduced into the second separation unit 170.
  • the second separation unit 170 includes, for example, a microporous metal-organic framework material.
  • the second separation unit 170 separates the product gas into ethylene and acetylene.
  • the unsaturated hydrocarbon production apparatus 100 can increase the purity of ethylene and at the same time increase the purity of acetylene.
  • the ethylene separated by the second separation unit 170 is sent to a subsequent facility (for example, a plastic (resin) production plant).
  • acetylene separated by the second separation unit 170 is sent to a subsequent facility (for example, a fuel production plant).
  • the condensing device 110 heats the raw material gas in the heating furnace 230.
  • the unsaturated hydrocarbon production apparatus 100 can reduce the amount of carbon dioxide emission to almost 0 (zero) when producing ethylene and acetylene (unsaturated hydrocarbon). That is, the unsaturated hydrocarbon production apparatus 100 generates new carbon dioxide in the process of obtaining the heating source, unlike the case of using the combustion heat of fossil resources or the electric energy derived therefrom to obtain the heating source. There is no. Therefore, the unsaturated hydrocarbon production apparatus 100 can improve the carbon dioxide reduction effect. Furthermore, the unsaturated hydrocarbon production apparatus 100 does not need to consume valuable fossil resources to obtain a heating source, and can greatly reduce the cost required for heating.
  • solid carbon may be generated in the heating furnace 230 depending on the hydrogen content in the source gas.
  • the shape of the heating furnace 230 is such that the diameter of the upper opening 232 is smaller than the diameter of the lower opening 234, and the channel cross-sectional area (horizontal cross-sectional area) is directed from the upper opening 232 to the lower opening 234. It is designed to gradually increase in shape.
  • the heating furnace 230 is made of a material having a linear expansion coefficient different from that of solid carbon.
  • the heating furnace 230 is formed of a ceramic material such as alumina, stearite, forsterite, or zirconia, for example.
  • the amount of thermal expansion of the heating furnace 230 and the heating are changed by changing the temperature in the heating furnace 230 during the period when the production of unsaturated hydrocarbons (ethylene, acetylene) is stopped.
  • a difference can be made between the thermal expansion amount of the solid carbon adhering to the inner wall of the furnace 230. Therefore, even if the solid carbon is attached to the inner wall of the heating furnace 230, the unsaturated hydrocarbon production apparatus 100 causes a contact between the heating furnace 230 and the solid carbon due to a difference in the amount of thermal expansion between them. A shearing force can be applied along the surface.
  • the unsaturated hydrocarbon production apparatus 100 can reduce the adhesion between the inner wall of the heating furnace 230 and the solid carbon, and can induce the separation of the solid carbon from the inner wall of the heating furnace 230.
  • the separated solid carbon falls outside the heating furnace 230 by its own weight through the lower opening 234.
  • the unsaturated hydrocarbon production apparatus 100 includes the first heat exchange unit 130. Thereby, the 1st heat exchange part 130 can heat source gas with the heat which generated gas has. Furthermore, the unsaturated hydrocarbon production apparatus 100 includes a preheating unit 250. Thereby, the preheating unit 250 can preheat the source gas with the heat released from the heating furnace 230. Moreover, the unsaturated hydrocarbon production apparatus 100 includes a second heat exchange unit 140. Thereby, the 2nd heat exchange part 140 can heat source gas with the heat which generated gas has. As described above, the unsaturated hydrocarbon production apparatus 100 can heat the raw material gas with exhaust heat, so that the cost required for heating can be suppressed.
  • the heating furnace 230 of the first embodiment does not contain a catalyst. However, the heating furnace 330 may accommodate the catalyst.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining an unsaturated hydrocarbon production apparatus 300 according to the second embodiment.
  • the solid line arrows indicate the flow of the source gas.
  • the broken arrow indicates the flow of the product gas.
  • the one-dot chain line arrows indicate the flow of ethylene and acetylene.
  • white arrows indicate the concentrated sunlight.
  • the unsaturated hydrocarbon production apparatus 300 includes a light collecting device 110, a heating unit 320, a first heat exchange unit 130, a second heat exchange unit 140, a first separation unit 160, A second separation unit 170.
  • the heating unit 320 includes a casing 210, a furnace chamber 220, a heat transfer material 222, a heating furnace 330, a preheating unit 250, and a heat insulating material 260.
  • symbol is attached
  • the heat transfer material 222 is indicated by hatching
  • the heat insulating material 260 is indicated by cross hatching.
  • the heating furnace 330 is a catalyst that promotes the reaction of the raw material gas to one or both of ethylene and acetylene (for example, the reaction shown in the reaction formula (1) or the reaction shown in the reaction formula (2)). To accommodate.
  • the heating furnace 330 contains a catalyst as a packed bed.
  • Catalysts that promote the reaction of source gas to either or both of ethylene and acetylene include, for example, molybdenum (Mo), tungsten (W), iron (Fe), vanadium (V), and chromium (Cr). Or one or more selected from the group.
  • the unsaturated hydrocarbon production apparatus 300 can omit the cooling unit 150. Therefore, the unsaturated hydrocarbon production apparatus 300 can improve the heat recovery efficiency of the product gas by the second heat exchange unit 140.
  • the hydrogen in the raw material gas is preferably 0.5 mol or more, more preferably 1 mol or more, relative to methane in the raw material gas, More preferably, it is at least mol.
  • the source gas is a gas containing at least methane and hydrogen
  • the source gas may be a gas containing at least methane and oxygen.
  • the condensing device 110 may heat the source gas in the heating furnace 330 to 700 ° C. or more and 2000 ° C. or less.
  • the oxidative coupling reaction shown in the following reaction formula (3) proceeds, and methane contained in the raw material gas is converted to ethylene. 2nCH 4 + nO 2 ⁇ nC 2 H 4 + 2nH 2 O ... reaction formula (3)
  • the heating furnace 330 accommodates a catalyst that promotes the oxidative coupling reaction shown in the reaction formula (3).
  • Catalysts that promote oxidative coupling reactions are SrO / La 2 O 3 , Mn / Na 2 WO 4 / SiO 2 , Li / MgO, BaF 2 / Y 2 O 3 , Rb 2 WO 4 / SiO 2 , La 2 O One or more selected from the group of 3- CeO 2 and Na 2 WO 4 / SiO 2 .
  • the raw material gas is a gas containing at least methane and oxygen
  • methane in the raw material gas may be partially oxidized, and the reaction shown in the following reaction formula (4) may be advanced to convert methane to acetylene. . 2nCH 4 + nO 2 ⁇ nC 2 H 2 + nH 2 + 2nH 2 O ... reaction formula (4)
  • the condensing device 110 may heat the source gas in the heating furnace 230 to about 1500 ° C.
  • the source gas may be a gas containing at least ethane (C 2 H 6 ).
  • the condensing device 110 may heat the source gas in the heating furnaces 230 and 330 to 1000 ° C. or more and 2000 ° C. or less. Then, for example, a pyrolysis (cracking) reaction shown in the following reaction formula (5) proceeds, and ethane contained in the raw material gas is converted into ethylene.
  • the source gas may be a gas containing at least ethane and hydrogen.
  • the condensing device 110 may heat the source gas in the heating furnaces 230 and 330 to 1000 ° C. or more and 2000 ° C. or less. Then, for example, the thermal decomposition (cracking) reaction shown in the following reaction formula (6) and reaction formula (7) proceeds, and ethane contained in the raw material gas is converted into ethylene and acetylene.
  • the source gas may be a gas containing at least ethane and oxygen.
  • ethane in the raw material gas may be partially oxidized and the reaction shown in the following reaction formula (8) may be advanced to convert ethane to acetylene.
  • the condensing device 110 may heat the source gas in the heating furnace 230 to about 1500 ° C.
  • the heating furnaces 230 and 330 have been described by taking as an example the case where the flow path cross-sectional area gradually increases from the upper opening 232 toward the lower opening 234.
  • the flow path cross-sectional area at the location arranged in the furnace chamber 220 may be smaller than other flow path cross-sectional areas. Thereby, the heating furnaces 230 and 330 can shorten the residence time of the source gas in a temperature environment of 700 ° C. or more and 2000 ° C. or less.
  • the laminar convection heat transfer condition is switched to the turbulent convection heat transfer condition, and the heat transfer rate from the heating furnaces 230 and 330 to the source gas is increased (rapidly). Can be heated).
  • the residence time is shortened, that is, the heating time is shortened, the time until the raw material gas is heated and cooled is shortened (can be rapidly cooled).
  • the heating furnaces 230 and 330 in which the flow passage cross-sectional area of the portion disposed in the furnace chamber 220 is smaller than the other flow passage cross-sectional areas, the raw material gas can be rapidly cooled immediately after being rapidly heated. it can.
  • the heating furnaces 230 and 330 are preferably filled with inert particles at locations disposed in the furnace chamber 220, thereby narrowing the cross-sectional area of the flow path. In this case, the inert particles in contact with the inner walls of the heating furnaces 230 and 330 are heated by heat conduction from the inner walls of the heating furnaces 230 and 330.
  • the source gas is heated from the surface of the inert particles in addition to the surfaces of the inner walls of the heating furnaces 230 and 330 (that is, the heat transfer area is increased). Thereby, the heating furnaces 230 and 330 can further rapidly heat the source gas.
  • the case where the casing 210 of the heating units 120 and 320 has a cylindrical shape has been described as an example.
  • the shape of the casing 210 of the heating units 120 and 320 is not limited.
  • the case 210 is described as an example in which the casing 210 is provided so that the axial direction is the horizontal direction.
  • the installation direction of the housing 210 is not limited.
  • the housing 210 may be provided so that the axial direction intersects the horizontal direction.
  • the heating furnaces 230 and 330 are arranged in the furnace chamber 220, and the indirect heating type heating parts 120 and 320 in which the source gas passing through the heating furnaces 230 and 330 is indirectly heated are exemplified.
  • the unsaturated hydrocarbon production apparatuses 100 and 300 include a daylighting window 212 having airtightness, and the raw gas is directly heated by directly introducing the raw material gas into the furnace chamber 220. You may provide a heating part of a formula.
  • the light collecting device 110 including the heliostat 112 and the parabolic curved mirror 114 has been described as an example.
  • the condensing device 110 can condense sunlight and generate solar heat, its type and configuration are not limited.
  • the light collecting device 110 may be a tower-type light collecting device.
  • the condensing device 110 was mentioned as an example and demonstrated as a heating source of the heating furnace 230,330.
  • the heating source of the heating furnaces 230 and 330 is not limited to the light collecting device 110.
  • a heating source for the heating furnaces 230 and 330 a combustion device, an electric heater, or the like may be used instead of or in addition to the light collecting device 110.
  • heat sources of heating furnaces 230 and 330 may be switched to a combustion device or an electric heater.
  • the combustion apparatus may combust the source gas or hydrogen separated by the first separation unit 160.
  • the unsaturated hydrocarbon manufacturing apparatuses 100 and 300 demonstrated and demonstrated the structure provided with the preheating part 250 as an example.
  • the preheating unit 250 is not an essential configuration.
  • the unsaturated hydrocarbon production apparatuses 100 and 300 have been described using the configuration including the first heat exchange unit 130 as an example.
  • the 1st heat exchange part 130 is not an essential structure.
  • the unsaturated hydrocarbon manufacturing apparatuses 100 and 300 demonstrated and demonstrated the structure provided with the 2nd heat exchange part 140 as an example.
  • the second heat exchange unit 140 is not an essential configuration.
  • heating furnaces 230 and 330 and the preheating unit 250 extend in the vertical direction
  • any one or more of the heating furnaces 230 and 330 and the preheating unit 250 may extend in a direction intersecting the vertical direction (for example, the horizontal direction).
  • the second separation unit 170 has been described by taking as an example a configuration including a microporous metal-organic framework material.
  • the configuration of the second separation unit 170 is not limited as long as it can separate ethylene or acetylene from the product gas.
  • the second separation unit 170 may include an absorbent that dissolves acetylene, for example.
  • the raw material gas may be preheated with the heat recovered by the cooling unit 150.
  • hydrogen separated by the first separation unit 160 may be used as a raw material gas.
  • This disclosure can be used for unsaturated hydrocarbon production equipment.
  • Unsaturated hydrocarbon production apparatus 110 Condensing apparatus 130: 1st heat exchange part 140: 2nd heat exchange part 150: Cooling part 170: 2nd separation part (separation part) 230: Heating furnace 250: Preheating part 300 : Unsaturated hydrocarbon production system 330: Heating furnace

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Abstract

不飽和炭化水素製造装置１００は、太陽光を集光して太陽熱に変換する集光装置１１０と、メタンと水素、メタンと酸素、および、エタンの群のうちいずれかを少なくとも含む原料ガスを、集光装置１１０によって発生させた太陽熱で７００℃以上２０００℃以下に加熱する加熱炉２３０と、を備える。

Description

不飽和炭化水素製造装置
　本開示は、不飽和炭化水素製造装置に関する。本出願は、２０１８年６月５日に提出された日本特許出願第２０１８－１０７４９１号および２０１８年６月２９日に提出された日本特許出願第２０１８－１２４１１１号に基づく優先権の利益を主張するものであり、その内容は本出願に援用される。
　エチレンまたはアセチレンは、プラスチックの原料となる。エチレンまたはアセチレンは、灯油、ナフサ、プロパン、エタン等の原料を９００℃程度に加熱して、熱分解させることで生成される。
　従来、原料の加熱は、石油等の化石燃料をバーナで燃焼させることで為される（例えば、特許文献１）。
特開２０１７－１７８８２７号公報
　しかし、従来技術では、化石燃料の燃焼に伴って、二酸化炭素（ＣＯ２）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排気ガスが排出されてしまう。排気ガスに含まれる二酸化炭素は、地球温暖化の要因とされる温室効果ガスのひとつとして考えられている。このため、二酸化炭素の排出量を低減させて、原料を熱分解させる技術の開発が希求されている。
　そこで、本開示は、このような課題に鑑み、二酸化炭素の排出量を低減することが可能な不飽和炭化水素製造装置を提供することを目的としている。
　上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る不飽和炭化水素製造装置は、太陽光を集光して太陽熱に変換する集光装置と、メタンと水素、メタンと酸素、および、エタンの群のうちいずれかを少なくとも含む原料ガスを、集光装置によって発生させた太陽熱で７００℃以上２０００℃以下に加熱する加熱炉と、を備える。
　また、加熱炉で生成された生成ガスを６００℃以下まで急冷する冷却部を備えてもよい。
　また、加熱炉は、原料ガスの、エチレンおよびアセチレンのいずれか一方または両方への反応を促進する触媒を収容してもよい。
　また、加熱炉から放出された熱で原料ガスを予熱する予熱部を備えてもよい。
　また、加熱炉で生成された生成ガスと、原料ガスとを熱交換させる第１熱交換部を備え、予熱部には、第１熱交換部で熱交換された原料ガスが導入されてもよい。
　また、加熱炉で生成された生成ガスと、予熱部によって予熱された原料ガスとを熱交換させる第２熱交換部を備えてもよい。
　また、加熱炉で生成された生成ガスからエチレンまたはアセチレンを分離する分離部を備えてもよい。
　また、加熱炉は、原料ガスを１０００℃以上１２００℃以下に加熱してもよい。
　本開示によれば、二酸化炭素の排出量を低減することが可能となる。
図１は、第１の実施形態の不飽和炭化水素製造装置を説明する図である。 図２Ａは、集光装置および加熱部の外観を説明する図である。図２Ｂは、加熱部の一部を切り欠いた斜視図である。 図３は、第２の実施形態の不飽和炭化水素製造装置を説明する図である。
　以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
［第１の実施形態］
　図１は、第１の実施形態の不飽和炭化水素製造装置１００を説明する図である。なお、図１中、実線の矢印は、原料ガスの流れを示す。図１中、破線の矢印は、生成ガスの流れを示す。また、図１中、一点鎖線の矢印は、エチレンおよびアセチレンの流れを示す。図１中、白抜き矢印は、集光された太陽光を示す。
　図１に示すように、不飽和炭化水素製造装置１００は、集光装置１１０と、加熱部１２０と、第１熱交換部１３０と、第２熱交換部１４０と、冷却部１５０と、第１分離部１６０と、第２分離部１７０（分離部）とを含む。
　集光装置１１０は、太陽光を集光して加熱部１２０（採光窓２１２）へ導く。加熱部１２０は、筐体２１０と、炉室２２０と、伝熱材２２２と、加熱炉２３０と、予熱部２５０と、断熱材２６０を含む。なお、図１中、伝熱材２２２をハッチングで示し、断熱材２６０をクロスハッチングで示す。
　図２Ａは、集光装置１１０および加熱部１２０の外観を説明する図である。図２Ｂは、加熱部１２０の一部を切り欠いた斜視図である。なお、図２Ｂ中、伝熱材２２２をハッチングで示し、断熱材２６０をクロスハッチングで示す。
　図２Ａに示すように、集光装置１１０は、太陽光を集光して太陽熱に変換する装置である。集光装置１１０は、１または複数のヘリオスタット（平面鏡）１１２と、放物曲面鏡１１４と、後述する炉壁２２０ａを含む。ヘリオスタット１１２は、太陽光を反射して放物曲面鏡１１４に導く。放物曲面鏡１１４は、反射面が凹形状の鏡である。放物曲面鏡１１４は、ヘリオスタット１１２で反射された太陽光を集光して加熱部１２０（採光窓２１２）へ導く。
　図２Ｂに示すように、加熱部１２０の筐体２１０は、円筒形状である。筐体２１０は、軸方向が水平方向となるように設けられる。筐体２１０の側面には採光窓２１２が設けられる。炉室２２０は、採光窓２１２に連続して筐体２１０の内部に設けられる。つまり、採光窓２１２は、炉室２２０と外部とを区画する。炉室２２０は、水平方向に延在する空間である。炉室２２０を形成する炉壁２２０ａは、吸熱材（黒体のセラミックス等の耐熱性が高い無機材料）で構成される。
　加熱炉２３０、および、予熱部２５０は、管形状である。加熱炉２３０、および、予熱部２５０は、炉室２２０を貫通するように設けられる。加熱炉２３０は、採光窓２１２に最も近い位置に設けられる。予熱部２５０は、加熱炉２３０に隣接する。つまり、採光窓２１２に近い方から順に、加熱炉２３０、予熱部２５０が、炉室２２０内に設けられる。伝熱材２２２は、炉室２２０のうち、加熱炉２３０と予熱部２５０との間、および、予熱部２５０と断熱材２６０との間に設けられる。つまり、伝熱材２２２は、加熱炉２３０とは離隔し、予熱部２５０を囲繞する。伝熱材２２２は、例えば、グラファイトまたはセラミックスである。
　採光窓２１２を通過して炉室２２０の内部に導かれた太陽光は、加熱炉２３０に照射されたり、炉室２２０を形成する炉壁２２０ａに照射されたりすること等によって熱エネルギー（太陽熱）に変換され、加熱炉２３０および炉壁２２０ａを加熱する。これにより、加熱炉２３０は、１０００℃以上２０００℃以下に維持される。なお、伝熱材２２２が加熱炉２３０と非接触であることにより、加熱炉２３０の全周が輻射に曝される。これにより、加熱炉２３０は、太陽光によって効率的に加熱される。また、予熱部２５０は、加熱炉２３０から放出された熱（放熱）が伝熱材２２２によって伝達され、所定の予熱温度（常温（２５℃）を上回る温度）に維持される。伝熱材２２２が予熱部２５０の全周と接触することにより、予熱部２５０が効率的に加熱される。
　断熱材２６０は、筐体２１０内に設けられる。断熱材２６０は、炉室２２０を囲繞する。断熱材２６０は、炉室２２０から外部への熱の流出（放熱）を抑制する。
　図１に戻って説明すると、第１熱交換部１３０は、加熱炉２３０で生成され、後述する第２熱交換部１４０によって除熱された生成ガス（詳しくは後述する）と、原料ガスとを熱交換させる。これにより、生成ガスが有する熱で原料ガスが加熱され、生成ガスが冷却される。原料ガスは、メタンおよび水素を少なくとも含むガスである。原料ガスは、例えば、天然ガスおよび水素の混合気である。第１熱交換部１３０によって加熱された原料ガスは、予熱部２５０に送出される。一方、第１熱交換部１３０によって冷却された生成ガスは、後述する第２分離部１７０に送出される。
　予熱部２５０は、上記したように、加熱炉２３０の放熱によって予熱温度に維持される。したがって、予熱部２５０は、第１熱交換部１３０によって加熱された原料ガスを予熱温度まで予熱（加熱）することができる。
　第２熱交換部１４０は、予熱部２５０によって予熱された原料ガスと、加熱炉２３０から排出された生成ガスとを熱交換させる。これにより、生成ガスが有する熱で原料ガスが加熱され、生成ガスが冷却される。第２熱交換部１４０によって加熱された原料ガスは、加熱炉２３０に導入される。一方、第２熱交換部１４０によって冷却された生成ガスは、第１熱交換部１３０に導入される。
　加熱炉２３０には、第１熱交換部１３０、予熱部２５０、および、第２熱交換部１４０によって加熱された原料ガスが導入される。
　加熱炉２３０に導入された原料ガスは、上記したように、集光装置１１０によって１０００℃以上２０００℃以下に維持される。そうすると、例えば、下記反応式（１）、反応式（２）に示す反応が進行し、原料ガスに含まれるメタン（ＣＨ４）が、エチレン（Ｃ２Ｈ４）およびアセチレン（Ｃ２Ｈ２）に変換される。
２ｎＣＨ４　＋　６ｎＨ２　→　ｎＣ２Ｈ２　＋　９ｎＨ２　　　…反応式（１）
２ｎＣＨ４　＋　６ｎＨ２　→　ｎＣ２Ｈ４　＋　８ｎＨ２　　　…反応式（２）
なお、反応式（１）、反応式（２）をはじめとする反応式中、ｎは１以上の整数である。
　加熱炉２３０に導入された原料ガス中の水素は、原料ガス中のメタン（１モル）に対し、０．１モル以上８モル以下である。原料ガス中の水素は、原料ガス中のメタンに対し３モル以上であることが好ましい。メタンに対して３モル以上の水素が導入されることにより、加熱炉２３０は、エチレンおよびアセチレンの収率を向上させることができる。
　なお、水素は、相対的に熱容量が大きい。このため、メタンに対して８モルを上回る水素が導入されると、加熱炉２３０の温度維持に要する熱エネルギーが大きくなってしまう。そこで、メタンに対して８モル以下の水素を加熱炉２３０に導入する。これにより、加熱炉２３０の温度を１０００℃以上２０００℃以下に維持するために投入される熱エネルギーを削減することができる。
　また、アセチレンと比較してエチレンの収率を向上させる場合、集光装置１１０は、加熱炉２３０内の原料ガスを１０００℃以上１２００℃以下に加熱するとよい。一方、エチレンと比較してアセチレンの収率を向上させる場合、集光装置１１０は、加熱炉２３０内の原料ガスを１２００℃以上１６００℃以下に加熱するとよい。
　このように、加熱炉２３０に原料ガスが導入されることにより、エチレン、アセチレン、および、未反応の水素を少なくとも含む生成ガスが生成される。
　冷却部１５０は、加熱炉２３０で生成された生成ガスを６００℃以下まで急冷する。これにより、冷却部１５０は、生成ガスに含まれるエチレンおよびアセチレンの熱分解を抑制することができる。
　冷却部１５０によって急冷された生成ガスは、第１分離部１６０に導入される。第１分離部１６０は、セラミック製の水素分離膜（例えば、多孔質セラミック製の水素分離膜）を含む。第１分離部１６０は、生成ガスから水素を分離して除去する。第１分離部１６０を備える構成により、不飽和炭化水素製造装置１００は、生成ガス中の水素の量を低減することができる。そして、第１分離部１６０によって水素が除去された生成ガスは、上記第２熱交換部１４０、および、第１熱交換部１３０によって熱交換された後、第２分離部１７０に導入される。
　第２分離部１７０は、例えば、マイクロ多孔性金属－有機フレームワーク材料を含む。第２分離部１７０は、生成ガスをエチレンとアセチレンに分離する。第２分離部１７０を備える構成により、不飽和炭化水素製造装置１００は、エチレンの純度を高めるとともに、アセチレンの純度を高めることができる。そして、第２分離部１７０によって分離されたエチレンは、後段の設備（例えば、プラスチック（樹脂）製造プラント）に送出される。また、第２分離部１７０によって分離されたアセチレンは、後段の設備（例えば、燃料製造プラント）に送出される。
　以上説明したように、第１の実施形態の不飽和炭化水素製造装置１００は、集光装置１１０が加熱炉２３０内の原料ガスを加熱する。これにより、不飽和炭化水素製造装置１００は、エチレンおよびアセチレン（不飽和炭化水素）を生成する際に、二酸化炭素の排出量をほぼ０（ゼロ）とすることが可能となる。つまり、不飽和炭化水素製造装置１００は、加熱源を得るために化石資源の燃焼熱やそれに由来した電気エネルギーを利用する場合とは異なり、加熱源を得る過程で新たに二酸化炭素を発生させることがない。したがって、不飽和炭化水素製造装置１００は、二酸化炭素の削減効果を向上させることができる。さらに、不飽和炭化水素製造装置１００は、加熱源を得るために有価な化石資源を消費する必要がなくなり、加熱に要するコストを大きく抑えることができる。
　なお、原料ガス中の水素の含有率によっては、加熱炉２３０内において固体炭素が生成される場合もある。この場合、図１に示すように、加熱炉２３０の形状が、上部開口２３２の径が下部開口２３４の径より小さく、流路断面積（水平断面積）が上部開口２３２から下部開口２３４に向かうに従って漸増する形状に設計される。また、加熱炉２３０は、線膨張係数が固体炭素と異なる材料で構成される。加熱炉２３０は、例えば、アルミナ、ステアライト、フォルステライト、ジルコニアなどのセラミックス材料で形成される。
　これにより、不飽和炭化水素製造装置１００において、不飽和炭化水素（エチレン、アセチレン）の製造を停止する期間、加熱炉２３０内の温度を変化させることで、加熱炉２３０の熱膨張量と、加熱炉２３０の内壁に付着した固体炭素の熱膨張量との間に差を生じさせることができる。したがって、不飽和炭化水素製造装置１００は、固体炭素が加熱炉２３０の内壁に付着していたとしても、これらの熱膨張量に差が生じることによって、加熱炉２３０と固体炭素との間の接触面に沿って剪断力を作用させることが可能となる。つまり、不飽和炭化水素製造装置１００は、加熱炉２３０の内壁と固体炭素との付着力を低下させることができ、加熱炉２３０の内壁からの固体炭素の剥離を誘発させることが可能となる。そして、剥離された固体炭素は、下部開口２３４を通じて自重で加熱炉２３０外に落下する。
　また、上記したように、不飽和炭化水素製造装置１００は、第１熱交換部１３０を備える。これにより、第１熱交換部１３０は、生成ガスが有する熱で原料ガスを加熱することができる。さらに、不飽和炭化水素製造装置１００は、予熱部２５０を備える。これにより、予熱部２５０は、加熱炉２３０から放出された熱で原料ガスを予熱することができる。また、不飽和炭化水素製造装置１００は、第２熱交換部１４０を備える。これにより、第２熱交換部１４０は、生成ガスが有する熱で原料ガスを加熱することができる。このように、不飽和炭化水素製造装置１００は、排熱で原料ガスを加熱することができるため、加熱に要するコストを抑えることができる。
［第２の実施形態］
　上記第１の実施形態の加熱炉２３０は、触媒を収容していない。しかし、加熱炉３３０が触媒を収容してもよい。
　図３は、第２の実施形態の不飽和炭化水素製造装置３００を説明する図である。なお、図３中、実線の矢印は、原料ガスの流れを示す。図３中、破線の矢印は、生成ガスの流れを示す。また、図３中、一点鎖線の矢印は、エチレンおよびアセチレンの流れを示す。図３中、白抜き矢印は、集光された太陽光を示す。
　図３に示すように、不飽和炭化水素製造装置３００は、集光装置１１０と、加熱部３２０と、第１熱交換部１３０と、第２熱交換部１４０と、第１分離部１６０と、第２分離部１７０とを含む。また、加熱部３２０は、筐体２１０と、炉室２２０と、伝熱材２２２と、加熱炉３３０と、予熱部２５０と、断熱材２６０を含む。なお、上記不飽和炭化水素製造装置１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図３中、伝熱材２２２をハッチングで示し、断熱材２６０をクロスハッチングで示す。
　加熱炉３３０は、原料ガスの、エチレンおよびアセチレンのいずれか一方または両方への反応（例えば、上記反応式（１）に示す反応、または、上記反応式（２）に示す反応）を促進する触媒を収容する。加熱炉３３０は、充填層として触媒を収容する。原料ガスの、エチレンおよびアセチレンのいずれか一方または両方への反応を促進する触媒は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、鉄（Ｆｅ）、バナジウム（Ｖ）、および、クロム（Ｃｒ）の群から選択される１または複数である。
　加熱炉３３０が触媒を収容することにより、生成ガスを急冷せずとも、エチレンおよびアセチレンの熱分解を抑制することができる。これにより、不飽和炭化水素製造装置１００と比較して、不飽和炭化水素製造装置３００は、冷却部１５０を省略することが可能となる。したがって、不飽和炭化水素製造装置３００は、第２熱交換部１４０による生成ガスの熱回収効率を向上させることができる。
　また、加熱炉３３０が触媒を収容する場合、原料ガス中の水素は、原料ガス中のメタンに対し０．５モル以上であることが好ましく、１モル以上であることがより好ましく、１．５モル以上であることがさらに好ましい。メタンに対して０．５モル以上の水素が導入されることにより、エチレンおよびアセチレンの収率を向上させることができる。
　以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
　例えば、上記実施形態において、原料ガスが、メタンおよび水素を少なくとも含むガスである場合を例に挙げて説明した。しかし、原料ガスは、メタンおよび酸素を少なくとも含むガスであってもよい。この場合、集光装置１１０は、７００℃以上２０００℃以下に、加熱炉３３０内の原料ガスを加熱してもよい。そうすると、例えば、下記反応式（３）に示す酸化カップリング反応が進行し、原料ガスに含まれるメタンが、エチレンに変換される。
２ｎＣＨ４　＋　ｎＯ２　→　ｎＣ２Ｈ４　＋　２ｎＨ２Ｏ　　　…反応式（３）
また、この場合、加熱炉３３０は、上記反応式（３）に示す酸化カップリング反応を促進する触媒を収容する。酸化カップリング反応を促進する触媒は、ＳｒＯ／Ｌａ２Ｏ３、Ｍｎ／Ｎａ２ＷＯ４／ＳｉＯ２、Ｌｉ／ＭｇＯ、ＢａＦ２／Ｙ２Ｏ３、Ｒｂ２ＷＯ４／ＳｉＯ２、Ｌａ２Ｏ３－ＣｅＯ２、および、Ｎａ２ＷＯ４／ＳｉＯ２の群から選択される１または複数である。
　さらに、原料ガスが、メタンおよび酸素を少なくとも含むガスである場合、原料ガス中のメタンを部分酸化させ、下記反応式（４）に示す反応を進行させて、メタンをアセチレンに変換してもよい。
２ｎＣＨ４　＋　ｎＯ２　→　ｎＣ２Ｈ２　＋　ｎＨ２　＋　２ｎＨ２Ｏ　　　…反応式（４）
この場合、集光装置１１０は、１５００℃程度に、加熱炉２３０内の原料ガスを加熱してもよい。
　また、原料ガスは、エタン（Ｃ２Ｈ６）を少なくとも含むガスであってもよい。この場合、集光装置１１０は、１０００℃以上２０００℃以下に、加熱炉２３０、３３０内の原料ガスを加熱してもよい。そうすると、例えば、下記反応式（５）に示す熱分解（クラッキング）反応が進行し、原料ガスに含まれるエタンが、エチレンに変換される。
ｎＣ２Ｈ６　→　ｎＣ２Ｈ４　＋　ｎＨ２　　　…反応式（５）
　さらに、原料ガスは、エタンおよび水素を少なくとも含むガスであってもよい。この場合、集光装置１１０は、１０００℃以上２０００℃以下に、加熱炉２３０、３３０内の原料ガスを加熱してもよい。そうすると、例えば、下記反応式（６）、および、反応式（７）に示す熱分解（クラッキング）反応が進行し、原料ガスに含まれるエタンが、エチレンおよびアセチレンに変換される。
ｎＣ２Ｈ６　＋　３ｎＨ２　→　ｎＣ２Ｈ２　＋　５ｎＨ２　　　…反応式（６）
ｎＣ２Ｈ６　＋　３ｎＨ２　→　ｎＣ２Ｈ４　＋　４ｎＨ２　　　…反応式（７）
　また、原料ガスは、エタンおよび酸素を少なくとも含むガスであってもよい。この場合、原料ガス中のエタンを部分酸化させ、下記反応式（８）に示す反応を進行させて、エタンをアセチレンに変換してもよい。
ｎＣ２Ｈ６　＋　ｎＯ２　→　ｎＣ２Ｈ２　＋　２ｎＨ２Ｏ　　　…反応式（８）
この場合、集光装置１１０は、１５００℃程度に、加熱炉２３０内の原料ガスを加熱してもよい。
　また、上記第実施形態において、加熱炉２３０、３３０は、上部開口２３２から下部開口２３４に向かうに従って流路断面積が漸増する形状である場合を例に挙げて説明した。しかし、加熱炉２３０、３３０は、炉室２２０に配される箇所の流路断面積が、他の流路断面積より小さくてもよい。これにより、加熱炉２３０、３３０は、７００℃以上２０００℃以下の温度環境下の原料ガスの滞留時間を短くすることができる。つまり、滞留時間が短くなり、かつ、流速が高くなることにより、層流対流熱伝達条件から乱流対流熱伝達条件に切り替わり、加熱炉２３０、３３０から原料ガスへの伝熱速度を高める（急加熱する）ことができる。また、滞留時間が短くなる、つまり、加熱時間が短くなることから、原料ガスが加熱されてから冷却されるまでの時間が短くなる（急冷却することができる）。換言すれば、炉室２２０に配される箇所の流路断面積が、他の流路断面積より小さい加熱炉２３０、３３０とすることにより、原料ガスを急加熱した直後に急冷却させることができる。これにより、急加熱によって生成された生成ガスに含まれるエチレンおよびアセチレンの熱分解の進行を抑制することが可能となる。したがって、生成ガス中のエチレンおよびアセチレンの収率を高めることができる。なお、加熱炉２３０、３３０は、炉室２２０に配される箇所に不活性粒子が充填されることで、流路断面積が狭められるとよい。この場合、加熱炉２３０、３３０の内壁と接触する不活性粒子は、加熱炉２３０、３３０の内壁から熱伝導で加熱される。したがって、原料ガスは、加熱炉２３０、３３０の内壁の表面に加えて、不活性粒子の表面からも加熱されることになる（つまり、伝熱面積が増大する）。これにより、加熱炉２３０、３３０は、原料ガスをさらに急加熱することができる。
　また、上記実施形態において、加熱部１２０、３２０の筐体２１０が、円筒形状である場合を例に挙げて説明した。しかし、加熱部１２０、３２０の筐体２１０の形状に限定はない。さらに、上記実施形態において、筐体２１０は、軸方向が水平方向となるように設けられる場合を例に挙げて説明した。しかし、筐体２１０の設置方向に限定はない。例えば、筐体２１０は、軸方向が水平方向と交差する方向となるように設けられてもよい。
　また、上記実施形態において、炉室２２０に加熱炉２３０、３３０が配され、加熱炉２３０、３３０を通過する原料ガスが間接的に加熱される間接加熱式の加熱部１２０、３２０を例に挙げて説明した。しかし、不飽和炭化水素製造装置１００、３００は、気密性を有する採光窓２１２を備え、炉室２２０の内部に原料ガスが直接導入されることによって、原料ガスが直接的に加熱される直接加熱式の加熱部を備えてもよい。
　また、上記実施形態において、ヘリオスタット１１２と、放物曲面鏡１１４とを備える集光装置１１０を例に挙げて説明した。しかし、集光装置１１０は、太陽光を集光させて太陽熱を発生させることが可能であれば、その種類や構成に限定はない。例えば、集光装置１１０は、タワー型の集光装置であってもよい。
　また、上記実施形態において、加熱炉２３０、３３０の加熱源として、集光装置１１０を例に挙げて説明した。しかし、加熱炉２３０、３３０の加熱源は、集光装置１１０に限定されない。加熱炉２３０、３３０の加熱源として、集光装置１１０に代えて、または、加えて、燃焼装置や、電気ヒータ等が用いられてもよい。そして、曇天、雨天等の集光装置１１０の機能が低下する間、加熱炉２３０、３３０の加熱源は、燃焼装置または電気ヒータに切り換えられてもよい。なお、燃焼装置は、原料ガス、または、第１分離部１６０によって分離された水素を燃焼させてもよい。
　また、上記実施形態において、不飽和炭化水素製造装置１００、３００は、予熱部２５０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、予熱部２５０は、必須の構成ではない。
　また、上記実施形態において、不飽和炭化水素製造装置１００、３００は、第１熱交換部１３０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、第１熱交換部１３０は、必須の構成ではない。
　また、上記実施形態において、不飽和炭化水素製造装置１００、３００は、第２熱交換部１４０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、第２熱交換部１４０は、必須の構成ではない。
　また、上記実施形態において、加熱炉２３０、３３０、および、予熱部２５０が鉛直方向に延在する場合を例に挙げて説明した。しかし、加熱炉２３０、３３０、および、予熱部２５０のうちいずれか１または複数は、鉛直方向と交差する方向（例えば、水平方向）に延在してもよい。
　また、上記実施形態において、第２分離部１７０がマイクロ多孔性金属－有機フレームワーク材料を含む構成を例に挙げて説明した。しかし、第２分離部１７０は、生成ガスからエチレンまたはアセチレンを分離できれば構成に限定はない。第２分離部１７０は、例えば、アセチレンを溶解する吸収剤を含んでもよい。
　また、冷却部１５０によって回収された熱で原料ガスが予熱されてもよい。
　また、第１分離部１６０によって分離された水素が、原料ガスとして利用されてもよい。
　本開示は、不飽和炭化水素製造装置に利用することができる。
１００：不飽和炭化水素製造装置　１１０：集光装置　１３０：第１熱交換部　１４０：第２熱交換部　１５０：冷却部　１７０：第２分離部（分離部）　２３０：加熱炉　２５０：予熱部　３００：不飽和炭化水素製造装置　３３０：加熱炉

Claims (8)

  1. 　太陽光を集光して太陽熱に変換する集光装置と、
    　メタンと水素、メタンと酸素、および、エタンの群のうちいずれかを少なくとも含む原料ガスを、前記集光装置によって発生させた太陽熱で７００℃以上２０００℃以下に加熱する加熱炉と、
    を備える不飽和炭化水素製造装置。
  2. 　前記加熱炉で生成された生成ガスを６００℃以下まで急冷する冷却部を備える請求項１に記載の不飽和炭化水素製造装置。
  3. 　前記加熱炉は、前記原料ガスの、エチレンおよびアセチレンのいずれか一方または両方への反応を促進する触媒を収容する請求項１に記載の不飽和炭化水素製造装置。
  4. 　前記加熱炉から放出された熱で前記原料ガスを予熱する予熱部を備える請求項１から３のいずれか１項に記載の不飽和炭化水素製造装置。
  5. 　前記加熱炉で生成された生成ガスと、前記原料ガスとを熱交換させる第１熱交換部を備え、
    　前記予熱部には、前記第１熱交換部で熱交換された前記原料ガスが導入される請求項４に記載の不飽和炭化水素製造装置。
  6. 　前記加熱炉で生成された生成ガスと、前記予熱部によって予熱された前記原料ガスとを熱交換させる第２熱交換部を備える請求項４または５に記載の不飽和炭化水素製造装置。
  7. 　前記加熱炉で生成された生成ガスからエチレンまたはアセチレンを分離する分離部を備える請求項１から６のいずれか１項に記載の不飽和炭化水素製造装置。
  8. 　前記加熱炉は、前記原料ガスを１０００℃以上１２００℃以下に加熱する請求項１から７のいずれか１項に記載の不飽和炭化水素製造装置。
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