WO2023153092A1 - 分離膜モジュール - Google Patents

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WO2023153092A1
WO2023153092A1 PCT/JP2022/047357 JP2022047357W WO2023153092A1 WO 2023153092 A1 WO2023153092 A1 WO 2023153092A1 JP 2022047357 W JP2022047357 W JP 2022047357W WO 2023153092 A1 WO2023153092 A1 WO 2023153092A1
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WO
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reactor
housing
separation membrane
sealing
membrane module
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/047357
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English (en)
French (fr)
Inventor
剛佑 中川
和希 飯田
博史 菅
淳史 鳥井
Original Assignee
日本碍子株式会社
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Publication date
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Priority to JP2023580102A priority patent/JP7483167B2/ja
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Priority to JP2023212244A priority patent/JP2024037924A/ja

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/06—Tubular membrane modules
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C29/00—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring
    • C07C29/15—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of oxides of carbon exclusively
    • C07C29/151—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of oxides of carbon exclusively with hydrogen or hydrogen-containing gases
    • C07C29/152—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of oxides of carbon exclusively with hydrogen or hydrogen-containing gases characterised by the reactor used
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C31/00—Saturated compounds having hydroxy or O-metal groups bound to acyclic carbon atoms
    • C07C31/02—Monohydroxylic acyclic alcohols
    • C07C31/04—Methanol

Definitions

  • the present invention relates to a separation membrane module.
  • Patent Literature 1 discloses a tubular type comprising a separation membrane that permeates water vapor, which is one of the products of the conversion reaction, a non-permeate side channel through which the raw material gas flows, and a catalyst filled in the channel. reactor is disclosed.
  • the separation membrane module may be damaged due to the difference in thermal expansion coefficient between the reactor and the housing. Specifically, there is a problem that the reactor itself or the sealing portion that seals between the reactor and the housing is damaged. Such a problem also occurs when the separation membrane module is equipped with a separation filter instead of the reactor.
  • An object of the present invention is to provide a separation membrane module capable of suppressing damage.
  • a separation membrane module according to the present invention is used for a conversion reaction from a raw material gas containing hydrogen and carbon oxide to a liquid fuel, and includes a monolithic reactor extending in the longitudinal direction, a housing containing the reactor, a housing and the longitudinal direction. and a second annular seal sealing between the housing and the second longitudinal end of the reactor at Prepare.
  • the first seal is longitudinally deformable or movable with the reactor.
  • a second seal secures the reactor to the housing.
  • a perspective view of the reactor 1 according to the embodiment AA sectional view of FIG. BB sectional view of FIG. CC sectional view of FIG. 1 is a see-through side view of a separation membrane module according to a first embodiment;
  • FIG. A see-through side view of a separation membrane module according to a second embodiment.
  • Cross-sectional view of a separation membrane module according to Modification 3 Cross-sectional view of a separation membrane module according to Modification 3
  • Schematic diagram of a separation membrane module according to modification 4 Schematic diagram of a separation membrane module according to Modification 3
  • FIG. 1 is a perspective view of the reactor 1.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view along BB in FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line CC of FIG. 2.
  • FIG. 1 is a perspective view of the reactor 1.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view along BB in FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line CC of FIG. 2.
  • the reactor 1 is a so-called membrane reactor for converting raw material gas into liquid fuel.
  • the source gas contains at least hydrogen and carbon oxide. At least one of carbon monoxide and carbon dioxide can be used as the carbon oxide.
  • the source gas may be a so-called synthesis gas (Syngas).
  • the liquid fuel is a fuel that is liquid at room temperature and pressure, or a fuel that can be liquefied at room temperature and pressure. Examples of fuels in a liquid state at normal temperature and pressure include methanol, ethanol, liquid fuels represented by C n H 2 (m-2n) (m is an integer less than 90, n is an integer less than 30), and these mixtures. Fuels that can be liquefied at room temperature and under pressure include, for example, propane, butane, and mixtures thereof.
  • reaction formula (1) for synthesizing methanol by catalytically hydrogenating a raw material gas containing carbon dioxide and hydrogen in the presence of a catalyst is as follows.
  • the above reaction is an equilibrium reaction, and is preferably carried out at high temperature and high pressure (eg, 180°C or higher, 2 MPa or higher) in order to increase both conversion efficiency and reaction rate.
  • the liquid fuel is in a gaseous state when it is synthesized and remains in a gaseous state at least until it flows out of the reactor 1 .
  • the reactor 1 preferably has heat resistance and pressure resistance suitable for the desired conditions for synthesizing the liquid fuel.
  • the reactor 1 is formed in a monolithic shape.
  • a monolith means a shape having a plurality of holes penetrating in the longitudinal direction, and is a concept including a honeycomb.
  • Reactor 1 extends longitudinally.
  • Reactor 1 is formed in a columnar shape.
  • the reactor 1 is formed in a cylindrical shape, but the outer shape of the reactor 1 is not particularly limited.
  • the reactor 1 has a first end 1a and a second end 1b.
  • the first end 1a is a portion extending from one end of the reactor 1 to 2/5 when the reactor 1 is equally divided into 5 in the longitudinal direction.
  • the second end portion 1b is a portion extending from the other end portion of the reactor 1 to 2/5 when the reactor 1 is equally divided into 5 in the longitudinal direction.
  • the first end 1a of the reactor 1 is the source gas inflow side
  • the second end 1b of the reactor 1 is the liquid fuel outflow side.
  • the reactor 1 has a first end face S1, a second end face S2 and a side face S3.
  • the first end surface S1 is an end surface on the side of the first end portion 1a.
  • the second end face S2 is the end face on the second end portion 1b side.
  • the first end surface S1 is provided on the opposite side of the second end surface S2.
  • the side surface S3 continues to the outer edges of the first end surface S1 and the second end surface S2.
  • the reactor 1 includes a porous support 10, a catalyst 20, a separation membrane 30, a first sealing portion 40 and a second sealing portion 50.
  • the porous support 10 is a column extending in the longitudinal direction of the reactor 1.
  • the porous support 10 is composed of a porous material.
  • a ceramic material As the porous material, a ceramic material, a metal material, a resin material, or the like can be used, and a ceramic material is particularly suitable.
  • aggregates for ceramic materials include alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), mullite (Al 2 O 3 SiO 2 ), cerven and cordierite (Mg 2 Al 4 Si 5 O 18 ). At least one of them can be used. At least one of titania, mullite, sinterable alumina, silica, glass frit, clay mineral, and sinterable cordierite can be used as the inorganic binder for the ceramic material.
  • the ceramic material need not contain inorganic binders.
  • the porous support 10 has multiple first channels 11 and multiple second channels 12 .
  • Each first flow path 11 is formed along the longitudinal direction of the reactor 1, as shown in FIG. Each first channel 11 is on the non-permeate side of the separation membrane 30 . A raw material gas is caused to flow through each of the first flow paths 11 . Each first channel 11 is a through hole. Each first flow path 11 opens to the first end surface S ⁇ b>1 and the second end surface S ⁇ b>2 of the reactor 1 . Each first flow path 11 has an inlet e1 for the source gas formed in the first end surface S1 and an outlet e2 for the liquid fuel formed in the second end surface S2.
  • a catalyst 20 is arranged in each first channel 11 .
  • the number, position, shape, and the like of the first flow paths 11 can be changed as appropriate.
  • Each second channel 12 is the permeation side of the separation membrane 30 .
  • a sweep gas for sweeping the water vapor that has permeated the separation membrane 30 is flowed through each of the second flow paths 12 .
  • An inert gas for example, nitrogen
  • air can be used as the sweep gas.
  • the number, position, shape, and the like of the second flow paths 12 can be changed as appropriate.
  • each second channel 12 is composed of a plurality of cells 13, an inflow slit 14 and an outflow slit 15, as shown in FIGS.
  • a plurality of cells 13 are arranged in a row along the short direction of the reactor 1 (the direction perpendicular to the longitudinal direction). Each cell 13 is formed along the longitudinal direction of the reactor 1, as shown in FIG. Both ends of each cell 13 are sealed with first and second plugging portions 17 and 18 .
  • the first and second plugging portions 17 and 18 can be made of the porous material described above.
  • the inflow slit 14 is formed at the second end 1b of the reactor 1 in the longitudinal direction, as shown in FIG.
  • the inflow slit 14 is formed along the lateral direction of the reactor 1, as shown in FIG.
  • the inflow slit 14 penetrates the plurality of cells 13 . Both ends of the inflow slit 14 open to the side surface S3.
  • the inflow slit 14 has a pair of inflow ports d1 formed in the side surface S3.
  • the pair of inlets d1 is one end of the second channel 12 in the longitudinal direction.
  • the outflow slit 15 is formed at the first end 1a of the reactor 1 in the longitudinal direction, as shown in FIG.
  • the outflow slit 15 is formed along the lateral direction of the reactor 1, as shown in FIG.
  • Outflow slits 15 pass through the plurality of cells 13 . Both ends of the outflow slit 15 are opened to the side surface S3.
  • the outflow slit 15 has a pair of outlets d2 formed in the side surface S3.
  • a pair of discharge ports d2 is the other end of the second flow path 12 in the longitudinal direction.
  • a catalyst 20 is arranged in each first channel 11 .
  • the catalyst 20 is preferably filled in each first channel 11 , but may be arranged in layers on the surface of the separation membrane 30 .
  • the catalyst 20 promotes the conversion reaction from the raw material gas to the liquid fuel as shown in formula (1) above.
  • a known catalyst suitable for the conversion reaction to the desired liquid fuel can be used.
  • the catalyst 20 include metal catalysts (copper, palladium, etc.), oxide catalysts (zinc oxide, zirconia, gallium oxide, etc.), and composite catalysts thereof (copper-zinc oxide, copper-zinc oxide-alumina , copper-zinc oxide-chromium oxide-alumina, copper-cobalt-titania, and catalysts obtained by modifying these with palladium).
  • the separation membrane 30 is supported by the porous support 10. Separation membrane 30 surrounds first channel 11 . Separation membrane 30 is arranged between first channel 11 and second channel 12 .
  • the separation membrane 30 allows water vapor, which is one of the products of the conversion reaction from the source gas to the liquid fuel, to permeate. As a result, the equilibrium shift effect can be used to shift the reaction equilibrium of the above formula (1) to the product side.
  • the separation membrane 30 preferably has a water vapor permeability coefficient of 100 nmol/(s ⁇ Pa ⁇ m 2 ) or more.
  • the water vapor permeability coefficient can be determined by a known method (see Ind. Eng. Chem. Res., 40, 163-175 (2001)).
  • the separation membrane 30 preferably has a separation factor of 100 or more.
  • the higher the separation factor the easier it is for water vapor to permeate, and the less it is for components other than water vapor (hydrogen, carbon dioxide, liquid fuel, etc.) to permeate.
  • the separation factor can be determined by a known method (see Fig. 1 of "Separation and Purification Technology 239 (2020) 116533").
  • An inorganic membrane can be used as the separation membrane 30 .
  • An inorganic film is preferable because it has heat resistance, pressure resistance, and water vapor resistance.
  • inorganic membranes include zeolite membranes, silica membranes, alumina membranes, and composite membranes thereof.
  • an LTA-type zeolite membrane in which the molar ratio (Si/Al) of silicon element (Si) and aluminum element (Al) is 1.0 or more and 3.0 or less is preferable because it has excellent water vapor permeability. be.
  • the first seal portion 40 covers the first end surface S1 and part of the side surface S1 of the porous support 10, as shown in FIG.
  • the first seal portion 40 prevents the raw material gas from entering the porous support 10 .
  • the first seal portion 40 is formed so as not to block the inlet e1 of the first flow path 11, as shown in FIG.
  • the first sealing portion 40 covers the first plugging portion 17 .
  • the first seal portion 40 can be made of glass, metal, rubber, resin, or the like.
  • the second seal portion 50 covers the second end surface S2 and part of the side surface S1 of the porous support 10, as shown in FIG.
  • the second seal portion 50 prevents liquid fuel from entering the porous support 10 .
  • the second seal portion 50 is formed so as not to block the outlet e2 of the first flow path 11, as shown in FIG.
  • the second sealing portion 50 covers the second plugging portion 18 .
  • the second seal portion 50 can be made of glass, metal, rubber, resin, or the like.
  • the raw material gas flows into the first channel 11 from the inlet e1 of the first channel 11 .
  • water vapor is generated together with the liquid fuel according to the above formula (1).
  • the synthesized liquid fuel flows out from the outlet e2 of the first channel 11 .
  • Water vapor which is one of the products, sequentially permeates the separation membrane 30 and the porous support 10 and moves to the second channel 12 .
  • the liquid fuel flowing out from the outlet e2 may contain residual raw material gas not used in the conversion reaction, generated steam, and the like.
  • the sweep gas flows into the cell 13 from the inflow slit 14 after flowing in from the inflow port d1 of the inflow slit 14 .
  • the sweep gas that has flowed into the cell 13 from the inflow slit 14 takes in the water vapor that has permeated the separation membrane 30, absorbs the reaction heat generated in the conversion reaction, and moves toward the outflow slit 15 into the cell 13. flowing.
  • the sweep gas that has reached the outflow slit 15 is discharged from the discharge port d2 of the outflow slit 15 .
  • the direction of the sweep gas flowing through the second channel 12 is opposite to the direction of the source gas flowing through the first channel 11 when the separation membrane 30 is viewed from the side. That is, the sweep gas flowing through the second flow path 12 flows in a direction facing the raw material gas flowing through the first flow path 11 .
  • the direction of the sweep gas flowing through the second channel 12 may be the same as the direction of the source gas flowing through the first channel 11 . That is, the sweep gas flowing through the second flow path 12 may flow in a direction parallel to the raw material gas flowing through the first flow path 11 .
  • FIG. 5 is a see-through side view of the separation membrane module 2.
  • the separation membrane module 2 includes the above-described monolithic reactor 1, housing 3, annular first sealing portion 4, annular second sealing portion 5, and annular flow stop portion 6. Prepare.
  • the housing 3 is made of, for example, a metal material (such as stainless steel). Housing 3 accommodates reactor 1 therein. The interior of the housing 3 is partitioned into first to fourth spaces P1 to P4 by the first sealing portion 4, the second sealing portion 5 and the flow stop portion 6. As shown in FIG.
  • the housing 3 has a source gas supply port 3a, a liquid fuel discharge port 3b, a sweep gas supply port 3c, and a sweep gas discharge port 3d.
  • the raw material gas is supplied to the first space P1 from the raw material gas supply port 3a.
  • the raw material gas flows into each first channel 11 (see FIG. 4) of the reactor 1 from the first space P1.
  • the liquid fuel flows out from each first channel 11 of the reactor 1 to the second space P2.
  • the liquid fuel is discharged from the liquid fuel outlet 3b through the second space P2.
  • the sweep gas is supplied to the third space P3 from the sweep gas supply port 3c.
  • the sweep gas flows from the third space P3 into each second flow path 12 (see FIG. 4) of the reactor 1 .
  • the sweep gas that has taken in water vapor in each second flow path 12 flows out from each second flow path 12 of the reactor 1 into the fourth space P4.
  • the sweep gas is discharged from the sweep gas outlet 3d through the fourth space P4.
  • the sweep gas supply port 3c is arranged on the opposite side of the sweep gas discharge port 3d with respect to the axis of the reactor 1. As shown in FIG. As a result, the flow path lengths of the sweep gas flowing from the sweep gas supply port 3c to the sweep gas discharge port 3d through the second flow paths 12, which will be described later, can be made equal, so that the flow of the sweep gas can be suppressed from becoming unbalanced. . However, the positional relationship between the sweep gas supply port 3c and the sweep gas discharge port 3d can be changed as appropriate.
  • the first sealing part 4 seals between the housing 3 and the first end 1 a of the reactor 1 .
  • the first sealing portion 4 holds the first end portion 1 a of the reactor 1 .
  • the first sealing portion 4 has a fixed portion 4a and an elastic portion 4b.
  • the fixed portion 4a is an example of the "first fixed portion” according to the present invention
  • the elastic portion 4b is an example of the “elastic portion” according to the present invention.
  • the fixed part 4a is formed in an annular shape.
  • the fixed portion 4 a is fixed to the inner surface T ⁇ b>1 of the housing 3 .
  • the fixed portion 4 a is arranged to protrude from the inner surface T ⁇ b>1 of the housing 3 .
  • the fixing portion 4a is preferably made of the same material as the housing 3, but is not limited to this as long as it functions as a fixing portion.
  • the elastic portion 4b is formed in an annular shape.
  • the elastic portion 4b contacts the fixed portion 4a and the first end surface S1 of the reactor 1 respectively.
  • the elastic portion 4 b is sandwiched between the fixed portion 4 a and the first end surface S ⁇ b>1 of the reactor 1 .
  • the elastic portion 4b has elasticity and is deformable in the longitudinal direction. Therefore, when the separation membrane module 2 starts or stops operating, if the housing 3 expands or contracts in the longitudinal direction with respect to the reactor 1 due to the difference in coefficient of thermal expansion (CTE) between the reactor 1 and the housing 3, The elastic portion 4b is deformed (expanded/contracted) in the longitudinal direction. Therefore, since the expansion and contraction of the housing 3 can be accommodated while maintaining the holding and sealing properties of the first sealing portion 4 , it is possible to suppress the reactor 1 and the first sealing portion 4 from being stressed and damaged.
  • CTE coefficient of thermal expansion
  • the second sealing portion 5 is formed in an annular shape.
  • a second seal 5 secures the reactor 1 to the housing 3 .
  • the second sealing portion 5 fixing the reactor 1 to the housing 3 means that the reactor 1 is positioned by the second sealing portion 5 in the longitudinal direction.
  • the second end 1b of the reactor 1 is positioned by the second sealing portion 5 in the longitudinal direction.
  • the second sealing portion 5 is connected to the side surface S ⁇ b>3 of the reactor 1 and the inner surface T ⁇ b>1 of the housing 3 .
  • the resistance to the chemical load of the high-temperature liquid fuel and the resistance to water vapor are the constituent materials of the second sealing portion 5.
  • the constituent material of the second sealing portion 5 include glass, silver solder, solder, inorganic adhesives, and the like.
  • the second sealing portion 5 can be made of rubber or elastomer (for example, fluororubber, EPDM rubber, etc.) having chemical resistance, heat resistance, and water vapor resistance.
  • rubbers and plastics that do not have chemical resistance, heat resistance, and water vapor resistance are not suitable as the constituent material of the second sealing portion 5 .
  • the flow stop portion 6 is formed in an annular shape.
  • a flow stop 6 is arranged between the reactor 1 and the housing 3 .
  • the flow stopper 6 is arranged between the third space P3 and the fourth space P4.
  • the flow stopper 6 prevents the sweep gas from flowing from the third space P3 to the fourth space P4.
  • the flow stopper 6 only needs to be able to suppress the flow of the sweep gas, and does not have to seal the space between the reactor 1 and the housing 3 .
  • the flow stopper 6 can be made of, for example, expanded graphite, rubber, resin, or the like.
  • FIG. 6 is a see-through side view of the separation membrane module 2b.
  • a separation membrane module 2b according to this embodiment differs from the separation membrane module 2 according to the first embodiment in the configuration of the first sealing portion. Therefore, the difference will be mainly described below.
  • the thermal expansion coefficient of the housing 3 is larger than that of the reactor 1 .
  • the separation membrane module 2b has an annular first sealing portion 8. As shown in FIG. 6, the separation membrane module 2b has an annular first sealing portion 8. As shown in FIG.
  • the first sealing portion 8 seals between the housing 3 and the first end 1 a of the reactor 1 .
  • the first sealing portion 8 holds the first end portion 1 a of the reactor 1 .
  • the first sealing portion 8 has a fixing portion 8a and a contact portion 8b.
  • the fixed portion 8a is an example of the "second fixed portion” according to the present invention
  • the contact portion 8b is an example of the "contact portion” according to the present invention.
  • the fixed part 8a is formed in an annular shape.
  • the fixed portion 8 a is fixed to the inner surface T ⁇ b>1 of the housing 3 .
  • the fixed portion 8 a is arranged to protrude from the inner surface T ⁇ b>1 of the housing 3 .
  • the fixing portion 8a is preferably made of the same material as the housing 3, but is not limited to this as long as it functions as a fixing portion.
  • the fixed portion 8a has an inclined surface T2 facing the side surface S3 of the reactor 1.
  • the inclined surface T2 is inclined with respect to the side surface S3. Specifically, the distance between the inclined surface T2 and the side surface S3 increases toward the first end surface S1 of the reactor 1 .
  • the contact portion 8b is formed in an annular shape.
  • the contact portion 8 b is attached to the side surface S ⁇ b>3 of the reactor 1 .
  • the contact portion 8b contacts the inclined surface T2 of the fixed portion 8a.
  • the contact portion 8 b is sandwiched between the fixed portion 8 a and the side surface S ⁇ b>3 of the reactor 1 .
  • the separation membrane module 2b starts to operate, if the housing 3 extends in the longitudinal direction due to the fact that the thermal expansion coefficient of the housing 3 is larger than that of the reactor 1, the abutting portion 8b will be replaced by the fixed portion. It is pressed against the inclined surface T2 of 8a. Therefore, since the expansion and contraction of the housing 3 can be accommodated while maintaining the holding property and sealing property of the first sealing portion 8, it is possible to suppress the reactor 1 and the first sealing portion 8 from being damaged by stress.
  • FIG. 7 is a see-through side view of the separation membrane module 2c.
  • a separation membrane module 2c according to this embodiment differs from the separation membrane module 2 according to the first embodiment in the configuration of the first sealing portion. Therefore, the difference will be mainly described below.
  • the thermal expansion coefficient of the reactor 1 is larger than that of the housing 3 .
  • the separation membrane module 2c includes an annular first sealing portion 9. As shown in FIG. 7, the separation membrane module 2c includes an annular first sealing portion 9. As shown in FIG. 7, the separation membrane module 2c includes an annular first sealing portion 9. As shown in FIG.
  • the first sealing portion 9 seals between the housing 3 and the first end 1 a of the reactor 1 .
  • the first sealing portion 9 holds the first end 1 a of the reactor 1 .
  • the first sealing portion 9 has a fixing portion 9a and a contact portion 9b.
  • the fixed portion 9a is an example of the "third fixed portion” according to the present invention
  • the contact portion 9b is an example of the "second contact portion” according to the present invention.
  • the fixed part 9a is formed in an annular shape.
  • the fixed portion 9 a is fixed to the inner surface T ⁇ b>1 of the housing 3 .
  • the fixed portion 9 a is arranged to protrude from the inner surface T ⁇ b>1 of the housing 3 .
  • the fixing portion 9a is preferably made of the same material as the housing 3, but is not limited to this as long as it functions as the fixing portion.
  • the fixed part 9a has an inclined surface T3 facing the side surface S3 of the reactor 1.
  • the inclined surface T3 is inclined with respect to the side surface S3. Specifically, the distance between the inclined surface T3 and the side surface S3 becomes smaller toward the first end surface S1 of the reactor 1 .
  • the contact portion 9b is formed in an annular shape.
  • the contact portion 9b is attached to the side surface S3 of the reactor 1. As shown in FIG.
  • the contact portion 9b contacts the inclined surface T3 of the fixed portion 9a.
  • the contact portion 9 b is sandwiched between the fixed portion 9 a and the side surface S ⁇ b>3 of the reactor 1 .
  • the separation membrane module 2c starts to operate, if the reactor 1 extends in the longitudinal direction due to the fact that the thermal expansion coefficient of the reactor 1 is larger than that of the housing 3, the abutting portion 9b will be replaced by the fixed portion. It is pressed against the inclined surface T3 of 9a. Therefore, since the expansion and contraction of the housing 3 can be accommodated while maintaining the holding and sealing properties of the first sealing portion 9, it is possible to suppress the reactor 1 and the first sealing portion 9 from being stressed and damaged.
  • the separation membrane module includes a reactor, but instead of the reactor, the separation membrane module includes a separation filter used to separate a predetermined component from the mixed fluid. good too.
  • the separation filter is the same as the reactor 1 described in the first to third embodiments except that it has a separation membrane that allows the desired component to pass through instead of the separation membrane 30 and that it does not have the catalyst 20. have a configuration.
  • the mixed fluid is supplied to the first channel 11 .
  • a predetermined component contained in the mixed fluid permeates the separation membrane and flows into the second channel 12 .
  • a remaining component after removing the predetermined component from the mixed fluid flows out from the first channel 11 .
  • the separation membrane module When the separation membrane module is equipped with a separation filter, the heat of reaction is not generated and the need for temperature control is low. Components that have passed through the separation membrane can be discharged from the sweep gas discharge port 3d without using gas.
  • the separation membrane 30 allows water vapor, which is one of the products of the conversion reaction from the source gas to the liquid fuel, to permeate therethrough, but the present invention is not limited to this.
  • the separation membrane 30 may permeate the liquid fuel itself produced by the conversion reaction from the source gas to the liquid fuel. Also in this case, the reaction equilibrium of the above formula (1) can be shifted to the product side.
  • the separation membrane 30 is permeable to the liquid fuel, even when the liquid fuel is generated by a reaction that does not generate water vapor (for example, 2H 2 +CO ⁇ CH 3 OH), the reaction equilibrium is shifted to the product side. be able to.
  • a reaction that does not generate water vapor for example, 2H 2 +CO ⁇ CH 3 OH
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the reactor module 2 shown in FIG. In FIG. 8, a cross section perpendicular to the axis of the reactor 1 is illustrated.
  • the first extension direction in which the outflow slit 15 extends inside the reactor 1 is inclined or orthogonal to the discharge direction of the sweep gas discharged to the outside from the sweep gas discharge port 3d.
  • the angle ⁇ 1 of the first extending direction with respect to the discharge direction is preferably 45 degrees or more and 135 degrees or less.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the reactor module 2 shown in FIG. In FIG. 9, a cross section perpendicular to the axis of the reactor 1 is illustrated.
  • the second extending direction in which the inflow slit 14 extends inside the reactor 1 is preferably inclined or orthogonal to the supply direction of the sweep gas supplied from the sweep gas supply port 3c. Specifically, the angle ⁇ 2 of the second extending direction with respect to the supply direction is preferably 45 degrees or more and 135 degrees or less. As a result, uneven flow of the gas from the sweep gas supply port 3c to the openings on both sides of the inflow slit 14 can be suppressed, so that uneven flow of the sweep gas can be suppressed.
  • the reactor 1 is fixed to the housing 3 (that is, positioned in the longitudinal direction) by the second sealing portion 5 connected to the reactor 1 and the housing 3, respectively.
  • the positioning structure of the reactor 1 by the sealing portion 5 is not limited to this.
  • the second sealing portion 5 can be composed of a flange 51 and a sealing member 52.
  • the flange 51 is an annular member.
  • the flange 51 is attached to the inner surface T1 of the housing 3 so as to surround the liquid fuel outlet 3b of the housing 3. As shown in FIG.
  • the flange 51 has a facing surface U1, an annular recess U2 and an abutting surface U3.
  • the facing surface U1 faces the side surface S3 of the reactor 1.
  • An annular recess U2 is formed in the facing surface U1.
  • the annular recess U2 includes a first inclined surface U3 and a second inclined surface U4 that contact the seal member 52.
  • the first inclined surface U3 is inclined with respect to the side surface S3 of the reactor 1 .
  • the distance between the first inclined surface U3 and the side surface S3 increases toward the second end surface S2 of the reactor 1 .
  • the second inclined surface U4 is inclined with respect to the side surface S3 of the reactor 1. As shown in FIG. The distance between the second inclined surface U4 and the side surface S3 becomes smaller toward the second end surface S2 of the reactor 1 .
  • the contact surface U3 contacts the second end surface S2 of the reactor 1.
  • the contact surface U3 is formed in an annular shape. In the positioning structure shown in FIG. 10, the reactor 1 is positioned in the longitudinal direction by contacting the second end surface S2 of the reactor 1 with the contact surface U3.
  • the seal member 52 is formed in an annular shape.
  • the sealing member 52 is arranged between the side surface S3 of the second end portion 1b of the reactor 1 and the first inclined surface U3 and the second inclined surface U4 of the annular concave portion U2 of the flange 51 .
  • the seal member 52 seals the gap between the reactor 1 and the flange 51 .
  • an O-ring can be used as the seal member 52.
  • the second sealing portion 5 can be composed of a flange 61, a sealing member 62 and a pressing member 63.
  • the flange 61 is an annular member.
  • the flange 61 is attached to the inner surface T1 of the housing 3 so as to surround the liquid fuel outlet 3b of the housing 3. As shown in FIG.
  • the flange 61 has a facing surface W1 and a contact surface W2.
  • the facing surface W1 faces the side surface S3 of the reactor 1.
  • the contact surface W2 contacts the second end surface S2 of the reactor 1 .
  • the contact surface W2 is formed in an annular shape. In the positioning structure shown in FIG. 11, the reactor 1 is positioned in the longitudinal direction by contacting the second end surface S2 of the reactor 1 with the contact surface W2.
  • the seal member 62 is formed in an annular shape.
  • the sealing member 62 is arranged between the side surface S3 of the second end portion 1b of the reactor 1 and the facing surface W1 of the flange 61 .
  • a seal member 62 seals a gap between the reactor 1 and the flange 61 .
  • the sealing member 62 is a so-called gland packing.
  • the seal member 62 can be made of expanded graphite, for example.
  • the sealing member 62 is compressed by the pressing member 63 .
  • the sealing performance of the sealing member 62 can be adjusted by the pressing force of the pressing member 63 .
  • the pressing member 63 is fixed to the flange 61 by a fastening member 63a.
  • the pressing member 63 presses the sealing member 62 .
  • the pressing force of the pressing member 63 can be appropriately adjusted by the tightening amount of the fastening member 63a.

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Abstract

分離膜モジュール（１）は、モノリス型のリアクタ（１）と、ハウジング（３）と、ハウジング（３）とリアクタの第１端部（１ａ）との間を封止する環状の第１封止部（４）と、ハウジング（３）とリアクタの第２端部（１ｂ）との間を封止する環状の第２封止部（５）とを備える。第１封止部（４）は、リアクタ（１）とともに長手方向に変形又は移動可能である。第２封止部（５）は、リアクタ（１）をハウジング（５）に固定する。

Description

分離膜モジュール
　本発明は、分離膜モジュールに関する。
　近年、水素及び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、流路内に充填される触媒とを備えるチューブ型のリアクタが開示されている。
特開２０１８－８９４０号公報
　ところで、長手方向に貫通した複数の流路を有するモノリス型のリアクタを用いることによって、単位体積当たりの分離膜面積を大きくすることが考えられる。
　しかしながら、リアクタをハウジング内に固定して作動させた場合、リアクタとハウジングとの熱膨張係数が異なることに起因して分離膜モジュールが損傷するおそれがある。具体的には、リアクタ自体、或いは、リアクタとハウジングの間を封止する封止部が損傷してしまうという問題がある。このような問題は、分離膜モジュールが、リアクタに代えて分離フィルタを備えている場合にも生じる。
　本発明は、損傷を抑制可能な分離膜モジュールを提供することを目的とする。
　本発明に係る分離膜モジュールは、水素及び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に用いられ、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、ハウジングと長手方向におけるリアクタの第１端部との間を封止する環状の第１封止部と、ハウジングと長手方向におけるリアクタの第２端部との間を封止する環状の第２封止部とを備える。第１封止部は、リアクタとともに長手方向に変形又は移動可能である。第２封止部は、リアクタをハウジングに固定する。
　本発明によれば、損傷を抑制可能な分離膜モジュールを提供することができる。
実施形態に係るリアクタ１の斜視図 図１のＡ－Ａ断面図 図１のＢ－Ｂ断面図 図２のＣ－Ｃ断面図 第１実施形態に係る分離膜モジュールの透視側面図 第２実施形態に係る分離膜モジュールの透視側面図 第３実施形態に係る分離膜モジュールの透視側面図 変形例３に係る分離膜モジュールの断面図 変形例３に係る分離膜モジュールの断面図 変形例４に係る分離膜モジュールの模式図 変形例３に係る分離膜モジュールの模式図
　１．第１実施形態
　次に、図面を参照しながら、本発明の第１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。
　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酸化炭素を含有する。酸化炭素としては、一酸化炭素及び二酸化炭素の少なくとも一方を用いることができる。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。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２端部１ｂ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１端部１ａ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排出口ｄ２を有する。一対の排出口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Ｓ１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Ｓ１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。
　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生成された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３０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の排出口ｄ２から排出される。
　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逆である。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対向する向きに流れる。
　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同じであってもよい。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平行な向きに流されてもよい。
　（分離膜モジュール２）
　第１実施形態に係る分離膜モジュール２について説明する。図５は、分離膜モジュール２の透視側面図である。
　図５に示すように、分離膜モジュール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。ハウジング３は、原料ガス供給口３ａ、液体燃料排出口３ｂ、掃引ガス供給口３ｃ、及び掃引ガス排出口３ｄを有する。
　原料ガスは、原料ガス供給口３ａから第１空間Ｐ１に供給される。原料ガスは、第１空間Ｐ１からリアクタ１の各第１流路１１（図４参照）に流入する。液体燃料は、リアクタ１の各第１流路１１から第２空間Ｐ２に流出する。液体燃料は、第２空間Ｐ２を介して液体燃料排出口３ｂから排出される。
　掃引ガスは、掃引ガス供給口３ｃから第３空間Ｐ３に供給される。掃引ガスは、第３空間Ｐ３からリアクタ１の各第２流路１２（図４参照）に流入する。各第２流路１２内で水蒸気を取り込んだ掃引ガスは、リアクタ１の各第２流路１２から第４空間Ｐ４に流出する。掃引ガスは、第４空間Ｐ４を介して掃引ガス排出口３ｄから排出される。
　なお、図５では、掃引ガス供給口３ｃが、リアクタ１の軸心を基準として、掃引ガス排出口３ｄの反対側に配置されている。これによって、後述する各第２流路１２を介して掃引ガス供給口３ｃから掃引ガス排出口３ｄ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３ｃ及び掃引ガス排出口３ｄそれぞれの位置関係は適宜変更可能である。
　第１封止部４は、ハウジング３とリアクタ１の第１端部１ａとの間を封止する。第１封止部４は、リアクタ１の第１端部１ａを保持する。第１封止部４は、固定部４ａと、弾性部４ｂとを有する。固定部４ａは、本発明に係る「第１固定部」の一例であり、弾性部４ｂは、本発明に係る「弾性部」の一例である。
　固定部４ａは、環状に形成される。固定部４ａは、ハウジング３の内面Ｔ１に固定される。固定部４ａは、ハウジング３の内面Ｔ１から突出するように配置される。固定部４ａは、ハウジング３と同種の材料によることが望ましいが固定部として機能する限りこれに限定されない。
　弾性部４ｂは、環状に形成される。弾性部４ｂは、固定部４ａ及びリアクタ１の第１端面Ｓ１それぞれに当接する。弾性部４ｂは、固定部４ａとリアクタ１の第１端面Ｓ１との間に挟まれる。
　弾性部４ｂは、弾性を有しており、長手方向に変形可能である。従って、分離膜モジュール２の作動開始時又は停止時、リアクタ１とハウジング３との熱膨張係数（ＣＴＥ）が異なることに起因してハウジング３がリアクタ１に対して長手方向に伸縮すると、それに応じて弾性部４ｂは長手方向に変形（伸縮）する。従って、第１封止部４による保持性及び封止性を維持したままハウジング３の伸縮に対応できるため、リアクタ１及び第１封止部４に応力がかかって損傷することを抑制できる。
　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をハウジング３に固定する。本明細書において、第２封止部５がリアクタ１をハウジング３に固定するとは、長手方向においてリアクタ１が第２封止部５によって位置決めされていることを意味する。本実施形態では、リアクタ１の第２端部１ｂが長手方向において第２封止部５によって位置決めされている。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２空間Ｐ２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。或いは、第２封止部５は、耐化学性、耐熱性及び耐水蒸気性を有するゴム又はエラストマー（例えば、フッ素ゴム、ＥＰＤＭゴムなど）によって構成することもできる。ただし、第２封止部５の構成材料として、耐化学性、耐熱性及び耐水蒸気性を有さないゴム類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、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３空間Ｐ３と第４空間Ｐ４との間に配置される。流れ止め部６は、第３空間Ｐ３から第４空間Ｐ４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。
　３．第２実施形態
　次に、第２実施形態に係る分離膜モジュール２ｂについて説明する。図６は、分離膜モジュール２ｂの透視側面図である。本実施形態に係る分離膜モジュール２ｂは、第１封止部の構成において第１実施形態に係る分離膜モジュール２と相違する。従って、以下においては、当該相違点について主に説明する。
　なお、本実施形態では、ハウジング３の熱膨張係数がリアクタ１の熱膨張係数より大きい場合が想定されている。
　図６に示すように、分離膜モジュール２ｂは、環状の第１封止部８を備える。
　第１封止部８は、ハウジング３とリアクタ１の第１端部１ａとの間を封止する。第１封止部８は、リアクタ１の第１端部１ａを保持する。第１封止部８は、固定部８ａと、当接部８ｂとを有する。固定部８ａは本発明に係る「第２固定部」の一例であり、当接部８ｂは本発明に係る「当接部」の一例である。
　固定部８ａは、環状に形成される。固定部８ａは、ハウジング３の内面Ｔ１に固定される。固定部８ａは、ハウジング３の内面Ｔ１から突出するように配置される。固定部８ａは、ハウジング３と同種の材料によることが望ましいが固定部として機能する限りこれに限定されない。
　固定部８ａは、リアクタ１の側面Ｓ３と対向する傾斜面Ｔ２を有する。傾斜面Ｔ２は、側面Ｓ３に対して傾斜している。具体的には、傾斜面Ｔ２と側面Ｓ３との間隔は、リアクタ１の第１端面Ｓ１側に向かうほど大きくなっている。
　当接部８ｂは、環状に形成される。当接部８ｂは、リアクタ１の側面Ｓ３に取り付けられる。当接部８ｂは、固定部８ａの傾斜面Ｔ２と当接する。当接部８ｂは、固定部８ａとリアクタ１の側面Ｓ３との間に挟まれる。
　従って、分離膜モジュール２ｂの作動開始時、ハウジング３の熱膨張係数がリアクタ１の熱膨張係数より大きいことに起因してハウジング３が長手方向に伸長すると、それに応じて当接部８ｂは固定部８ａの傾斜面Ｔ２に押し付けられる。従って、第１封止部８による保持性及び封止性を維持したままハウジング３の伸縮に対応できるため、リアクタ１及び第１封止部８に応力がかかって損傷することを抑制できる。
　４．第３実施形態
　次に、第３実施形態に係る分離膜モジュール２ｃについて説明する。図７は、分離膜モジュール２ｃの透視側面図である。本実施形態に係る分離膜モジュール２ｃは、第１封止部の構成において第１実施形態に係る分離膜モジュール２と相違する。従って、以下においては、当該相違点について主に説明する。
　なお、本実施形態では、リアクタ１の熱膨張係数がハウジング３の熱膨張係数より大きい場合が想定されている。
　図７に示すように、分離膜モジュール２ｃは、環状の第１封止部９を備える。
　第１封止部９は、ハウジング３とリアクタ１の第１端部１ａとの間を封止する。第１封止部９は、リアクタ１の第１端部１ａを保持する。第１封止部９は、固定部９ａと、当接部９ｂとを有する。固定部９ａは本発明に係る「第３固定部」の一例であり、当接部９ｂは本発明に係る「第２当接部」の一例である。
　固定部９ａは、環状に形成される。固定部９ａは、ハウジング３の内面Ｔ１に固定される。固定部９ａは、ハウジング３の内面Ｔ１から突出するように配置される。固定部９ａは、ハウジング３と同種の材料によることが望ましいが固定部として機能する限りこれに限定されない。
　固定部９ａは、リアクタ１の側面Ｓ３と対向する傾斜面Ｔ３を有する。傾斜面Ｔ３は、側面Ｓ３に対して傾斜している。具体的には、傾斜面Ｔ３と側面Ｓ３との間隔は、リアクタ１の第１端面Ｓ１側に向かうほど小さくなっている。
　当接部９ｂは、環状に形成される。当接部９ｂは、リアクタ１の側面Ｓ３に取り付けられる。当接部９ｂは、固定部９ａの傾斜面Ｔ３と当接する。当接部９ｂは、固定部９ａとリアクタ１の側面Ｓ３との間に挟まれる。
　従って、分離膜モジュール２ｃの作動開始時、リアクタ１の熱膨張係数がハウジング３の熱膨張係数より大きいことに起因してリアクタ１が長手方向に伸長すると、それに応じて当接部９ｂは固定部９ａの傾斜面Ｔ３に押し付けられる。従って、第１封止部９による保持性及び封止性を維持したままハウジング３の伸縮に対応できるため、リアクタ１及び第１封止部９に応力がかかって損傷することを抑制できる。
　（実施形態の変形例）
　以上、本発明の第１乃至第３実施形態について説明したが、本発明は第１乃至第３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）
　上記第１乃至第３実施形態では、分離膜モジュールがリアクタを備える場合について説明したが、分離膜モジュールはリアクタの代わりに、混合流体から所定成分を分離するために用いられる分離フィルタを備えていてもよい。分離フィルタは、分離膜３０の代わりに、所望成分を透過させる分離膜を有する点、及び、触媒２０を備えていない点を除けば、上記第１乃至第３実施形態で説明したリアクタ１と同じ構成を有する。分離フィルタでは、第１流路１１に混合流体が供給される。混合流体に含まれる所定成分は、分離膜を透過して第２流路１２に流入する。混合流体から所定成分を除いた残成分は、第１流路１１から流出する。
　なお、分離膜モジュールが分離フィルタを備える場合には、反応熱が生じず温度コントロールを行う必要性が低いため、掃引ガス排出口３ｄ側を掃引ガス供給口３ｃ側よりも減圧させることによって、掃引ガスを用いることなく、分離膜を透過した成分を掃引ガス排出口３ｄから排出させることができる。
　（変形例２）
　上記第１乃至第３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、２Ｈ２＋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３）
　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３ｄ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３ｃ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３ｃ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４）
　上記第１乃至第３実施形態では、リアクタ１及びハウジング３それぞれに接続された第２封止部５によってリアクタ１をハウジング３に固定（すなわち、長手方向における位置決め）することとしたが、第２封止部５によるリアクタ１の位置決め構造はこれに限られない。
　例えば、図１０に示すように、第２封止部５は、フランジ５１及びシール部材５２によって構成することができる。
　フランジ５１は、環状部材である。フランジ５１は、ハウジング３の液体燃料排出口３ｂを取り囲むように、ハウジング３の内面Ｔ１に取り付けられる。フランジ５１は、対向面Ｕ１、環状凹部Ｕ２及び当接面Ｕ３を有する。
　対向面Ｕ１は、リアクタ１の側面Ｓ３と対向する。環状凹部Ｕ２は、対向面Ｕ１に形成される。環状凹部Ｕ２は、シール部材５２に当接する第１傾斜面Ｕ３及び第２傾斜面Ｕ４を含む。第１傾斜面Ｕ３は、リアクタ１の側面Ｓ３に対して傾斜している。第１傾斜面Ｕ３と側面Ｓ３との間隔は、リアクタ１の第２端面Ｓ２側に向かうほど大きくなっている。第２傾斜面Ｕ４は、リアクタ１の側面Ｓ３に対して傾斜している。第２傾斜面Ｕ４と側面Ｓ３との間隔は、リアクタ１の第２端面Ｓ２側に向かうほど小さくなっている。
　当接面Ｕ３は、リアクタ１の第２端面Ｓ２に当接する。当接面Ｕ３は、環状に形成される。図１０に示す位置決め構造では、リアクタ１の第２端面Ｓ２が当接面Ｕ３に当接することによって、リアクタ１が長手方向において位置決めされている。
　シール部材５２は、環状に形成される。シール部材５２は、リアクタ１のうち第２端部１ｂの側面Ｓ３と、フランジ５１のうち環状凹部Ｕ２の第１傾斜面Ｕ３及び第２傾斜面Ｕ４との間に配置される。シール部材５２は、リアクタ１とフランジ５１との隙間を封止する。シール部材５２としては、例えばＯリングなどを用いることができる。
　また、図１１に示すように、第２封止部５は、フランジ６１、シール部材６２及び押圧部材６３によって構成することができる。
　フランジ６１は、環状部材である。フランジ６１は、ハウジング３の液体燃料排出口３ｂを取り囲むように、ハウジング３の内面Ｔ１に取り付けられる。フランジ６１は、対向面Ｗ１及び当接面Ｗ２を有する。
　対向面Ｗ１は、リアクタ１の側面Ｓ３と対向する。当接面Ｗ２は、リアクタ１の第２端面Ｓ２に当接する。当接面Ｗ２は、環状に形成される。図１１に示す位置決め構造では、リアクタ１の第２端面Ｓ２が当接面Ｗ２に当接することによって、リアクタ１が長手方向において位置決めされている。
　シール部材６２は、環状に形成される。シール部材６２は、リアクタ１のうち第２端部１ｂの側面Ｓ３と、フランジ６１の対向面Ｗ１との間に配置される。シール部材６２は、リアクタ１とフランジ６１との隙間を封止する。シール部材６２は、所謂グランドパッキンである。シール部材６２は、例えば膨張黒鉛によって構成することができる。シール部材６２は、押圧部材６３によって圧縮される。シール部材６２のシール性は、押圧部材６３の押圧力によって調整することができる。
　押圧部材６３は、締結部材６３ａによってフランジ６１に固定されている。押圧部材６３は、シール部材６２を押圧する。押圧部材６３の押圧力は、締結部材６３ａの締め込み量によって適宜調整することができる。
１　　　リアクタ
２，２ａ～２ｃ　　　分離膜モジュール
３　　　ハウジング
３ａ　　原料ガス供給口
３ｂ　　液体燃料排出口
３ｃ　　掃引ガス供給口
３ｄ　　掃引ガス排出口
５　　　第２封止部
６　　　流れ止め部
４，７，８，９　　　第１封止部
４ａ　　固定部（第１固定部）
４ｂ　　弾性部（第１弾性部）
７ａ　　固定部（第２固定部）
７ｂ　　当接部（第１当接部）
７ｃ　　付勢部
８ａ　　固定部（第３固定部）
８ｂ　　当接部（第２当接部）
９ａ　　固定部（第３固定部）
９ｂ　　当接部（第２当接部）
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　　排出口
２０　　触媒
３０　　分離膜
４０　　第１シール部
５０　　第２シール部

Claims (5)

  1. 　水素及び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に用いられ、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長手方向における前記リアクタの第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長手方向における前記リアクタの第２端部との間を封止する環状の第２封止部と、
    を備え、
    　前記第１封止部は、前記リアクタとともに前記長手方向に変形又は移動可能であり、
    　前記第２封止部は、前記リアクタを前記ハウジングに固定する、
    分離膜モジュール。
  2. 　前記第１封止部は、
    　前記ハウジングの内面に固定される環状の第１固定部と、
    　前記第１固定部及び前記リアクタの第１端面それぞれに当接する環状の弾性部と、
    を有する、
    請求項１に記載の分離膜モジュール。
  3. 　前記第１封止部は、
    　前記ハウジングの内面に固定され、前記リアクタの側面と対向する傾斜面を有する環状の第２固定部と、
    　前記側面に取り付けられ、前記傾斜面と当接する環状の当接部と、
    を有する、
    請求項１に記載の分離膜モジュール。
  4. 　前記リアクタは、
    　前記第１端部側の第１端面に形成された前記原料ガスの流入口と、
    　前記第２端部側の第２端面に形成された前記液体燃料の流出口と、
    を有する、
    請求項１に記載の分離膜モジュール。
  5. 　混合流体から所定成分を分離するために用いられ、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長手方向における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長手方向における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、
    を備え、
    　前記第１封止部は、前記分離フィルタとともに前記長手方向に変形又は移動可能であり、
    　前記第２封止部は、前記分離フィルタを前記ハウジングに固定する、
    分離膜モジュール。
     
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5366712A (en) * 1992-02-07 1994-11-22 Enea-Ente Per Le Nuove Tecnologie, L'energia E L'ambiente Ceramic catalytic membrane reactor for the separation of hydrogen and/or isotopes thereof from fluid feeds
JP2001025629A (ja) * 1999-07-16 2001-01-30 Nissan Motor Co Ltd ガス分離装置
JP2002187706A (ja) * 2000-12-19 2002-07-05 Noritake Co Ltd 高温対応型膜型改質器
WO2015166656A1 (ja) * 2014-04-30 2015-11-05 日本特殊陶業株式会社 分離膜構造体、および分離膜構造体モジュール
JP2019156658A (ja) * 2018-03-08 2019-09-19 Ｊｆｅスチール株式会社 二酸化炭素の再利用方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5366712A (en) * 1992-02-07 1994-11-22 Enea-Ente Per Le Nuove Tecnologie, L'energia E L'ambiente Ceramic catalytic membrane reactor for the separation of hydrogen and/or isotopes thereof from fluid feeds
JP2001025629A (ja) * 1999-07-16 2001-01-30 Nissan Motor Co Ltd ガス分離装置
JP2002187706A (ja) * 2000-12-19 2002-07-05 Noritake Co Ltd 高温対応型膜型改質器
WO2015166656A1 (ja) * 2014-04-30 2015-11-05 日本特殊陶業株式会社 分離膜構造体、および分離膜構造体モジュール
JP2019156658A (ja) * 2018-03-08 2019-09-19 Ｊｆｅスチール株式会社 二酸化炭素の再利用方法

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