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JP7797193B2 - Reactor and liquid fuel synthesis method - Google Patents
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JP7797193B2 - Reactor and liquid fuel synthesis method - Google Patents

Reactor and liquid fuel synthesis method

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JP7797193B2 JP2021208345A JP2021208345A JP7797193B2 JP 7797193 B2 JP7797193 B2 JP 7797193B2 JP 2021208345 A JP2021208345 A JP 2021208345A JP 2021208345 A JP2021208345 A JP 2021208345A JP 7797193 B2 JP7797193 B2 JP 7797193B2
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Description

本発明は、リアクタ及び液体燃料合成方法に関する。 The present invention relates to a reactor and a method for synthesizing liquid fuel.

近年、水素及び二酸化炭素を含有する原料ガスからメタノールやエタノールなどの液体燃料(具体的には、常温常圧下で液体状態の燃料)への転化反応において、副生成物であ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。 In recent years, reactors have been developed that can improve the efficiency of the conversion reaction from feed gases containing hydrogen and carbon dioxide to liquid fuels such as methanol and ethanol (specifically, fuels that are liquid at room temperature and pressure) by separating the by-product water vapor.

例えば、特許文献1には、水蒸気分離膜と、水蒸気分離膜の非透過側に設けられ、触媒が配置される第1流路と、水蒸気分離膜の透過側に設けられる第2流路とを備えるリアクタが開示されている。第1流路には、原料ガスが供給される。第2流路には、水蒸気分離膜を透過した水蒸気を掃引するための掃引ガスが供給される。第2流路を流れる掃引ガスによって、水蒸気を取り込みながら反応熱を吸収できるため、平衡シフト効果によって転化効率を向上させることができる。 For example, Patent Document 1 discloses a reactor comprising a water vapor separation membrane, a first flow path provided on the non-permeation side of the water vapor separation membrane and in which a catalyst is disposed, and a second flow path provided on the permeation side of the water vapor separation membrane. A raw material gas is supplied to the first flow path. A sweep gas is supplied to the second flow path for sweeping up the water vapor that has permeated the water vapor separation membrane. The sweep gas flowing through the second flow path absorbs reaction heat while taking in water vapor, thereby improving conversion efficiency through an equilibrium shift effect.

特開2018-8940号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-8940

ここで、特許文献1に記載のリアクタでは、第2流路を流れる掃引ガスの向きが第1流路を流れる原料ガスの向きと同じであるため、第1流路の上流域に配置された触媒を掃引ガスで冷却することができる。そのため、第1流路の上流域では触媒が熱劣化することを抑制できる。 In the reactor described in Patent Document 1, the direction of the sweep gas flowing through the second flow path is the same as the direction of the raw material gas flowing through the first flow path, so the catalyst located in the upstream region of the first flow path can be cooled by the sweep gas. This makes it possible to prevent thermal degradation of the catalyst in the upstream region of the first flow path.

一方で、第2流路の下流域では掃引ガスに含まれる水蒸気量が多くなるところ、第2流路を流れる掃引ガスの向きが第1流路を流れる原料ガスの向きと同じであるため、第1流路の下流域から第2流路の下流域へ水蒸気をスムーズに移動させることができない。そのため、第1流路の下流域では転化効率が低い。 On the other hand, while the amount of water vapor contained in the sweep gas increases in the downstream region of the second flow path, the direction of the sweep gas flowing through the second flow path is the same as the direction of the raw material gas flowing through the first flow path, so the water vapor cannot be smoothly transferred from the downstream region of the first flow path to the downstream region of the second flow path. As a result, the conversion efficiency is low in the downstream region of the first flow path.

本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、触媒の熱劣化の抑制と転化効率の向上とを両立可能なリアクタ及び液体燃料合成方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to provide a reactor and liquid fuel synthesis method that can simultaneously suppress thermal degradation of the catalyst and improve conversion efficiency.

本発明に係るリアクタは、水蒸気分離膜と、第1流路と、第2流路と、触媒とを備える。水蒸気分離膜は、少なくとも水素及び二酸化炭素を含有する原料ガスから液体燃料への転化反応における副生成物である水蒸気を透過させる。第1流路は、水蒸気分離膜の非透過側に設けられる。第1流路には原料ガスが流れる。第2流路は、水蒸気分離膜の透過側に設けられる。第2流路には、水蒸気分離膜を透過した水蒸気を掃引するための掃引ガスが流れる。触媒は、第1流路に配置され、原料ガスから液体燃料への転化反応を進行させる。第2流路は、第2流路の一端である第1流入口と、第2流路の他端である第2流入口と、第1流入口と第2流入口との間の排出口とを有する。 The reactor according to the present invention comprises a water vapor separation membrane, a first flow path, a second flow path, and a catalyst. The water vapor separation membrane allows water vapor, a by-product of the conversion reaction from a feed gas containing at least hydrogen and carbon dioxide to liquid fuel, to pass through. The first flow path is provided on the non-permeation side of the water vapor separation membrane. The feed gas flows through the first flow path. The second flow path is provided on the permeation side of the water vapor separation membrane. A sweep gas flows through the second flow path to sweep up the water vapor that has permeated the water vapor separation membrane. The catalyst is disposed in the first flow path and drives the conversion reaction from the feed gas to liquid fuel. The second flow path has a first inlet at one end of the second flow path, a second inlet at the other end of the second flow path, and an outlet between the first inlet and the second inlet.

本発明によれば、触媒の熱劣化の抑制と転化効率の向上とを両立可能なリアクタ及び液体燃料合成方法を提供することができる。 The present invention provides a reactor and a liquid fuel synthesis method that can simultaneously suppress thermal degradation of the catalyst and improve conversion efficiency.

実施形態に係るリアクタの構成を示す模式図Schematic diagram showing the configuration of a reactor according to an embodiment. 図1のA-A断面図AA cross-sectional view of FIG. 図1のB-B断面図BB cross section of FIG. 図1のC-C断面図1C-C cross section 図2のD-D断面図2. D-D cross-sectional view of FIG. 変形例1に係るリアクタの構成を示す模式図Schematic diagram showing the configuration of a reactor according to Modification 1. 変形例1に係るリアクタの構成を示す模式図Schematic diagram showing the configuration of a reactor according to Modification 1.

次に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the drawings are schematic and the ratios of dimensions may differ from those of the actual product.

(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1のC-C断面図である。図5は、図2のD-D断面図である。
(Reactor 1)
Fig. 1 is a perspective view of the reactor 1. Fig. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A in Fig. 1. Fig. 3 is a cross-sectional view taken along line B-B in Fig. 1. Fig. 4 is a cross-sectional view taken along line C-C in Fig. 1. Fig. 5 is a cross-sectional view taken along line D-D in Fig. 2.

リアクタ1は、原料ガスを液体燃料へ転化させるための所謂メンブレンリアクタである。原料ガスは、少なくとも水素及び二酸化炭素を含有する。原料ガスは、一酸化炭素を含有していてもよい。原料ガスは、いわゆる合成ガス(Syngas)であってもよい。液体燃料は、常温常圧で液体状態の燃料である。液体燃料としては、例えばメタノール、エタノール、C2(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。 The reactor 1 is a so-called membrane reactor for converting a raw material gas into a liquid fuel. The raw material gas contains at least hydrogen and carbon dioxide. The raw material gas may contain carbon monoxide. The raw material gas may be so-called synthesis gas (Syngas). The liquid fuel is a fuel that is in a liquid state at room temperature and pressure. Examples of the liquid fuel include methanol, ethanol, liquid fuels represented by C n H 2(m-2n) (m is an integer less than 90, and n is an integer less than 30), and mixtures thereof.

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。 For example, the reaction equation (1) for synthesizing methanol by catalytic hydrogenation of a raw material gas containing carbon dioxide and hydrogen in the presence of a catalyst is as follows:

CO+3H ⇔ CHOH+HO (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。
CO 2 +3H 2 ⇔ CH 3 OH + H 2 O (1)
The above reaction is an equilibrium reaction, and is preferably carried out under high temperature and pressure (e.g., 180°C or higher, 2 MPa or higher) to increase both the conversion efficiency and the reaction rate. The liquid fuel is in a gaseous state when synthesized, and remains in this state at least until it flows out of the reactor 1. The reactor 1 preferably has heat resistance and pressure resistance suitable for the synthesis conditions of the desired liquid fuel.

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、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。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。 As shown in FIG. 1, the reactor 1 is formed in a monolithic shape. The term "monolith" refers to a shape with multiple holes penetrating in the longitudinal direction, and is a concept that includes honeycomb. The reactor 1 has a first end face S1, a second end face S2, and a side face S3. The first end face S1 is located on the opposite side of the second end face S2. The side face S3 is continuous with the outer edges of the first end face S1 and the second end face S2. In this embodiment, the reactor 1 is formed in a cylindrical shape, but the outer shape of the reactor 1 is not particularly limited.

図1~図5に示すように、リアクタ1は、多孔質支持体10、触媒20、水蒸気分離膜30、第1シール部40及び第2シール部50を備える。 As shown in Figures 1 to 5, the reactor 1 includes a porous support 10, a catalyst 20, a water vapor separation membrane 30, a first seal section 40, and a second seal section 50.

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。 The porous support 10 is a columnar body extending in the longitudinal direction of the reactor 1. The porous support 10 is made of a porous material.

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(Al)、チタニア(TiO)、ムライト(Al・SiO)、セルベン及びコージェライト(MgAlSi18)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もよい。 Examples of porous materials that can be used include ceramic materials, metal materials, and resin materials, with ceramic materials being particularly suitable. Examples of aggregates for ceramic materials include at least one of alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), mullite (Al 2 O 3 SiO 2 ), ceramide, and cordierite (Mg 2 Al 4 Si 5 O 18 ). Examples of inorganic binders for ceramic materials include at least one of titania, mullite, sinterable alumina, silica, glass frit, clay minerals, and sinterable cordierite. However, the ceramic material does not necessarily need to contain an inorganic binder.

図2~図4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。 As shown in Figures 2 to 4, the porous support 10 has a large number of first flow paths 11 and a plurality of second flow paths 12.

各第1流路11は、図5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、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に形成される流入口e1と、第2端面S2に形成される流出口e2とを有する。各第1流路11は、水蒸気分離膜30の非透過側に設けられる。各第1流路11には、原料ガスが流される。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。 As shown in FIG. 5, each first flow path 11 is formed along the longitudinal direction of the reactor 1. Each first flow path 11 is a through-hole. Each first flow path 11 opens to the first end face S1 and the second end face S2 of the reactor 1. Each first flow path 11 has an inlet e1 formed in the first end face S1 and an outlet e2 formed in the second end face S2. Each first flow path 11 is provided on the non-permeation side of the water vapor separation membrane 30. A raw material gas flows through each first flow path 11. A catalyst 20 is disposed within each first flow path 11. The number, position, and shape of the first flow paths 11 can be changed as appropriate.

各第2流路12は、水蒸気分離膜30の透過側に設けられる。各第2流路12には、水蒸気分離膜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。 Each second flow path 12 is provided on the permeation side of the water vapor separation membrane 30. A sweep gas flows through each second flow path 12 to sweep away water vapor that has permeated the water vapor separation membrane 30. The sweep gas can be an inert gas (e.g., nitrogen) or air. The number, position, and shape of the second flow paths 12 can be changed as appropriate.

ここで、各第2流路12は、図2~図4に示すように、複数のセル13、第1流入スリット14、第2流入スリット15及び流出スリット16によって構成される。 Here, as shown in Figures 2 to 4, each second flow path 12 is composed of multiple cells 13, a first inlet slit 14, a second inlet slit 15, and an outlet slit 16.

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5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。 The multiple cells 13 are aligned in a row along the short side of the reactor 1 (the direction perpendicular to the longitudinal direction). As shown in Figure 5, each cell 13 is formed along the longitudinal direction of the reactor 1. Both ends of each cell 13 are sealed by first and second sealing portions 17, 18. The first and second sealing portions 17, 18 can be made of the porous material described above.

第1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の一端部に形成される。リアクタ1の一端部とは、リアクタ1を長手方向に5等分した場合に、原料ガスの流入側の一端から2/5までの部分である。第1流入スリット14は、リアクタ1の短手方向に沿って形成される。第1流入スリット14は、図2に示すように、複数のセル13を貫通する。第1流入スリット14の両端は、側面S3に開口する。第1流入スリット14は、側面S3に形成される一対の第1流入口d1を有する。一対の第1流入口d1は、長手方向における第2流路12の一端である。 As shown in FIG. 1, the first inlet slit 14 is formed at one end of the reactor 1 in the longitudinal direction. This end of the reactor 1 refers to the portion extending from one end of the raw material gas inlet side to 2/5 of the total length when the reactor 1 is divided into five equal parts longitudinally. The first inlet slit 14 is formed along the shorter side of the reactor 1. As shown in FIG. 2, the first inlet slit 14 penetrates multiple cells 13. Both ends of the first inlet slit 14 open to the side surface S3. The first inlet slit 14 has a pair of first inlets d1 formed on the side surface S3. The pair of first inlets d1 is one end of the second flow path 12 in the longitudinal direction.

第2流入スリット15は、図1に示すように、長手方向におけるリアクタ1の他端部に形成される。多孔質支持体10の他端部とは、リアクタ1を長手方向に5等分した場合に、液体燃料の流出側の他端から2/5までの部分である。第2流入スリット15は、リアクタ1の短手方向に沿って形成される。第2流入スリット15は、図3に示すように、複数のセル13を貫通する。第2流入スリット15の両端は、側面S3に開口する。第2流入スリット15は、側面S3に形成される一対の第2流入口d2を有する。一対の第2流入口d2は、長手方向における第2流路12の他端である。 As shown in FIG. 1, the second inlet slit 15 is formed at the other end of the reactor 1 in the longitudinal direction. The other end of the porous support 10 is the portion extending from the other end of the liquid fuel outlet side to 2/5 of the way, when the reactor 1 is divided into 5 equal parts in the longitudinal direction. The second inlet slit 15 is formed along the shorter side of the reactor 1. As shown in FIG. 3, the second inlet slit 15 penetrates multiple cells 13. Both ends of the second inlet slit 15 open to the side surface S3. The second inlet slit 15 has a pair of second inlets d2 formed in the side surface S3. The pair of second inlets d2 are the other ends of the second flow paths 12 in the longitudinal direction.

流出スリット16は、図1に示すように、長手方向におけるリアクタ1の中間部に形成される。多孔質支持体10の中間部とは、リアクタ1の側面視における第1流入スリット14と第2流入スリット15との間の部分である。流出スリット16は、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16は、図4に示すように、複数のセルa1を貫通する。流出スリット16の両端は、側面S3に開口する。流出スリット16は、側面S3に形成される一対の排出口d3を有する。一対の排出口d3は、長手方向において一対の第1流入口d1と一対の第2流入口d2との間に位置する。 As shown in FIG. 1, the outlet slit 16 is formed in the middle of the reactor 1 in the longitudinal direction. The middle of the porous support 10 is the portion between the first inlet slit 14 and the second inlet slit 15 in a side view of the reactor 1. The outlet slit 16 is formed along the short direction of the reactor 1. As shown in FIG. 4, the outlet slit 16 penetrates multiple cells a1. Both ends of the outlet slit 16 open to the side surface S3. The outlet slit 16 has a pair of outlets d3 formed in the side surface S3. The pair of outlets d3 are located between the pair of first inlets d1 and the pair of second inlets d2 in the longitudinal direction.

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、水蒸気分離膜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進行させる。 The catalyst 20 is disposed within each first flow path 11. The catalyst 20 is preferably packed into each first flow path 11, but may also be disposed in the form of a layer on the surface of the water vapor separation membrane 30. The catalyst 20 promotes the conversion reaction from the feed gas to liquid fuel, as shown in formula (1) above.

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。 The catalyst 20 can be any known catalyst suitable for the desired conversion reaction to liquid fuel. Examples of catalysts 20 include metal catalysts (copper, palladium, etc.), oxide catalysts (zinc oxide, zirconia, gallium oxide, etc.), and composite catalysts of these (copper-zinc oxide, copper-zinc oxide-alumina, copper-zinc oxide-chromium oxide-alumina, copper-cobalt-titania, and catalysts modified with palladium, etc.).

水蒸気分離膜30は、多孔質支持体10によって支持される。水蒸気分離膜30は、第1流路11を取り囲む。水蒸気分離膜30は、第1流路11と第2流路12との間に配置される。 The water vapor separation membrane 30 is supported by the porous support 10. The water vapor separation membrane 30 surrounds the first flow path 11. The water vapor separation membrane 30 is disposed between the first flow path 11 and the second flow path 12.

水蒸気分離膜30は、原料ガスから液体燃料への転化反応の副生成物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。 The water vapor separation membrane 30 allows water vapor, a by-product of the conversion reaction from feed gas to liquid fuel, to pass through. This allows the equilibrium shift effect to be utilized to shift the reaction equilibrium of the above formula (1) toward the product side.

水蒸気分離膜30は、100nmol/(s・Pa・m)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。 The water vapor 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)).

水蒸気分離膜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。 The water vapor separation membrane 30 preferably has a separation factor of 100 or greater. The larger the separation factor, the easier it is for water vapor to permeate and the less permeable it is for components other than water vapor (such as hydrogen, carbon dioxide, and liquid fuel). The separation factor can be determined using known methods (see Fig. 1 in "Separation and Purification Technology 239 (2020) 116533").

水蒸気分離膜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。 An inorganic membrane can be used as the water vapor separation membrane 30. Inorganic membranes are preferred because they are heat-resistant, pressure-resistant, and water vapor-resistant. Examples of inorganic membranes include zeolite membranes, silica membranes, alumina membranes, and composite membranes of these. In particular, LTA-type zeolite membranes, which have a molar ratio (Si/Al) of silicon (Si) to aluminum (Al) of 1.0 or more and 3.0 or less, are preferred because of their excellent water vapor permeability.

第1シール部40は、図1に示すように、多孔質支持体10の一端面を覆う。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5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。 As shown in FIG. 1, the first sealing portion 40 covers one end surface of the porous support body 10. The first sealing portion 40 prevents the source gas from entering the porous support body 10. As shown in FIG. 5, the first sealing portion 40 is formed so as not to block the inlet e1 of the first flow path 11. The first sealing portion 40 covers the first plugging portion 17. The first sealing portion 40 can be made of glass, metal, rubber, resin, etc.

第2シール部50は、図1に示すように、多孔質支持体10の他端面を覆う。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5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。 As shown in FIG. 1, the second seal portion 50 covers the other end surface of the porous support body 10. The second seal portion 50 prevents liquid fuel from entering the porous support body 10. As shown in FIG. 5, the second seal portion 50 is formed so as not to block the outlet e2 of the first flow path 11. The second seal portion 50 covers the second plugging portion 18. The second seal portion 50 can be made of glass, metal, rubber, resin, etc.

(液体燃料合成方法)
図5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。
(Liquid fuel synthesis method)
A liquid fuel synthesis method using the reactor 1 will be described with reference to FIG.

本実施形態に係る液体燃料合成方法は、水蒸気分離膜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、水蒸気分離膜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。 The liquid fuel synthesis method according to this embodiment includes a step of flowing a feed gas through a first flow path 11 provided on the non-permeation side of the water vapor separation membrane 30, while flowing a sweep gas through a second flow path 12 provided on the permeation side of the water vapor separation membrane 30.

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、液体燃料が合成されるとともに副生成物である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。副生成物である水蒸気は、水蒸気分離膜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。 The raw material gas flows into the first flow path 11 through the inlet e1 of the first flow path 11. Within the first flow path 11, liquid fuel is synthesized according to the above formula (1), and water vapor, a by-product, is generated. The synthesized liquid fuel flows out through the outlet e2 of the first flow path 11. The by-product water vapor sequentially permeates the water vapor separation membrane 30 and the porous support 10, and moves to the second flow path 12.

掃引ガスは、第2流路12の両端から流入した後、第2流路12の中間から流出する。具体的には、次の通りである。まず、掃引ガスは、第1流入スリット14の第1流入口d1及び第2流入スリット15の第2流入口d2それぞれから流入し、第1流入スリット14及び第2流入スリット15それぞれからセル13に流入する。次に、第1流入スリット14からセル13に流入した掃引ガスは、副生成物である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16側に向かってセル13内を流れる。また、第2流入スリット15からセル13に流入した掃引ガスは、副生成物である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16側に向かってセル13内を流れる。また、第1流入スリット14及び第2流入スリット15それぞれから流出スリット16に到達した掃引ガスは、流出スリット16の排出口d3から排出される。 The sweep gas flows into both ends of the second flow path 12 and then flows out from the middle of the second flow path 12. Specifically, the sweep gas flows into the cell 13 through the first inlet d1 of the first inlet slit 14 and the second inlet d2 of the second inlet slit 15. The sweep gas then flows into the cell 13 through the first inlet slit 14 and the second inlet slit 15. The sweep gas then flows into the cell 13 through the first inlet slit 14, absorbing the by-product water vapor and the heat of reaction generated by the conversion reaction. The sweep gas then flows into the cell 13 through the second inlet slit 15, absorbing the by-product water vapor and the heat of reaction generated by the conversion reaction. The sweep gas then reaches the outlet slit 16 through the first inlet slit 14 and the second inlet slit 15 and is discharged from the outlet d3 of the outlet slit 16.

このように、第2流路12の第1流入口d1と第2流入口d2との間に排出口d3を位置させることによって、第2流路12の両端から流入する掃引ガスを第2流路12の中間から流出させることができる。これによって、図5に示すように、第1流入口d1と排出口d3との間では原料ガスと掃引ガスとを平行な向き(すなわち、同じ向き)に流すとともに、第2流入口d2と排出口d3との間では原料ガスと掃引ガスとを対向する向き(すなわち、逆向き)に流すことができる。 In this way, by positioning the outlet d3 between the first inlet d1 and the second inlet d2 of the second flow path 12, the sweep gas flowing in from both ends of the second flow path 12 can be discharged from the middle of the second flow path 12. As a result, as shown in FIG. 5, the raw material gas and the sweep gas can flow in parallel directions (i.e., in the same direction) between the first inlet d1 and the outlet d3, and the raw material gas and the sweep gas can flow in opposing directions (i.e., opposite directions) between the second inlet d2 and the outlet d3.

従って、第2流路12のうち第1流入口d1と排出口d3との間には比較的低温の掃引ガスが流れるため、第1流路11の上流域に配置された触媒を掃引ガスで冷却することができる。そのため、第1流路11の上流域では触媒が熱劣化することを抑制できる。また、第2流路12のうち第2流入口d2と排出口d3との間では水蒸気を効率的に除去できるため、第1流路11のうち液体燃料の流出側の領域から第2流路12へ水蒸気をスムーズに移動させることで転化効率を向上できる。従って、本実施形態に係るリアクタ1によれば、触媒の熱劣化の抑制と転化効率の向上とを両立させることができる。 As a result, a relatively low-temperature sweep gas flows between the first inlet d1 and the outlet d3 of the second flow path 12, allowing the catalyst located in the upstream region of the first flow path 11 to be cooled by the sweep gas. This prevents thermal degradation of the catalyst in the upstream region of the first flow path 11. Furthermore, water vapor can be efficiently removed between the second inlet d2 and the outlet d3 of the second flow path 12, allowing water vapor to move smoothly from the liquid fuel outlet region of the first flow path 11 to the second flow path 12, improving conversion efficiency. Therefore, the reactor 1 according to this embodiment can simultaneously prevent thermal degradation of the catalyst and improve conversion efficiency.

なお、第1流路11において原料ガスが流れる向きとは、第1流路11のうち原料ガス源に近い側を上流とし、原料ガス源から遠い側を下流とした場合に、上流から下流に向かう向きを意味する。また、第2流路12において掃引ガスが流れる向きとは、第2流路12のうち掃引ガス源に近い側を上流とし、掃引ガス源から遠い側を下流とした場合に、上流から下流に向かう向きを意味する。 The flow direction of the raw material gas in the first flow path 11 refers to the direction from upstream to downstream, where the side of the first flow path 11 closer to the raw material gas source is defined as the upstream side and the side farther from the raw material gas source is defined as the downstream side. The flow direction of the sweep gas in the second flow path 12 refers to the direction from upstream to downstream, where the side of the second flow path 12 closer to the sweep gas source is defined as the upstream side and the side farther from the sweep gas source is defined as the downstream side.

(実施形態の変形例)
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
(Modification of the embodiment)
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible without departing from the gist of the invention.

(変形例1)
上記実施形態では、本発明に係るリアクタとしてモノリス型のリアクタ1を例に挙げて説明したが、リアクタの形態はこれに限られない。本発明に係るリアクタは、例えば、筒型のリアクタであってもよい。
(Variation 1)
In the above embodiment, the monolithic reactor 1 has been described as an example of the reactor according to the present invention, but the reactor configuration is not limited to this. The reactor according to the present invention may be, for example, a cylindrical reactor.

図6は、筒型のリアクタ100の長手方向に沿った断面図である。リアクタ100は、筒状の水蒸気分離膜101と、水蒸気分離膜101の内側(非透過側)に設けられ、原料ガスが流れる第1流路102と、水蒸気分離膜101の外側(透過側)に設けられ、掃引ガスが流れる第2流路103と、第1流路102に配置された触媒102aとを備える。第2流路103は、一端である第1流入口104と、他端である第2流入口105と、これらの間の排出口106とを有する。このような筒型のリアクタ100であっても、第2流路103の両端から流入した掃引ガスを第2流路103の中間から流出させることができる。 Figure 6 is a longitudinal cross-sectional view of a cylindrical reactor 100. The reactor 100 comprises a cylindrical water vapor separation membrane 101, a first flow path 102 provided on the inside (non-permeation side) of the water vapor separation membrane 101 and through which a raw material gas flows, a second flow path 103 provided on the outside (permeation side) of the water vapor separation membrane 101 and through which a sweep gas flows, and a catalyst 102a disposed in the first flow path 102. The second flow path 103 has a first inlet 104 at one end, a second inlet 105 at the other end, and an outlet 106 between them. Even with this cylindrical reactor 100, the sweep gas flowing in from both ends of the second flow path 103 can be discharged from the middle of the second flow path 103.

なお、図6に示すように、筒状の水蒸気分離膜101は、筒状の多孔質支持体107によって支持されている。水蒸気分離膜101は、多孔質支持体107の内周面上及び外周面上のいずれに配置されてもよいが、原料ガスの全圧と掃引ガスの全圧とに差がある場合には、図6に示すように多孔質支持体107の内周面上に配置されることが好ましい。これによって、水蒸気分離膜101に割れが生じることを抑制できる。 As shown in Figure 6, the tubular water vapor separation membrane 101 is supported by a tubular porous support 107. The water vapor separation membrane 101 may be disposed on either the inner or outer circumferential surface of the porous support 107. However, when there is a difference between the total pressure of the feed gas and the total pressure of the sweep gas, it is preferable to dispose the membrane on the inner circumferential surface of the porous support 107, as shown in Figure 6. This can prevent cracks from occurring in the water vapor separation membrane 101.

図7は、筒型のリアクタ200の長手方向に沿った断面図である。リアクタ200は、筒状の水蒸気分離膜201と、水蒸気分離膜201の外側(非透過側)に設けられ、原料ガスが流れる第1流路202と、水蒸気分離膜201の内側(透過側)に設けられ、掃引ガスが流れる第2流路203と、第1流路202に配置された触媒202aとを備える。第2流路203は、一端である第1流入口204と、他端である第2流入口205と、これらの間の排出口206とを有する。このような筒型のリアクタ200であっても、第2流路203の両端から流入した掃引ガスを第2流路203の中間から流出させることができる。 Figure 7 is a longitudinal cross-sectional view of a cylindrical reactor 200. The reactor 200 comprises a cylindrical water vapor separation membrane 201, a first flow path 202 provided on the outside (non-permeation side) of the water vapor separation membrane 201 and through which a raw material gas flows, a second flow path 203 provided on the inside (permeation side) of the water vapor separation membrane 201 and through which a sweep gas flows, and a catalyst 202a disposed in the first flow path 202. The second flow path 203 has a first inlet 204 at one end, a second inlet 205 at the other end, and an outlet 206 between them. Even with this cylindrical reactor 200, the sweep gas flowing in from both ends of the second flow path 203 can be discharged from the middle of the second flow path 203.

なお、図7に示すように、筒状の水蒸気分離膜201は、筒状の多孔質支持体207によって支持されている。水蒸気分離膜201は、多孔質支持体207の内周面上及び外周面上のいずれに配置されてもよいが、原料ガスの全圧と掃引ガスの全圧とに差がある場合には、図7に示すように多孔質支持体207の外周面上に配置されることが好ましい。これによって、水蒸気分離膜201に割れが生じることを抑制できる。 As shown in Figure 7, the tubular water vapor separation membrane 201 is supported by a tubular porous support 207. The water vapor separation membrane 201 may be disposed on either the inner or outer peripheral surface of the porous support 207; however, when there is a difference between the total pressure of the feed gas and the total pressure of the sweep gas, it is preferable to dispose the membrane on the outer peripheral surface of the porous support 207, as shown in Figure 7. This can prevent cracks from occurring in the water vapor separation membrane 201.

(変形例2)
上記実施形態では、本発明に係るリアクタとしてモノリス型のリアクタ1を例に挙げて説明したが、リアクタ1の構成は適宜変更可能である。例えば、第2流路12は、一対の第1流入口d1、一対の第2流入口d2及び一対の排出口d3を有することとしたが、これらの数及び位置は適宜変更可能である。
(Variation 2)
In the above embodiment, the monolithic reactor 1 has been described as an example of the reactor according to the present invention, but it is possible to appropriately change the configuration of the reactor 1. For example, the second flow path 12 has a pair of first inlets d1, a pair of second inlets d2, and a pair of outlets d3, but the number and positions of these can be appropriately changed.

(変形例3)
上記実施形態において、第1流入スリット14は、リアクタ1の一端部(原料ガスの流入側の一端から2/5までの部分)に形成されることとしたが、第1流入スリット14の少なくとも一部がリアクタ1の一端部に形成されていればよい。同様に、第2流入スリット15は、リアクタ1の他端部(液体燃料の流出側の他端から2/5までの部分)に形成されることとしたが、第2流入スリット15の少なくとも一部がリアクタ1の他端部に形成されていればよい。ただし、第1流入スリット14及び第2流入スリット15の一方又は両方の少なくとも一部が、リアクタ1の端から1/5までの部分に形成されていることが好ましい。これによって掃引ガスの流通範囲を広くすることができるため、より広い範囲にわたって触媒の熱劣化の抑制や転化効率の向上を図ることができる。
(Variation 3)
In the above embodiment, the first inlet slit 14 is formed at one end of the reactor 1 (a portion extending from one end to two-fifths of the way up the reactor 1 from the inlet side of the raw material gas), but it is sufficient that at least a portion of the first inlet slit 14 is formed at one end of the reactor 1. Similarly, the second inlet slit 15 is formed at the other end of the reactor 1 (a portion extending from the other end to two-fifths of the way up the reactor 1 from the outlet side of the liquid fuel), but it is sufficient that at least a portion of the second inlet slit 15 is formed at the other end of the reactor 1. However, it is preferable that at least a portion of one or both of the first inlet slit 14 and the second inlet slit 15 is formed at one-fifth of the way up the reactor 1 from the end. This widens the flow range of the sweep gas, thereby suppressing thermal degradation of the catalyst and improving conversion efficiency over a wider range.

1 リアクタ
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 第1流入スリット
d1 第1流入口
15 第2流入スリット
d2 第2流入口
16 流出スリット
d3 排出口
17 第1目封止部
18 第2目封止部
20 触媒
30 水蒸気分離膜
40 第1シール部
50 第2シール部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reactor 10 Porous support 11 First flow path e1 Inlet e2 Outlet 12 Second flow path 13 Cell 14 First inlet slit d1 First inlet 15 Second inlet slit d2 Second inlet 16 Outlet slit d3 Outlet 17 First plugging portion 18 Second plugging portion 20 Catalyst 30 Water vapor separation membrane 40 First seal portion 50 Second seal portion

Claims (2)

少なくとも水素及び二酸化炭素を含有する原料ガスから液体燃料への転化反応における副生成物である水蒸気を透過させる水蒸気分離膜と、
前記水蒸気分離膜の非透過側に設けられ、前記原料ガスが流れる第1流路と、
前記水蒸気分離膜の透過側に設けられ、前記水蒸気分離膜を透過した水蒸気を掃引するための掃引ガスが流れる第2流路と、
前記第1流路に配置され、前記転化反応を進行させる触媒と、
を備え、
前記第2流路は、
前記第2流路の一端である第1流入口と、
前記第2流路の他端である第2流入口と、
前記第1流入口と前記第2流入口との間の排出口と、
を有し、
前記第1流入口と前記排出口との間では、前記原料ガスと前記掃引ガスとが同じ向きに流れ、
前記第2流入口と前記排出口との間では、前記原料ガスと前記掃引ガスとが逆向きに流れる、
モノリス型リアクタ。
a water vapor separation membrane that allows permeation of water vapor, which is a by-product of a conversion reaction from a feed gas containing at least hydrogen and carbon dioxide to a liquid fuel;
a first flow path provided on the non-permeation side of the water vapor separation membrane and through which the raw material gas flows;
a second flow path provided on the permeation side of the water vapor separation membrane, through which a sweep gas flows for sweeping the water vapor that has permeated the water vapor separation membrane;
a catalyst disposed in the first flow path to promote the conversion reaction;
Equipped with
The second flow path is
a first inlet at one end of the second flow path;
a second inlet at the other end of the second flow path;
an outlet between the first inlet and the second inlet;
and
the source gas and the sweep gas flow in the same direction between the first inlet and the outlet;
the source gas and the sweep gas flow in opposite directions between the second inlet and the outlet;
Monolithic reactor.
少なくとも水素及び二酸化炭素を含有する原料ガスから液体燃料への転化反応における副生成物である水蒸気を透過させる水蒸気分離膜を備えるモノリス型リアクタを用いた液体燃料合成方法であって、
前記水蒸気分離膜の非透過側に設けられる第1流路には、前記転化反応を進行させる触媒が配置されており、
前記水蒸気分離膜の透過側に設けられる第2流路は、前記第2流路の一端である第1流入口と、前記第2流路の他端である第2流入口と、前記第1流入口と前記第2流入口との間の排出口とを有し、
前記第1流路に前記原料ガスを流しながら、前記第2流路に掃引ガスを流す工程を備え、
前記掃引ガスは、前記第2流路の両端から流入した後、前記第2流路の中間から流出し、
前記第1流入口と前記排出口との間では、前記原料ガスと前記掃引ガスとが同じ向きに流れ、
前記第2流入口と前記排出口との間では、前記原料ガスと前記掃引ガスとが逆向きに流れる、
液体燃料合成方法。
A method for synthesizing a liquid fuel using a monolith reactor equipped with a water vapor separation membrane that allows permeation of water vapor, which is a by-product of a conversion reaction from a feed gas containing at least hydrogen and carbon dioxide to a liquid fuel, comprising:
a catalyst for promoting the conversion reaction is disposed in a first flow path provided on the non-permeation side of the water vapor separation membrane;
a second flow path provided on the permeation side of the water vapor separation membrane includes a first inlet at one end of the second flow path, a second inlet at the other end of the second flow path, and an outlet between the first inlet and the second inlet,
a step of flowing a sweep gas through the second flow path while flowing the source gas through the first flow path,
the sweep gas flows into both ends of the second flow passage and then flows out from the middle of the second flow passage;
the source gas and the sweep gas flow in the same direction between the first inlet and the outlet;
the source gas and the sweep gas flow in opposite directions between the second inlet and the outlet;
Liquid fuel synthesis method.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019156658A (en) 2018-03-08 2019-09-19 Jfeスチール株式会社 Method for recycling carbon dioxide
JP2020132439A (en) 2019-02-13 2020-08-31 Jfeスチール株式会社 Hydrogen gas manufacturing method and manufacturing equipment line

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3337572A1 (en) * 1983-10-15 1985-04-25 Linde Ag, 6200 Wiesbaden METHOD AND DEVICE FOR SEPARATING A COMPONENT FROM A GAS MIXTURE
JPS60261527A (en) * 1984-06-07 1985-12-24 Teijin Ltd Gas permeating cell
JP4860851B2 (en) * 2001-09-19 2012-01-25 日本碍子株式会社 Zeolite laminated composite and zeolite membrane reactor using the same
JP2007055970A (en) * 2005-08-26 2007-03-08 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd Methanol production reactor and methanol production method

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019156658A (en) 2018-03-08 2019-09-19 Jfeスチール株式会社 Method for recycling carbon dioxide
JP2020132439A (en) 2019-02-13 2020-08-31 Jfeスチール株式会社 Hydrogen gas manufacturing method and manufacturing equipment line

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