JP7823635B2 - Methane production equipment - Google Patents
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Description
本発明は、メタン製造装置に関する。 The present invention relates to a methane production apparatus.
特許文献１には、水素と二酸化炭素から構成される原料ガスを直列で接続された第１反応器と第２反応器に通すことでメタンを製造するメタン製造装置が開示されている。 Patent Document 1 discloses a methane production apparatus that produces methane by passing a feed gas composed of hydrogen and carbon dioxide through a first reactor and a second reactor connected in series.
特許文献１に係る技術では、常温の原料ガスを第１反応器へ、凝縮水を除去するため常温まで冷却した反応ガスを第２反応器に投入しているため、第１反応器及び第２反応器において原料ガスが接触するメタン化触媒において反応に適さない温度域の触媒領域が発生する。特許文献１に係る技術では、高価なメタン化触媒を必要以上に使用しているという課題があった。 In the technology described in Patent Document 1, room-temperature raw material gas is introduced into the first reactor, and reaction gas cooled to room temperature to remove condensed water is introduced into the second reactor. As a result, in the first and second reactors, the methanation catalyst with which the raw material gas comes into contact creates catalyst regions in a temperature range that is not suitable for reaction. The technology described in Patent Document 1 has the problem of using more expensive methanation catalyst than necessary.
本開示は、そのような課題を鑑みることによって、メタン化触媒の量を低減できるメタン製造装置を提供することを目的とする。 In consideration of these issues, the present disclosure aims to provide a methane production device that can reduce the amount of methanation catalyst required.
本開示のメタン製造装置は、水素と二酸化炭素とを含む原料ガスを直列で接続された第１及び第２反応器に通すことでメタンを製造するメタン製造装置であって、前記第１及び第２反応器は、それぞれ、前記原料ガスをメタネーション反応に適した温度まで加熱する加熱部と、メタネーション反応に適した温度に保たれる触媒によって、前記原料ガスをメタネーション反応させる反応部と、前記原料ガスからメタネーション反応によって生成された反応ガスを前記反応ガスから水が凝縮される温度まで冷却する冷却部と、前記加熱部、前記反応部及び前記冷却部を取り囲んだ状態で配置されており、熱媒体が流される流路である熱媒体流路と、を備え、前記加熱部、前記反応部及び前記冷却部は、順に配置されており、前記熱媒体流路に供給された第１温度帯の前記熱媒体は、前記冷却部に対応する領域、前記反応部に対応する領域及び前記加熱部に対応する領域を順に通過するように前記熱媒体流路内を移動し、前記冷却部に対応する領域を通過する際、前記反応ガスとの間で熱交換して前記第１温度帯よりも高い第２温度帯となり、前記反応部に対応する領域を通過する際、前記触媒との間で熱交換して前記第２温度帯よりも高い第３温度帯となり、前記加熱部に対応する領域を通過する際、前記原料ガスとの間で熱交換して前記第３温度帯よりも低く前記第１温度帯よりも高い第４温度帯となる。 The methane production apparatus disclosed herein is a methane production apparatus that produces methane by passing a feed gas containing hydrogen and carbon dioxide through first and second reactors connected in series, and each of the first and second reactors comprises a heating unit that heats the feed gas to a temperature suitable for a methanation reaction, a reaction unit that methanates the feed gas using a catalyst maintained at a temperature suitable for the methanation reaction, a cooling unit that cools the reaction gas generated from the feed gas by the methanation reaction to a temperature at which water condenses from the reaction gas, and a heat transfer medium flow path that is disposed in a state surrounding the heating unit, the reaction unit, and the cooling unit and is a flow path through which a heat transfer medium flows. The heating section, the reaction section, and the cooling section are arranged in this order, and the heat medium in the first temperature zone supplied to the heat medium flow path moves within the heat medium flow path, passing sequentially through the region corresponding to the cooling section, the region corresponding to the reaction section, and the region corresponding to the heating section. As it passes through the region corresponding to the cooling section, it exchanges heat with the reactant gas and reaches a second temperature zone higher than the first temperature zone. As it passes through the region corresponding to the reaction section, it exchanges heat with the catalyst and reaches a third temperature zone higher than the second temperature zone. As it passes through the region corresponding to the heating section, it exchanges heat with the raw material gas and reaches a fourth temperature zone lower than the third temperature zone and higher than the first temperature zone.
上述のメタン製造装置は、そのような構成により、原料ガスを加熱し、第１反応器及び第２反応器において原料ガスが接触するメタン化触媒において反応に適さない温度域の触媒領域が発生することを防ぐ。そのため、上述のメタン製造装置は、メタン化触媒の量を低減できる。 With this configuration, the above-mentioned methane production apparatus heats the raw material gas and prevents the methanation catalyst with which the raw material gas comes into contact in the first and second reactors from creating a catalyst region in a temperature range unsuitable for reaction. As a result, the above-mentioned methane production apparatus can reduce the amount of methanation catalyst required.
また、本開示のメタン製造装置では、前記第１及び第２反応器は、それぞれ、前記加熱部を取り囲んだ状態で配置されており、前記熱媒体とは別の熱媒体である別熱媒体が流される流路である別熱媒体流路をさらに備え、前記別熱媒体流路に供給された前記別熱媒体は、前記加熱部に対応する領域を通過するように前記熱媒体流路内を移動し、前記加熱部に対応する領域を通過する際、前記原料ガスを加熱し、前記メタン製造装置は、前記原料ガスのメタネーション反応が安定するまで、前記別熱媒体を前記別熱媒体流路に供給する別熱媒体供給部と、前記原料ガスのメタネーション反応が安定した後、前記第１温度帯の前記熱媒体を前記熱媒体流路に供給する熱媒体供給部と、をさらに備える。 In addition, in the methane production apparatus disclosed herein, the first and second reactors are each arranged to surround the heating unit and further include a separate heat medium flow path through which a separate heat medium other than the heat medium flows. The separate heat medium supplied to the separate heat medium flow path moves within the heat medium flow path so as to pass through the area corresponding to the heating unit and heats the feed gas as it passes through the area corresponding to the heating unit. The methane production apparatus further includes a separate heat medium supply unit that supplies the separate heat medium to the separate heat medium flow path until the methanation reaction of the feed gas stabilizes, and a heat medium supply unit that supplies the heat medium in the first temperature range to the heat medium flow path after the methanation reaction of the feed gas stabilizes.
上述のメタン製造装置は、そのような構成により、時間短縮や省エネルギー化も実現できる。 The above-mentioned methane production device, with its configuration, can also reduce time and energy consumption.
また、本開示のメタン製造装置では、前記第１及び第２反応器は、それぞれ、前記加熱部を取り囲んだ状態で配置された導線部を備え、前記メタン製造装置は、前記原料ガスのメタネーション反応が安定するまで、前記導線部を介して前記原料ガスを加熱するヒータ回路と、前記原料ガスのメタネーション反応が安定した後、前記第１温度帯の前記熱媒体を前記熱媒体流路に供給する熱媒体供給部と、をさらに備える。 Furthermore, in the methane production apparatus disclosed herein, the first and second reactors each include a conductor section arranged to surround the heating section, and the methane production apparatus further includes a heater circuit that heats the raw material gas via the conductor section until the methanation reaction of the raw material gas stabilizes, and a heat medium supply section that supplies the heat medium in the first temperature range to the heat medium flow path after the methanation reaction of the raw material gas stabilizes.
上述のメタン製造装置は、そのような構成により、時間短縮や省エネルギー化も実現できる。 The above-mentioned methane production device, with its configuration, can also reduce time and energy consumption.
また、本開示のメタン製造装置は、前記第1反応器で転化されるメタン転化率が前記第２反応器で転化されるメタン転化率よりも高くなるように前記原料ガスの供給量を制御する原料ガス供給源をさらに備える。 The methane production apparatus disclosed herein further includes a raw material gas supply source that controls the amount of the raw material gas supplied so that the methane conversion rate converted in the first reactor is higher than the methane conversion rate converted in the second reactor.
上述のメタン製造装置は、そのような構成により、効率よくメタンを製造することができる。 With this configuration, the methane production device described above can efficiently produce methane.
本開示により、メタン化触媒の量を低減できるメタン製造装置を提供することができる。 This disclosure makes it possible to provide a methane production device that can reduce the amount of methanation catalyst required.
（第１の実施形態）
まず、図１を用いて、第１の実施形態に係るメタン製造装置１の構成について説明する。
図１は、第１の実施形態に係るメタン製造装置１の構成の一例を示す図である。図１に示すように、メタン製造装置１は、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）とからメタン（ＣＨ４）を製造する装置である。メタン製造装置１は、第１反応器１０、第２反応器２０、二酸化炭素供給源３０、流量計３１、水素供給源４０，５０、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）４１，５１、熱媒体供給部６０，７０、流量調節弁６１，７１、別熱媒体供給部８０及びインラインヒータ８１を備える。
(First embodiment)
First, the configuration of a methane production apparatus 1 according to a first embodiment will be described with reference to FIG.
Fig. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a methane production apparatus 1 according to a first embodiment. As shown in Fig. 1, the methane production apparatus 1 is an apparatus that produces methane ( CH4 ) from hydrogen ( H2 ) and carbon dioxide ( CO2 ). The methane production apparatus 1 includes a first reactor 10, a second reactor 20, a carbon dioxide supply source 30, a flow meter 31, hydrogen supply sources 40, 50, mass flow controllers (MFCs) 41, 51, heat medium supply units 60, 70, flow rate control valves 61, 71, a separate heat medium supply unit 80, and an in-line heater 81.
第１反応器１０は、インナーチューブ１１、アウターチューブ１２及び熱媒体流路１３、別熱媒体流路１４を備える。
インナーチューブ１１は、チューブ型の部材である。インナーチューブ１１は、ガス入口部１１１、加熱部１１２、反応部１１３、冷却部１１４、凝縮水排出部１１５及びガス出口部１１６を備える。インナーチューブ１１には、加熱部１１２、反応部１１３及び冷却部１１４がこの順に設けられる。
The first reactor 10 includes an inner tube 11, an outer tube 12, a heat transfer medium flow path 13, and another heat transfer medium flow path 14.
The inner tube 11 is a tube-shaped member and includes a gas inlet section 111, a heating section 112, a reaction section 113, a cooling section 114, a condensed water discharge section 115, and a gas outlet section 116. The heating section 112, the reaction section 113, and the cooling section 114 are provided in this order in the inner tube 11.
ガス入口部１１１は、インナーチューブ１１の一方側の端部に設けられる。ガス入口部１１１には、二酸化炭素供給源３０及び水素供給源４０から配管を介して、常温の原料ガス（ＣＯ２＋４Ｈ２×α）が供給される。第１反応器１０では、メタン転化率α（０．５＜α＜０．９）が設定され、供給される水素量も固定されている。 The gas inlet 111 is provided at one end of the inner tube 11. A room temperature raw material gas (CO 2 + 4H 2 × α) is supplied to the gas inlet 111 via pipes from a carbon dioxide supply source 30 and a hydrogen supply source 40. In the first reactor 10, a methane conversion rate α (0.5<α<0.9) is set, and the amount of hydrogen supplied is also fixed.
加熱部１１２は、原料ガスを原料ガスにおけるメタネーション反応に適した温度（好ましくは１５０℃～２００℃）まで加熱する。
反応部１１３には、メタン化触媒におけるメタネーション反応に適した温度（好ましくは２００℃～３００℃）に保たれるメタン化触媒が充填される。反応部１１３は、当該メタン化触媒によって原料ガスをメタネーション反応させる。メタン化触媒は、例えば、ＲｕやＮｉなどのメタン化触媒性能を有する金属である。メタネーション反応は、ＣＯ２＋４Ｈ２→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ－１６５ＫＪの化学式で示される。
冷却部１１４は、原料ガスからメタネーション反応によって生成された反応ガス（ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２）を反応ガスから水が凝縮されるための温度（好ましくは常温（３０℃））まで冷却する。
The heating unit 112 heats the raw material gas to a temperature (preferably 150° C. to 200° C.) suitable for the methanation reaction in the raw material gas.
The reaction section 113 is filled with a methanation catalyst that is maintained at a temperature (preferably 200°C to 300°C) suitable for the methanation reaction in the methanation catalyst. The reaction section 113 causes the raw material gas to undergo a methanation reaction using the methanation catalyst. The methanation catalyst is a metal that has methanation catalytic properties, such as Ru or Ni. The methanation reaction is represented by the chemical formula CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O-165KJ.
The cooling unit 114 cools the reaction gas (CH 4 +H 2 O +CO 2 ) generated from the raw material gas by the methanation reaction to a temperature (preferably room temperature (30° C.)) at which water is condensed from the reaction gas.
加熱部１１２、反応部１１３及び冷却部１１４は、後述する熱媒体と熱交換する。そのため、加熱部１１２、反応部１１３及び冷却部１１４に対応するインナーチューブ１１の内壁は、熱伝導の高い銅などの材料でできている。また、加熱部１１２、反応部１１３及び冷却部１１４に対応するインナーチューブ１１の内壁は、メッシュ構造を有する。 The heating section 112, reaction section 113, and cooling section 114 exchange heat with a heat medium, which will be described later. Therefore, the inner walls of the inner tube 11 corresponding to the heating section 112, reaction section 113, and cooling section 114 are made of a material with high thermal conductivity, such as copper. In addition, the inner walls of the inner tube 11 corresponding to the heating section 112, reaction section 113, and cooling section 114 have a mesh structure.
凝縮水排出部１１５は、インナーチューブ１１の他方側の端部に設けられる。凝縮水排出部１１５は、反応ガスから凝縮された常温の凝縮水（Ｈ２Ｏ）を溜め、溜められた凝縮水を排出する。
ガス出口部１１６は、インナーチューブ１１の他方側の端部に設けられる。ガス出口部１１６は、反応ガスから水が除去されたガスである反応混合ガス（ＣＨ４＋ＣＯ２）を排出する。排出された反応混合ガスは、配管を介して第２反応器２０に供給される。
The condensed water discharge part 115 is provided at the other end of the inner tube 11. The condensed water discharge part 115 stores condensed water (H 2 O) at room temperature condensed from the reaction gas and discharges the stored condensed water.
The gas outlet 116 is provided at the other end of the inner tube 11. The gas outlet 116 discharges a reaction mixed gas (CH 4 +CO 2 ), which is a gas obtained by removing water from the reaction gas. The discharged reaction mixed gas is supplied to the second reactor 20 via a pipe.
アウターチューブ１２は、チューブ型の部材であり、インナーチューブ１１の外側においてインナーチューブ１１を取り囲むように配置される。アウターチューブ１２は、断熱材でできており、真空断熱を含む断熱手段で外部と内部との熱交換を遮断する構造を有する。 The outer tube 12 is a tubular member that is positioned outside the inner tube 11 so as to surround it. The outer tube 12 is made of a heat insulating material and has a structure that blocks heat exchange between the outside and inside using insulating means, including vacuum insulation.
熱媒体流路１３は、熱媒体が流される流路であり、インナーチューブ１１とアウターチューブ１２との間に設けられる。つまり、熱媒体流路１３は、断熱構造を有する。熱媒体流路１３は、幅が均一な螺旋構造の流路である。熱媒体は、例えばオイルである。熱媒体流路１３の入口は、アウターチューブ１２の他方側の端部においてアウターチューブ１２を貫通するように設けられる。また、熱媒体流路１３の出口は、アウターチューブ１２の一方側の端部においてアウターチューブ１２を貫通するように設けられる。具体的には、熱媒体流路１３は、インナーチューブ１１の加熱部１１２、反応部１１３及び冷却部１１４を取り囲んだ状態で配置されている。 The heat medium flow path 13 is a flow path through which a heat medium flows, and is provided between the inner tube 11 and the outer tube 12. In other words, the heat medium flow path 13 has an insulated structure. The heat medium flow path 13 is a flow path with a uniform width and a spiral structure. The heat medium is, for example, oil. The inlet of the heat medium flow path 13 is provided at the other end of the outer tube 12 so as to penetrate the outer tube 12. The outlet of the heat medium flow path 13 is provided at one end of the outer tube 12 so as to penetrate the outer tube 12. Specifically, the heat medium flow path 13 is arranged to surround the heating section 112, reaction section 113, and cooling section 114 of the inner tube 11.
反応部１１３におけるメタネーション反応が安定するまでのアクティベーション（起動）動作時、熱媒体は、熱媒体流路１３において停止している。そして、反応部１１３におけるメタネーション反応の安定後の通常動作時、熱媒体は、熱媒体供給部６０から配管を介して第１温度帯（常温）で供給開始される。熱媒体は、冷却部１１４に対応する領域、反応部１１３に対応する領域及び加熱部１１２に対応する領域を順に通過するように熱媒体流路１３内を流れる。熱媒体流路１３に供給された第１温度帯の熱媒体は、冷却部１１４に対応する領域を通過する際、反応ガスとの間で熱交換して第１温度帯よりも高い第２温度帯となる。次に、熱媒体は、反応部１１３に対応する領域を通過する際、メタン化触媒との間で熱交換して第２温度帯よりも高い第３温度帯となる。次に、熱媒体は、加熱部１１２に対応する領域を通過する際、原料ガスとの間で熱交換して第３温度帯よりも低く第１温度帯よりも高い第４温度帯となる。その後、熱交換された熱媒体は、熱活用先に供給される。 During activation (start-up) operation until the methanation reaction in the reaction section 113 stabilizes, the heat medium is stopped in the heat medium flow path 13. Then, during normal operation after the methanation reaction in the reaction section 113 stabilizes, the heat medium begins to be supplied from the heat medium supply section 60 via piping at the first temperature zone (room temperature). The heat medium flows through the heat medium flow path 13, passing sequentially through the region corresponding to the cooling section 114, the region corresponding to the reaction section 113, and the region corresponding to the heating section 112. As the heat medium in the first temperature zone supplied to the heat medium flow path 13 passes through the region corresponding to the cooling section 114, it exchanges heat with the reactant gas and reaches a second temperature zone higher than the first temperature zone. Next, as the heat medium passes through the region corresponding to the reaction section 113, it exchanges heat with the methanation catalyst and reaches a third temperature zone higher than the second temperature zone. Next, as the heat medium passes through the region corresponding to the heating section 112, it exchanges heat with the feed gas and reaches a fourth temperature zone lower than the third temperature zone but higher than the first temperature zone. The heat-exchanged heat medium is then supplied to the heat utilization destination.
別熱媒体流路１４は、熱媒体流路１３を流れる熱媒体とは別の熱媒体（以下、別熱媒体）が流される流路であり、インナーチューブ１１とアウターチューブ１２との間に設けられる。別熱媒体流路１４は、例えば螺旋構造の流路である。別熱媒体流路１４は、インナーチューブ１１とアウターチューブ１２との間に熱媒体流路１３と共に２重螺旋構造として設けられる。具体的には、別熱媒体流路１４は、加熱部１１２を取り囲むように配置される。また、別熱媒体流路１４の入口及び出口は、アウターチューブ１２を貫通するように設けられる。 The separate heat medium flow path 14 is a flow path through which a heat medium (hereinafter referred to as the separate heat medium) other than the heat medium flowing through the heat medium flow path 13 flows, and is provided between the inner tube 11 and the outer tube 12. The separate heat medium flow path 14 is, for example, a flow path with a spiral structure. The separate heat medium flow path 14 is provided as a double spiral structure together with the heat medium flow path 13 between the inner tube 11 and the outer tube 12. Specifically, the separate heat medium flow path 14 is arranged so as to surround the heating section 112. Furthermore, the inlet and outlet of the separate heat medium flow path 14 are provided so as to penetrate the outer tube 12.
アクティベーション動作時、別熱媒体は、別熱媒体供給部８０から配管を介して、加熱された状態で別熱媒体流路１４に供給される。別熱媒体は、加熱部１１２に対応する領域を通過する際、原料ガスとの間で熱交換する。その後、熱交換された別熱媒体は、配管を介して第２反応器２０に供給される。通常動作時、別熱媒体供給部８０からの別熱媒体の供給は停止し、別熱媒体は別熱媒体流路１４において停止する。 During activation operation, the separate heat medium is supplied in a heated state from the separate heat medium supply unit 80 via piping to the separate heat medium flow path 14. As the separate heat medium passes through the area corresponding to the heating unit 112, it exchanges heat with the raw material gas. The heat-exchanged separate heat medium is then supplied to the second reactor 20 via piping. During normal operation, the supply of the separate heat medium from the separate heat medium supply unit 80 is stopped, and the separate heat medium is stopped in the separate heat medium flow path 14.
第２反応器２０も、第１反応器１０と同様の構成を備える。第２反応器２０は、インナーチューブ２１、アウターチューブ２２、熱媒体流路２３及び別熱媒体流路２４を備える。また、インナーチューブ２１は、ガス入口部２１１、加熱部２１２、反応部２１３、冷却部２１４、凝縮水排出部２１５及びガス出口部２１６を備える。 The second reactor 20 has a configuration similar to that of the first reactor 10. The second reactor 20 includes an inner tube 21, an outer tube 22, a heat transfer medium flow path 23, and a separate heat transfer medium flow path 24. The inner tube 21 also includes a gas inlet section 211, a heating section 212, a reaction section 213, a cooling section 214, a condensed water discharge section 215, and a gas outlet section 216.
第２反応器２０のインナーチューブ２１、アウターチューブ２２、熱媒体流路２３及び別熱媒体流路２４は、第１反応器１０のインナーチューブ１１、アウターチューブ１２、熱媒体流路１３及び別熱媒体流路１４にそれぞれ対応する。また、第２反応器２０のガス入口部２１１、加熱部２１２、反応部２１３、冷却部２１４、凝縮水排出部２１５及びガス出口部２１６は、第１反応器１０のガス入口部１１１、加熱部１１２、反応部１１３、冷却部１１４、凝縮水排出部１１５及びガス出口部１１６にそれぞれ対応する。 The inner tube 21, outer tube 22, heat transfer medium flow path 23, and separate heat transfer medium flow path 24 of the second reactor 20 correspond to the inner tube 11, outer tube 12, heat transfer medium flow path 13, and separate heat transfer medium flow path 14 of the first reactor 10, respectively. Furthermore, the gas inlet section 211, heating section 212, reaction section 213, cooling section 214, condensed water discharge section 215, and gas outlet section 216 of the second reactor 20 correspond to the gas inlet section 111, heating section 112, reaction section 113, cooling section 114, condensed water discharge section 115, and gas outlet section 116 of the first reactor 10, respectively.
ここで、第２反応器２０では、ガス入口部２１１には、第１反応器１０から配管を介して、常温の反応混合ガス（ＣＨ４＋ＣＯ２）が供給される。また、ガス入口部２１１には、水素供給源５０から配管を介して、常温の原料ガス（４Ｈ２×（１－α））が供給される。第２反応器２０では、メタン転化率（１－α）（０．１＜（１－α）＜０．５）が設定されている。
また、第２反応器２０では、ガス出口部２１６は、反応ガスから水が除去されたメタンガス（ＣＨ４）を排出する。排出されたメタンガスは、配管を介してメタンの利用先に供給される。
また、第２反応器２０では、別熱媒体は、第１反応器１０から配管を介して別熱媒体流路２４に供給される。別熱媒体は、加熱部２１２に対応する領域を通過する際、原料ガスとの間で熱交換する。その後、熱交換された別熱媒体は、配管を介して、別熱媒体供給部８０に戻される。
Here, in the second reactor 20, a room temperature reaction mixed gas (CH 4 +CO 2 ) is supplied to the gas inlet 211 from the first reactor 10 via a pipe. In addition, a room temperature raw material gas (4H 2 × (1-α)) is supplied to the gas inlet 211 from the hydrogen supply source 50 via a pipe. In the second reactor 20, a methane conversion rate (1-α) (0.1<(1-α)<0.5) is set.
Furthermore, in the second reactor 20, methane gas (CH 4 ) obtained by removing water from the reaction gas is discharged from the gas outlet 216. The discharged methane gas is supplied to a destination for using the methane via a pipe.
In the second reactor 20, the separate heat medium is supplied from the first reactor 10 to the separate heat medium flow path 24 via a pipe. The separate heat medium exchanges heat with the raw material gas while passing through a region corresponding to the heating unit 212. Thereafter, the separate heat medium after heat exchange is returned to the separate heat medium supply unit 80 via a pipe.
二酸化炭素供給源３０は、二酸化炭素を含む原料ガスを供給可能な供給源である。また、流量計３１は、二酸化炭素供給源３０から供給される二酸化炭素を含む原料ガスの流量を測定する。水素供給源４０，５０は、水素を含む原料ガスを供給可能な供給源である。ここで、二酸化炭素供給源３０及び水素供給源４０，５０を原料ガス供給源と総称される。ＭＦＣ４１，５１は、それぞれ、水素供給源４０，５０から供給される水素を含む原料ガスの量を調整する。二酸化炭素供給源３０から供給される二酸化炭素及び水素供給源４０から供給される水素を含む原料ガスは、配管を介して第１反応器１０に供給される。また、水素供給源５０から供給される水素を含む原料ガスは、配管を介して第２反応器２０に供給される。 The carbon dioxide supply source 30 is a supply source capable of supplying a feed gas containing carbon dioxide. The flow meter 31 measures the flow rate of the feed gas containing carbon dioxide supplied from the carbon dioxide supply source 30. The hydrogen supply sources 40 and 50 are supply sources capable of supplying a feed gas containing hydrogen. Here, the carbon dioxide supply source 30 and the hydrogen supply sources 40 and 50 are collectively referred to as feed gas supply sources. The MFCs 41 and 51 adjust the amount of the feed gas containing hydrogen supplied from the hydrogen supply sources 40 and 50, respectively. The feed gas containing carbon dioxide supplied from the carbon dioxide supply source 30 and the feed gas containing hydrogen supplied from the hydrogen supply source 40 are supplied to the first reactor 10 via piping. The feed gas containing hydrogen supplied from the hydrogen supply source 50 is supplied to the second reactor 20 via piping.
熱媒体供給部６０，７０は、熱媒体を供給可能な部位ある。熱媒体供給部６０，７０は、例えば、オイルポンプで構成される。熱媒体供給部６０から供給される熱媒体は、配管を介して第１反応器１０に供給され、その後、熱活用先に供給される。また、熱媒体供給部７０から供給される熱媒体は、配管を介して第２反応器２０に供給され、その後、熱活用先に供給される。ここで、熱媒体供給部６０，７０は、別熱媒体供給部８０による第１反応器１０及び第２反応器２０のアクティベーションによってメタネーション反応が開始された後に熱媒体を供給する。また、流量調節弁６１，７１は、それぞれ、熱媒体供給部６０，７０から供給される熱媒体の流量を調節する。具体的には、第１反応器１０には、インナーチューブ１１の内部の温度Ｔ１を計測する熱電対が設けられる。詳細には、第１反応器１０には、原料ガスの温度Ｔ１ｉｎ、メタン化触媒の温度Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、反応ガスの温度Ｔ１ｏｕｔ、のそれぞれを計測する熱電対が設けられる。流量調節弁６１は、温度Ｔ１の計測結果に基づいて、熱媒体の流量を調節する。また、第２反応器２０には、インナーチューブ２１の内部の温度Ｔ２を計測する熱電対が設けられる。詳細には、第２反応器２０には、原料ガスの温度Ｔ２ｉｎ、メタン化触媒の温度Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３、反応ガスの温度Ｔ２ｏｕｔ、のそれぞれを計測する熱電対が設けられる。また、流量調節弁７１は、温度Ｔ２の計測結果に基づいて、熱媒体の流量を調節する。なお、第１反応器１０のメタン化触媒の温度Ｔ１ｎを計測する熱電対の数及び第２反応器２０のメタン化触媒の温度Ｔ２ｎを計測する熱電対の数は、本実施形態の一例に限られない。例えば、第１反応器１０には、メタン化触媒の温度Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３を計測する熱電対の代わりにメタン化触媒の代表の温度Ｔ１を計測する熱電対が設けられていてもよい。また、第２反応器２０に関しても同様である。 The heat medium supply units 60, 70 are portions capable of supplying a heat medium. The heat medium supply units 60, 70 are configured, for example, by oil pumps. The heat medium supplied from the heat medium supply unit 60 is supplied to the first reactor 10 via piping and then supplied to the heat utilization destination. The heat medium supplied from the heat medium supply unit 70 is supplied to the second reactor 20 via piping and then supplied to the heat utilization destination. Here, the heat medium supply units 60, 70 supply the heat medium after the methanation reaction is initiated by activation of the first reactor 10 and the second reactor 20 by the separate heat medium supply unit 80. The flow rate control valves 61, 71 adjust the flow rate of the heat medium supplied from the heat medium supply units 60, 70, respectively. Specifically, the first reactor 10 is provided with a thermocouple that measures the temperature T1 inside the inner tube 11. Specifically, the first reactor 10 is provided with thermocouples that measure the raw material gas temperature T1 in , the methanation catalyst temperatures T1 1 , T1 2 , and T1 3 , and the reactant gas temperature T1 out . The flow rate control valve 61 adjusts the flow rate of the heat transfer medium based on the measurement result of temperature T1. The second reactor 20 is provided with a thermocouple that measures the internal temperature T2 of the inner tube 21. Specifically, the second reactor 20 is provided with thermocouples that measure the raw material gas temperature T2 in , the methanation catalyst temperatures T2 1 , T2 2 , and T2 3 , and the reactant gas temperature T2 out . The flow rate control valve 71 adjusts the flow rate of the heat transfer medium based on the measurement result of temperature T2. The number of thermocouples for measuring the temperature T1n of the methanation catalyst in the first reactor 10 and the number of thermocouples for measuring the temperature T2n of the methanation catalyst in the second reactor 20 are not limited to the example of this embodiment. For example, the first reactor 10 may be provided with a thermocouple for measuring a representative temperature T1 of the methanation catalyst instead of the thermocouples for measuring the temperatures T11 , T12 , and T13 of the methanation catalyst. The same applies to the second reactor 20.
別熱媒体供給部８０は、別熱媒体を供給可能な部位ある。別熱媒体供給部８０は、例えば、オイルポンプで構成される。インラインヒータ８１は、別熱媒体供給部８０から供給される別熱媒体を所定温度（好ましくは２５０～３００℃）まで加熱する。別熱媒体供給部８０から供給される別熱媒体は、配管を介して第１反応器１０に供給される。別熱媒体供給部８０は、第１反応器１０及び第２反応器２０におけるメタネーション反応のアクティベーションの際に、別熱媒体を供給する。そして、別熱媒体供給部８０は、アクティベーションが終わった後、別熱媒体の供給を停止する。 The separate heat medium supply unit 80 is a section capable of supplying a separate heat medium. The separate heat medium supply unit 80 is configured, for example, by an oil pump. The inline heater 81 heats the separate heat medium supplied from the separate heat medium supply unit 80 to a predetermined temperature (preferably 250 to 300°C). The separate heat medium supplied from the separate heat medium supply unit 80 is supplied to the first reactor 10 via piping. The separate heat medium supply unit 80 supplies the separate heat medium during activation of the methanation reaction in the first reactor 10 and the second reactor 20. The separate heat medium supply unit 80 then stops supplying the separate heat medium after activation is complete.
また、上述の第１反応器１０では、メタン転化率の設定値αに基づいて、第１反応器１０で発生する熱量が予測できる。同時に、反応部１１３を通って排出される反応ガスの温度もシミュレーションで予測される。冷却部１１４の伝熱構成（例えば伝熱面積）は、第１反応器１０で発生する熱量及び反応部１１３を通って排出される反応ガスの温度に基づいて計算される。また、加熱部１１２おける熱交換後の熱媒体の温度も予測できる。加熱部１１２の伝熱構成は、熱媒体温度の予想に基づいて計算される。 Furthermore, in the first reactor 10 described above, the amount of heat generated in the first reactor 10 can be predicted based on the set value α of the methane conversion rate. At the same time, the temperature of the reaction gas discharged through the reaction section 113 is also predicted by simulation. The heat transfer configuration (e.g., heat transfer area) of the cooling section 114 is calculated based on the amount of heat generated in the first reactor 10 and the temperature of the reaction gas discharged through the reaction section 113. The temperature of the heat medium after heat exchange in the heating section 112 can also be predicted. The heat transfer configuration of the heating section 112 is calculated based on the predicted heat medium temperature.
上述の第２反応器２０では、メタン転化率（１－α）に応じた水素を加えてメタネーション反応を起こさせることで反応熱量が予測できる。加熱部２１２及び冷却部２１４の伝熱構成は、反応熱量に基づいて設計される。また、第２反応器２０のメタン化触媒の量は、第１反応器１０で生成されたメタンが反応阻害物質に当たるため、そのメタンの量を考慮して決定される。 In the second reactor 20 described above, the amount of reaction heat can be predicted by adding hydrogen according to the methane conversion rate (1-α) to cause a methanation reaction. The heat transfer configuration of the heating section 212 and cooling section 214 is designed based on the amount of reaction heat. Furthermore, the amount of methanation catalyst in the second reactor 20 is determined taking into account the amount of methane produced in the first reactor 10, as this methane acts as a reaction inhibitor.
メタン製造装置１は、第１反応器１０も第２反応器２０でも同様にアクティベーション動作する。メタン製造装置１は、メタネーション反応の安定反応が始まったら、アクティベーション用の別熱媒体流入は停止させる。メタン製造装置１では、必要最低限の熱エネルギーで安定した、且つ短時間での反応開始ができる別熱媒体が選定され、第１反応器１０も第２反応器２０における熱交換の伝熱構成の適正設計がなされる。 The methane production system 1 performs activation operations in the same way in both the first reactor 10 and the second reactor 20. Once the methanation reaction begins to stabilize, the methane production system 1 stops the inflow of the separate heat medium used for activation. In the methane production system 1, a separate heat medium is selected that can initiate a stable reaction in a short time with the minimum amount of thermal energy required, and the heat transfer configuration of the heat exchange in both the first reactor 10 and the second reactor 20 is appropriately designed.
続いて、図１を用いて、第１の実施形態に係るメタン製造装置１の動作について説明する。以下の動作では、メタン製造装置１の第１反応器１０における動作を中心に説明するが、第２反応器２０における動作に関しても第１反応器１０における動作と同様の動作を行う。
＜アクティベーション動作＞
まず、二酸化炭素供給源３０及び水素供給源４０は、処理される量の二酸化炭素と、メタン転化率αに応じた量の水素を含む常温の原料ガスを第１反応器１０のガス入口部１１１に供給する。別熱媒体供給部８０は、インラインヒータ８１によって所定温度（好ましくは２５０～３００℃）に加熱された別熱媒体を第１反応器１０の別熱媒体流路１４に供給する。別熱媒体の供給開始の際、第１反応器１０の熱媒体流路１３内の熱媒体の流れは停止しており、当該熱媒体の温度は常温（３０℃）である。供給される別熱媒体は、第１反応器１０の加熱部１１２に対応する領域を通過し、通過する際に原料ガスと熱交換する。別熱媒体と熱交換された原料ガスは、適温（好ましくは１５０～２００℃程度）まで加熱される。加熱された原料ガスは、反応部１１３のメタン化触媒に触れた場合、すぐ反応適温になるため、メタネーション反応が開始される。
Next, the operation of the methane production apparatus 1 according to the first embodiment will be described with reference to Fig. 1. In the following description, the operation in the first reactor 10 of the methane production apparatus 1 will be mainly described, but the operation in the second reactor 20 is also similar to the operation in the first reactor 10.
<Activation operation>
First, the carbon dioxide supply source 30 and the hydrogen supply source 40 supply room temperature raw material gas containing the amount of carbon dioxide to be treated and the amount of hydrogen corresponding to the methane conversion rate α to the gas inlet 111 of the first reactor 10. The separate heat medium supply unit 80 supplies the separate heat medium heated to a predetermined temperature (preferably 250 to 300°C) by the inline heater 81 to the separate heat medium flow path 14 of the first reactor 10. When the supply of the separate heat medium begins, the flow of the heat medium in the heat medium flow path 13 of the first reactor 10 is stopped, and the temperature of the heat medium is room temperature (30°C). The supplied separate heat medium passes through a region corresponding to the heating unit 112 of the first reactor 10 and exchanges heat with the raw material gas as it passes through. The raw material gas that has exchanged heat with the separate heat medium is heated to an appropriate temperature (preferably about 150 to 200°C). When the heated raw material gas comes into contact with the methanation catalyst in the reaction section 113, the temperature immediately becomes suitable for the reaction, and the methanation reaction begins.
＜通常運転動作＞
次に、第１反応器１０の反応部１１３では、メタネーション反応がメタン化触媒の入口付近で開始される。その後、反応部１１３におけるメタネーション反応の反応熱は、熱媒体流路１３における流れが停止している熱媒体を加熱し、熱媒体における熱伝達と反応ガスによる熱運搬により後方のメタン化触媒を連鎖的に反応適温にする。そうすることによって、メタン化触媒全体での原料ガスのメタネーション反応が開始される。メタネーション反応開始後、熱媒体供給部６０は、熱媒体を第１反応器１０の熱媒体流路１３に供給開始する。ここで、流量調節弁６１は、インナーチューブ１１の内部の温度（原料ガスの温度(Ｔ１ｉｎ)、メタン化触媒の温度（Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３)、反応ガスの温度(Ｔ１ｏｕｔ)）に基づいて、第１反応器１０に供給される熱媒体の流量を制御する。メタネーション反応が安定した場合、別熱媒体供給部８０からのアクティベーション動作用の別熱媒体の供給が停止された場合でも、第１反応器１０自身の反応熱によりメタネーショ反応は継続される。
<Normal operation>
Next, in the reaction section 113 of the first reactor 10, a methanation reaction is initiated near the inlet of the methanation catalyst. Thereafter, the reaction heat of the methanation reaction in the reaction section 113 heats the heat medium whose flow has stopped in the heat medium flow path 13, and the downstream methanation catalyst is brought to an optimum reaction temperature in a chain reaction manner through heat transfer in the heat medium and heat transport by the reactant gas. This initiates the methanation reaction of the feed gas across the entire methanation catalyst. After the methanation reaction has started, the heat medium supplying section 60 begins supplying the heat medium to the heat medium flow path 13 of the first reactor 10. Here, the flow rate control valve 61 controls the flow rate of the heat medium supplied to the first reactor 10 based on the temperature inside the inner tube 11 (the temperature of the feed gas (T1 in ), the temperatures of the methanation catalyst (T1 1 , T1 2 , T1 3 ), and the temperature of the reactant gas (T1 out )). When the methanation reaction is stabilized, even if the supply of the separate heat medium for activation operation from the separate heat medium supply unit 80 is stopped, the methanation reaction continues due to the reaction heat of the first reactor 10 itself.
＜熱媒体の作用＞
熱媒体供給部６０から熱媒体流路１３に供給された常温（３０℃）の熱媒体は、冷却部１１４に対応する領域へと移動し、冷却部１１４における高温（１５０℃）の反応ガスと熱交換する。反応ガスは冷却されて３０℃程となる。一方、熱媒体は、加熱されて８０～１００℃程になる。そのため、反応ガスからは凝縮水が分離される。次に、加熱された熱媒体は、反応部１１３に対応する領域へと移動し、反応部１１３における原料ガスのメタネーション反応の反応熱を奪い、充填されるメタン化触媒の温度を２００～３００℃に保つ。一方、熱媒体は、加熱されて１８０℃程になる。次に、加熱された熱媒体は、加熱部１１２に対応する領域へと移動し、加熱部１１２における原料ガスと熱交換する。この際、原料ガスは、加熱されて常温（３０℃）から１５０℃になる。一方、熱媒体は、冷却されて１８０℃程から１２０℃程になる。そして、熱媒体は、第１反応器１０外に排出され、熱活用先に供給される。このように、第１反応器１０では、外部エネルギーを投入することなく、常温の熱媒体を用いて連続的に必要な熱移動を起こすことができる構造となっている。第１反応器１０より排出された反応混合ガスには、未反応の二酸化炭素（ＣＯ２）の他、大量のメタン（ＣＨ４）が含まれている。また、この反応混合ガスは、常温のため、外部との温度差がなく放熱により熱エネルギーが失われることがない。
<Heat transfer medium action>
The room-temperature (30°C) heat medium supplied from the heat medium supply unit 60 to the heat medium flow path 13 moves to the region corresponding to the cooling unit 114 and exchanges heat with the high-temperature (150°C) reactant gas in the cooling unit 114. The reactant gas is cooled to about 30°C. Meanwhile, the heat medium is heated to about 80 to 100°C. As a result, condensed water is separated from the reactant gas. Next, the heated heat medium moves to the region corresponding to the reaction unit 113 and removes the reaction heat of the methanation reaction of the feed gas in the reaction unit 113, maintaining the temperature of the filled methanation catalyst at 200 to 300°C. Meanwhile, the heat medium is heated to about 180°C. Next, the heated heat medium moves to the region corresponding to the heating unit 112 and exchanges heat with the feed gas in the heating unit 112. At this time, the feed gas is heated from room temperature (30°C) to 150°C. Meanwhile, the heat transfer medium is cooled from about 180°C to about 120°C. The heat transfer medium is then discharged outside the first reactor 10 and supplied to the heat utilization destination. In this way, the first reactor 10 is structured to be able to continuously transfer the necessary heat using a room temperature heat transfer medium without inputting external energy. The reaction mixture gas discharged from the first reactor 10 contains a large amount of methane ( CH4 ) in addition to unreacted carbon dioxide ( CO2 ). Furthermore, because this reaction mixture gas is at room temperature, there is no temperature difference with the outside, and thermal energy is not lost through heat radiation.
＜原料ガスのマネジメント＞
第１反応器１０では、メタネーション反応のメタン転化率αが設定される。第２反応器２０ではメタンがメタネーション反応の阻害物質となるため、第１反応器１０のメタン転化率αが第２反応器２０のメタン転化率１－αよりも高くなるように、αは０．５５～０．８５の間を取ることが好ましい。例えば、α＝０．８と設定した場合、第１反応器１０の出口では、凝縮水の除去後、８０％の生成したメタン（ＣＨ４）と２０％の未反応の二酸化炭素（ＣＯ２）とが残る。そして、第２反応器２０の入口で、残り２０％の水素がさらに供給されて、メタン転化率９８％以上が達成される。
<Feedstock gas management>
In the first reactor 10, a methane conversion rate α of the methanation reaction is set. Because methane acts as an inhibitor of the methanation reaction in the second reactor 20, α is preferably set between 0.55 and 0.85 so that the methane conversion rate α of the first reactor 10 is higher than the methane conversion rate 1-α of the second reactor 20. For example, when α is set to 0.8, after the condensed water is removed, 80% of the produced methane (CH 4 ) and 20% of unreacted carbon dioxide (CO 2 ) remain at the outlet of the first reactor 10. Then, the remaining 20% of hydrogen is further supplied at the inlet of the second reactor 20, achieving a methane conversion rate of 98% or more.
上述したように、本開示のメタン製造装置１は、外部エネルギーなしに熱媒体を常温のまま第１反応器１０及び第２反応器２０に供給するだけで、次の機能を持たせるような構成を備える。（１）反応ガス中から凝縮水を除去できる機能。ここで、除去される水は、常温であるため、放熱等の外部へ熱エネルギーが奪われることがない。（２）メタン化触媒の温度を適温（好ましくは２００～３００℃）に保つことができる機能。（３）原料ガスを適温（好ましくは１００～１５０℃）に加熱してメタン化触媒に供給することでメタン化触媒量を削減することができる機能。また、メタン製造装置１は、上記構成を断熱構造内で実施できる事で、発熱反応であるメタネーション反応の熱エネルギーを全て活用でき、排出後でも熱媒体温度が高音のため別工程での熱利用ができる。 As described above, the methane production apparatus 1 disclosed herein is configured to have the following functions simply by supplying the heat medium at room temperature to the first reactor 10 and the second reactor 20 without external energy: (1) The ability to remove condensed water from the reaction gas. Here, because the water removed is at room temperature, thermal energy is not lost to the outside, such as through heat radiation. (2) The ability to maintain the temperature of the methanation catalyst at an appropriate temperature (preferably 200-300°C). (3) The ability to reduce the amount of methanation catalyst required by heating the feed gas to an appropriate temperature (preferably 100-150°C) and supplying it to the methanation catalyst. Furthermore, because the above configuration can be implemented within an insulated structure, the methane production apparatus 1 can utilize all of the thermal energy from the methanation reaction, which is an exothermic reaction. Since the heat medium temperature remains high even after discharge, the heat can be utilized in another process.
ここで、メタン製造装置１は、第１反応器１０内の温度Ｔ１及び第２反応器２０の温度Ｔ２を用いて、熱媒体の供給量を制御することで、熱媒体の供給量を制御する構成を備える。そのため、メタン製造装置１は、メタン化触媒の温度を適温に保つことができる。 Here, the methane production apparatus 1 is configured to control the amount of heat transfer medium supplied by using the temperature T1 in the first reactor 10 and the temperature T2 in the second reactor 20. Therefore, the methane production apparatus 1 can maintain the temperature of the methanation catalyst at an appropriate temperature.
さらに、メタン製造装置１は、別熱媒体回路により原料ガスを適温に加熱して、メタネーション反応をアクティベートする構成を備える。そのため、メタン製造装置１は、時間短縮や省エネ化もできる。
また、メタン製造装置１の第１反応器１０では、メタン転化率α（０．５＜α＜０．９）が設定され、供給される水素量が固定される。第１反応器１０では、メタン転化率αに応じた熱エネルギー予測に基づいて、加熱部１１２及び冷却部１１４の必要十分な伝熱設計がなされている。また、第２反応器２０では、メタン転化率（１－α）（０．１＜（１－α）＜０．５）が設定され、供給される水素量が固定されている。第２反応器２０では、メタン転化率に応じた熱エネルギー予測に基づいて、加熱部２１２及び冷却部２１４の必要十分な伝熱設計がなされている。
Furthermore, the methane production apparatus 1 is configured to heat the raw material gas to an appropriate temperature using a separate heat medium circuit to activate the methanation reaction, thereby reducing time and energy consumption.
Furthermore, in the first reactor 10 of the methane production apparatus 1, a methane conversion rate α (0.5<α<0.9) is set, and the amount of hydrogen supplied is fixed. In the first reactor 10, necessary and sufficient heat transfer design is performed for the heating section 112 and the cooling section 114 based on a thermal energy prediction corresponding to the methane conversion rate α. In the second reactor 20, a methane conversion rate (1-α) (0.1<(1-α)<0.5) is set, and the amount of hydrogen supplied is fixed. In the second reactor 20, necessary and sufficient heat transfer design is performed for the heating section 212 and the cooling section 214 based on a thermal energy prediction corresponding to the methane conversion rate.
（第２の実施形態）
続いて、図２を用いて、第２の実施形態に係るメタン製造装置２の構成について説明する。図２は、第２の実施形態に係るメタン製造装置２の構成の一例を示す図である。
図２に示すように、メタン製造装置２は、第１の実施形態に係るメタン製造装置１と比較して、次の構成を備える。メタン製造装置２は、第１反応器１０のアクティベーション動作に別熱媒体流路１４を流れる別熱媒体を用いずに、導線部がシースヒータ（ヒータ）によって所定温度（好ましくは２５０～３００℃）に加熱されるシースヒータ回路（ヒータ回路）１５を用いる。つまり、メタン製造装置２は、別熱媒体供給部８０及びインラインヒータ８１を備えていない。また、メタン製造装置２の第１反応器１０は、別熱媒体流路１４を備えていない。シースヒータ回路１５の導線部は、第１反応器１０のインナーチューブ１１とアウターチューブ１２との間の加熱部１１２に対応する領域において、加熱部１１２を取り囲んだ状態で配置され、熱媒体流路１３と共に２重螺旋構造として設けられる。また、メタン製造装置２の第２反応器２０も、第１反応器１０と同様の構成を備える。第２反応器２０のシースヒータ回路２５は、第１反応器１０のシースヒータ回路１５に対応する。
Second Embodiment
Next, the configuration of the methane production apparatus 2 according to the second embodiment will be described with reference to Fig. 2. Fig. 2 is a diagram showing an example of the configuration of the methane production apparatus 2 according to the second embodiment.
As shown in FIG. 2 , the methane production apparatus 2 has the following configuration compared to the methane production apparatus 1 according to the first embodiment. The methane production apparatus 2 does not use a separate heat medium flowing through a separate heat medium flow path 14 for the activation operation of the first reactor 10, but instead uses a sheath heater circuit (heater circuit) 15 in which a conductor portion is heated to a predetermined temperature (preferably 250 to 300°C) by a sheath heater (heater). That is, the methane production apparatus 2 does not include a separate heat medium supply unit 80 or an in-line heater 81. Furthermore, the first reactor 10 of the methane production apparatus 2 does not include a separate heat medium flow path 14. The conductor portion of the sheath heater circuit 15 is disposed in a region corresponding to the heating portion 112 between the inner tube 11 and outer tube 12 of the first reactor 10, surrounding the heating portion 112, and is provided as a double spiral structure together with the heat medium flow path 13. Furthermore, the second reactor 20 of the methane production apparatus 2 also has a configuration similar to that of the first reactor 10. The sheath heater circuit 25 of the second reactor 20 corresponds to the sheath heater circuit 15 of the first reactor 10 .
（第３の実施形態）
続いて、図３を用いて、第３の実施形態に係るメタン製造装置３の構成について説明する。図３は、第３の実施形態に係るメタン製造装置３の構成の一例を示す図である。
図３に示すように、メタン製造装置３は、第１の実施形態に係るメタン製造装置１と比較して、メタネーション反応の処理能力を上げるための次の構成を備える。メタン製造装置３の第１反応器１０は、メタン化触媒によって原料ガスをメタネーション反応させる反応部１１３に対応する領域について、シェルアンドチューブ構造を有する。具体的には、第１反応器１０のインナーチューブ１１は、反応部１１３ｎ（ｎは自然数）を含む複数のチューブ１６ｎを備える。また、インナーチューブ１１は、複数のチューブ１６ｎを取り囲むようにシェル構造を有する。また、インナーチューブ１１は、チューブ１６ｎ周りの原料ガスの流速を安定させるため、チューブ１６ｎの入口付近及び出口付近では、それぞれチャンバー構造を有する。例えば、インナーチューブ１１のチャンバー部分に加熱部１１２及び冷却部１１４が設けられる。また、メタン製造装置３の第２反応器２０も、第１反応器１０と同様の構成を備える。第２反応器２０のチューブ２６ｎは、第１反応器１０のチューブ１６ｎに対応する。
(Third embodiment)
Next, the configuration of the methane production apparatus 3 according to the third embodiment will be described with reference to Fig. 3. Fig. 3 is a diagram showing an example of the configuration of the methane production apparatus 3 according to the third embodiment.
As shown in FIG. 3 , the methane production apparatus 3 has the following configuration to increase the processing capacity of the methanation reaction compared to the methane production apparatus 1 according to the first embodiment. The first reactor 10 of the methane production apparatus 3 has a shell-and-tube structure in a region corresponding to a reaction section 113 where the feed gas is methanated using a methanation catalyst. Specifically, the inner tube 11 of the first reactor 10 includes a plurality of tubes 16n, each including a reaction section 113n (n is a natural number). The inner tube 11 also has a shell structure surrounding the plurality of tubes 16n. The inner tube 11 also has a chamber structure near the inlet and outlet of the tube 16n to stabilize the flow rate of the feed gas around the tube 16n. For example, a heating section 112 and a cooling section 114 are provided in the chamber portion of the inner tube 11. The second reactor 20 of the methane production apparatus 3 also has a configuration similar to that of the first reactor 10. The tubes 26 n of the second reactor 20 correspond to the tubes 16 n of the first reactor 10 .
（第４の実施形態）
続いて、図４を用いて、第４の実施形態に係るメタン製造装置４の構成について説明する。図４は、第４の実施形態に係るメタン製造装置４の構成の一例を示す図である。
図４に示すように、メタン製造装置４は、第１の実施形態に係るメタン製造装置１と比較して、メタネーション反応の処理能力を上げるための次の構成を備える。メタン製造装置４の第１反応器１０は、メタン化触媒によって原料ガスをメタネーション反応させる反応部１１３に対応する領域について、多管の２重管構造を有する。具体的には、第１反応器１０のインナーチューブ１１は、加熱部１１２ｎ、反応部１１３ｎ及び冷却部１１４ｎを含む複数のチューブ１７ｎを備える。ここで、第１反応器１０では、熱媒体流路１３及び別熱媒体流路１４は、チューブ１７ｎのそれぞれを取り囲むように配置されている。また、メタン製造装置３の第２反応器２０も、第１反応器１０と同様の構成を備える。第２反応器２０のチューブ２７ｎは、第１反応器１０のチューブ１７ｎに対応する。
(Fourth embodiment)
Next, the configuration of the methane production apparatus 4 according to the fourth embodiment will be described with reference to Fig. 4. Fig. 4 is a diagram showing an example of the configuration of the methane production apparatus 4 according to the fourth embodiment.
As shown in FIG. 4 , the methane production apparatus 4 has the following configuration to increase the processing capacity of the methanation reaction compared to the methane production apparatus 1 according to the first embodiment. The first reactor 10 of the methane production apparatus 4 has a multi-tube double-tube structure in a region corresponding to the reaction section 113 where the feed gas is methanated using a methanation catalyst. Specifically, the inner tube 11 of the first reactor 10 includes a plurality of tubes 17n including a heating section 112n, a reaction section 113n, and a cooling section 114n. Here, in the first reactor 10, the heat transfer medium flow path 13 and the separate heat transfer medium flow path 14 are arranged to surround each of the tubes 17n. The second reactor 20 of the methane production apparatus 3 also has a configuration similar to that of the first reactor 10. The tubes 27n of the second reactor 20 correspond to the tubes 17n of the first reactor 10.
（第５の実施形態）
続いて、図５を用いて、第５の実施形態に係るメタン製造装置５の構成について説明する。図５は、第５の実施形態に係るメタン製造装置５の構成の一例を示す図である。
図５に示すように、メタン製造装置５は、第３の実施形態に係るメタン製造装置３と比較して、次の構成を備える。メタン製造装置５は、第１反応器１０のアクティベーション動作に別熱媒体流路１４を流れる別熱媒体を用いずに、導線部が所定温度（好ましくは２５０～３００℃）に加熱されるシースヒータ回路１５を用いる。また、メタン製造装置５の第２反応器２０も、第１反応器１０と同様の構成を備える。第２反応器２０のシースヒータ回路２５は、第１反応器１０のシースヒータ回路１５に対応する。
Fifth Embodiment
Next, the configuration of the methane production apparatus 5 according to the fifth embodiment will be described with reference to Fig. 5. Fig. 5 is a diagram showing an example of the configuration of the methane production apparatus 5 according to the fifth embodiment.
As shown in Figure 5, the methane production apparatus 5 has the following configuration compared to the methane production apparatus 3 according to the third embodiment. The methane production apparatus 5 does not use a separate heat medium flowing through a separate heat medium flow path 14 for the activation operation of the first reactor 10, but uses a sheath heater circuit 15 in which the conductor portion is heated to a predetermined temperature (preferably 250 to 300°C). The second reactor 20 of the methane production apparatus 5 also has a configuration similar to that of the first reactor 10. The sheath heater circuit 25 of the second reactor 20 corresponds to the sheath heater circuit 15 of the first reactor 10.
（第６の実施形態）
続いて、図６を用いて、第６の実施形態に係るメタン製造装置６の構成について説明する。図６は、第６の実施形態に係るメタン製造装置６の構成の一例を示す図である。
図６に示すように、メタン製造装置６は、第４の実施形態に係るメタン製造装置４と比較して、次の構成を備える。メタン製造装置６は、第１反応器１０のアクティベーション動作に別熱媒体流路１４を流れる別熱媒体を用いずに、導線部が所定温度（好ましくは２５０～３００℃）に加熱されるシースヒータ回路１５を用いる。また、メタン製造装置６の第２反応器２０も、第１反応器１０と同様の構成を備える。第２反応器２０のシースヒータ回路２５は、第１反応器１０のシースヒータ回路１５に対応する。
Sixth Embodiment
Next, the configuration of the methane production apparatus 6 according to the sixth embodiment will be described with reference to Fig. 6. Fig. 6 is a diagram showing an example of the configuration of the methane production apparatus 6 according to the sixth embodiment.
As shown in Fig. 6, the methane production apparatus 6 has the following configuration compared to the methane production apparatus 4 according to the fourth embodiment. The methane production apparatus 6 does not use a separate heat medium flowing through a separate heat medium flow path 14 for the activation operation of the first reactor 10, but uses a sheath heater circuit 15 in which the conductor portion is heated to a predetermined temperature (preferably 250 to 300°C). The second reactor 20 of the methane production apparatus 6 also has a configuration similar to that of the first reactor 10. The sheath heater circuit 25 of the second reactor 20 corresponds to the sheath heater circuit 15 of the first reactor 10.
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications can be made as appropriate without departing from the spirit of the invention.
１～６ メタン製造装置、１０ 第１反応器、１１ インナーチューブ、１２ アウターチューブ、１３ 熱媒体流路、１４ 別熱媒体流路、１５ シースヒータ回路（ヒータ回路）、１６ｎ チューブ、１７ｎ チューブ、２０ 第２反応器、２１ インナーチューブ、２２ アウターチューブ、２３ 熱媒体流路、２４ 別熱媒体流路、２５ シースヒータ回路、２６ｎ チューブ、２７ｎ チューブ、３０ 二酸化炭素供給源、３１ 流量計、４０，５０ 水素供給源、４１，５１ マスフローコントローラ（ＭＦＣ）、６０，７０ 熱媒体供給部、６１，７１ 流量調節弁、８０ 別熱媒体供給部、８１ インラインヒータ、１１１，２１１ ガス入口部、１１２，１１２ｎ，２１２，２１２ｎ 加熱部、１１３，１１３ｎ，２１３，２１３ｎ 反応部、１１４，１１４ｎ，２１４，２１４ｎ 冷却部、１１５，２１５ 凝縮水排出部、１１６，２１６ ガス出口部 1 to 6 Methane production apparatus, 10 First reactor, 11 Inner tube, 12 Outer tube, 13 Heat transfer medium flow path, 14 Separate heat transfer medium flow path, 15 Sheath heater circuit (heater circuit), 16n Tube, 17n Tube, 20 Second reactor, 21 Inner tube, 22 Outer tube, 23 Heat transfer medium flow path, 24 Separate heat transfer medium flow path, 25 Sheath heater circuit, 26n Tube, 27n Tube, 30 Carbon dioxide supply source, 31 Flow meter, 40, 50 Hydrogen supply source, 41, 51 Mass flow controller (MFC), 60, 70 Heat transfer medium supply unit, 61, 71 Flow control valve, 80 Separate heat transfer medium supply unit, 81 In-line heater, 111, 211 Gas inlet, 112, 112n, 212, 212n Heating section, 113, 113n, 213, 213n Reaction section, 114, 114n, 214, 214n Cooling section, 115, 215 Condensed water discharge section, 116, 216 Gas outlet section
Claims (4)
前記第１及び第２反応器は、それぞれ、
前記原料ガスをメタネーション反応に適した温度まで加熱する加熱部と、
メタネーション反応に適した温度に保たれる触媒によって、前記原料ガスをメタネーション反応させる反応部と、
前記原料ガスからメタネーション反応によって生成された反応ガスを前記反応ガスから水が凝縮される温度まで冷却する冷却部と、
前記加熱部、前記反応部及び前記冷却部を取り囲んだ状態で配置されており、熱媒体が流される流路である熱媒体流路と、を備え、
前記加熱部、前記反応部及び前記冷却部は、順に配置されており、
前記熱媒体流路に供給された第１温度帯の前記熱媒体は、
前記冷却部に対応する領域、前記反応部に対応する領域及び前記加熱部に対応する領域を順に通過するように前記熱媒体流路内を移動し、前記冷却部に対応する領域を通過する際、前記反応ガスとの間で熱交換して前記第１温度帯よりも高い第２温度帯となり、前記反応部に対応する領域を通過する際、前記触媒との間で熱交換して前記第２温度帯よりも高い第３温度帯となり、前記加熱部に対応する領域を通過する際、前記原料ガスとの間で熱交換して前記第３温度帯よりも低く前記第１温度帯よりも高い第４温度帯となる
メタン製造装置。 A methane production apparatus that produces methane by passing a raw material gas containing hydrogen and carbon dioxide through first and second reactors connected in series,
The first and second reactors each comprise:
a heating unit that heats the raw material gas to a temperature suitable for a methanation reaction;
a reaction section for causing a methanation reaction of the raw material gas using a catalyst maintained at a temperature suitable for the methanation reaction;
a cooling unit that cools a reaction gas generated from the raw material gas by a methanation reaction to a temperature at which water is condensed from the reaction gas;
a heat transfer medium flow path that is a flow path through which a heat transfer medium flows, and that is arranged in a state surrounding the heating unit, the reaction unit, and the cooling unit,
the heating section, the reaction section, and the cooling section are arranged in this order;
The heat medium in the first temperature range supplied to the heat medium flow path is
the heat transfer medium moves within the heat transfer passage so as to pass through a region corresponding to the cooling section, a region corresponding to the reaction section, and a region corresponding to the heating section in that order; when passing through the region corresponding to the cooling section, the heat transfer medium exchanges heat with the reaction gas and becomes a second temperature zone higher than the first temperature zone; when passing through the region corresponding to the reaction section, the heat transfer medium exchanges heat with the catalyst and becomes a third temperature zone higher than the second temperature zone; and when passing through the region corresponding to the heating section, the heat transfer medium exchanges heat with the raw material gas and becomes a fourth temperature zone lower than the third temperature zone and higher than the first temperature zone.
前記加熱部を取り囲んだ状態で配置されており、前記熱媒体とは別の熱媒体である別熱媒体が流される流路である別熱媒体流路をさらに備え、
前記別熱媒体流路に供給された前記別熱媒体は、前記加熱部に対応する領域を通過するように前記熱媒体流路内を移動し、前記加熱部に対応する領域を通過する際、前記原料ガスを加熱し、
前記メタン製造装置は、
前記原料ガスのメタネーション反応が安定するまで、前記別熱媒体を前記別熱媒体流路に供給する別熱媒体供給部と、
前記原料ガスのメタネーション反応が安定した後、前記第１温度帯の前記熱媒体を前記熱媒体流路に供給する熱媒体供給部と、をさらに備える
請求項１に記載のメタン製造装置。 The first and second reactors each comprise:
The heating unit further includes a separate heat medium flow path that is a flow path through which a separate heat medium flows, the separate heat medium flow path being arranged to surround the heating unit,
the separate heat medium supplied to the separate heat medium flow path moves through the heat medium flow path to pass through a region corresponding to the heating unit, and heats the raw material gas while passing through the region corresponding to the heating unit;
The methane production apparatus comprises:
an additional heat medium supply unit that supplies the additional heat medium to the additional heat medium flow path until the methanation reaction of the raw material gas becomes stable;
The methane production apparatus according to claim 1 , further comprising: a heat medium supplying unit that supplies the heat medium in the first temperature range to the heat medium flow path after the methanation reaction of the raw material gas has stabilized.
前記加熱部を取り囲んだ状態で配置された導線部を備え、
前記メタン製造装置は、
前記原料ガスのメタネーション反応が安定するまで、前記導線部を介して前記原料ガスを加熱するヒータ回路と、
前記原料ガスのメタネーション反応が安定した後、前記第１温度帯の前記熱媒体を前記熱媒体流路に供給する熱媒体供給部と、をさらに備える
請求項１に記載のメタン製造装置。 The first and second reactors each comprise:
a conductor portion disposed in a state surrounding the heating portion,
The methane production apparatus comprises:
a heater circuit that heats the raw material gas through the conductor portion until the methanation reaction of the raw material gas becomes stable;
The methane production apparatus according to claim 1 , further comprising: a heat medium supplying unit that supplies the heat medium in the first temperature range to the heat medium flow path after the methanation reaction of the raw material gas has stabilized.
請求項１に記載のメタン製造装置。 2. The methane production apparatus according to claim 1, further comprising a raw material gas supply source that controls the supply amount of the raw material gas so that a conversion rate of methane converted in the first reactor is higher than a conversion rate of methane converted in the second reactor.
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