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気相還元装置および気相還元方法
説明

気相還元装置および気相還元方法

【課題】粉末状触媒を利用して気相還元反応させる技術において、小型の装置で実用的な処理量が得られ、反応温度の管理が容易で反応効率の高い気相還元装置および気相還元方法を提供すること。
【解決手段】粉末状触媒を担持した固定化触媒130が複数積層して反応容器110に固定保持され、加熱機構120によって固定化触媒130の温度をそれぞれ個別に調節可能であること。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願発明は、粉末状触媒を用いて気相還元反応させる技術に関し、特に二酸化炭素を水素還元反応させ、メタンと水を生成させる気相還元装置および気相還元方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、化石燃料の燃焼に由来する大気中への二酸化炭素排出が、生態系や地球環境に大きな影響を与える可能性があることから、世界的にも二酸化炭素の排出抑制が求められている。
このため、二酸化炭素を排出しない、あるいは、二酸化炭素の排出量を削減する技術の開発が行われており、その一環として二酸化炭素を固定化したり他の物質へ変換する技術の開発も行われている。
また、国際宇宙ステーションやロケット等の完全な閉空間では、物質の補給が容易ではなく、元素レベルで必要最低限の補給、排出に留める必要がある。
このため、発生した二酸化炭素を他の物質に変換して回収できる物質を増加させ、補給、排出する物質を元素レベルで極力減らすことが求められている。
【0003】
そこで、これらの要求に対する解決策の1つとして、触媒を用いて二酸化炭素を水素還元させてメタンと水を得るサバティエ反応、すなわち、
CO+4H → CH+2H
で表される還元反応を、効率良く実現するための研究開発が行われている。
例えば、一般に高温(300〜400℃程度)、常圧〜10気圧程度の反応条件が必要であったものを、触媒を粉末状の担体にナノ粒子が高分散担持されたものとすることによって、200℃程度、大気圧でも効率よく反応させることが可能な技術が公知となっている(特許文献1)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2009−131835号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、公知の前記特許文献1による触媒は、実験設備で最適な環境を与えた場合の効率は高いものの、触媒が粉末状で粒子径が非常に小さいため、反応容器に充填すると稠密に保持せざるを得ず、実用的な設備で連続的に反応を行わせる場合、気体である二酸化炭素と水素を連続的に大量に通過させることが困難となり、実用的な処理量を得るために気体の圧力を高め、装置を大型化せざるを得ないという問題があった。
また、触媒を加熱することで反応させる気相還元反応であることから、粉末状のまま充填されると温度管理が困難であり、局所的な温度のばらつきが発生し反応の効率が低下するという問題があった。
【0006】
そこで、本発明は、前記した問題点を解決するものであり、粉末状触媒を利用して気相還元反応させる技術において、小型の装置で実用的な処理量が得られ、反応温度の管理が容易で反応効率の高い気相還元装置および気相還元方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本請求項1に係る発明は、粉末状触媒が内包される反応容器と、該反応容器内の粉末状触媒を加熱する加熱機構とを有する気相還元装置であって、前記粉末状触媒は多孔質構造体に担持されて固定化触媒を構成し、該固定化触媒が、前記反応容器の内部に複数積層して固定保持されるよう構成され、前記加熱機構が、前記固定化触媒を加熱するヒータと、前記固定化触媒の温度をそれぞれ個別に調節可能な温度調節手段を有していることにより、前記課題を解決するものである。
【0008】
本請求項2に係る発明は、請求項1に係る気相還元装置の構成に加え、前記温度調節手段が、前記反応容器の内部の固定化触媒の温度をそれぞれ個別に検出する温度検出部と、該温度検出部により検出された温度に応じて前記ヒータの温度を制御する温度制御部を有していることにより、前記課題を解決するものである。
【0009】
本請求項3に係る発明は、請求項2に係る気相還元装置の構成に加え、前記反応容器が、前記ヒータを複数設けた加熱炉内に収容され、前記複数のヒータが、それぞれ前記反応容器内部の複数の固定化触媒を個別に加熱可能な位置に設けられていることにより、前記課題を解決するものである。
【0010】
本請求項4に係る発明は、請求項3に係る気相還元装置の構成に加え、前記反応容器が、容器ユニットを複数連結して構成され、該容器ユニットが、それぞれ内部に1つの固定化触媒を保持可能に構成され、前記温度検出部が、前記容器ユニットにそれぞれ設けられていることにより、前記課題を解決するものである。
【0011】
本請求項5に係る発明は、請求項2に係る気相還元装置の構成に加え、前記反応容器が、容器ユニットを複数連結して構成され、該容器ユニットが、それぞれ内部に1つの固定化触媒を保持可能に構成され、前記ヒータおよび温度検出部が、前記容器ユニットにそれぞれ設けられていることにより、前記課題を解決するものである。
【0012】
本請求項6に係る発明は、請求項5に係る気相還元装置の構成に加え、前記ヒータが、前記反応容器の内部に設けられていることにより、前記課題を解決するものである。
【0013】
本請求項7に係る発明は、反応容器内に粉末状触媒を内包し、該粉末状触媒を加熱しながら原料気体を前記反応容器内に供給して生成物を得る気相還元方法であって、前記粉末状触媒を多孔質構造体に担持させ固定化触媒を、前記反応容器の内部に複数積層して固定保持し、前記複数の固定化触媒の温度をそれぞれ個別に調節することにより、前記課題を解決するものである。
【0014】
本請求項8に係る発明は、請求項7に係る気相還元方法の構成に加え、前記原料気体が、二酸化炭素ガスおよび水素ガスであり、前記粉末状触媒が、粉末状担体にナノ粒子状のルテニウムを担持させたものであり、前記生成物が、メタンガスおよび水であることにより、前記課題を解決するものである。
【0015】
本請求項9に係る発明は、請求項7または請求項8に係る気相還元方法の構成に加え、前記固定触媒の温度が、300℃未満に調節され、前記原料気体が、大気圧で反応容器内に供給されることにより、前記課題を解決するものである。
【発明の効果】
【0016】
本請求項1に係る気相還元装置、および、請求項7に係る気相還元方法よれば、粉末状触媒を多孔質構造体に担持して固定化触媒を構成した上で反応容器の内部に保持することにより、粉末状触媒が稠密に保持されることなく、気体が低い圧力でも最適な流速で通過できるため、気体の圧力を高めることなく、また、装置を大型化することなく連続的に最適な処理量を得ることができる。
また、粉末状触媒が多孔質構造体の内部空間も含めた表面に担持されて固定化触媒を構成しているため、固定化触媒を加熱して温度管理することで粉末状触媒の温度を最適に管理することが可能となる。
さらに、固定化触媒が複数積層され個別に温度が調節されるため、局所的な温度のばらつきが抑制され、反応温度以下の部分や過度に加熱される部分が発生することがなく、少ないエネルギーで高い反応効率を維持することができる。
【0017】
本請求項2に記載の構成によれば、固定化触媒の温度をそれぞれ個別に温度検出してフィードバック制御で温度管理が可能となるため、さらに局所的な温度のばらつきを抑制可能となる。
本請求項3に記載の構成によれば、固定化触媒をそれぞれ個別に最適な温度に加熱できるため、より正確な温度管理が可能となる。
本請求項4に記載の構成によれば、固定化触媒と容器をユニット単位で適宜増減することができるため、必要な処理能力に応じて最適な反応速度となるような流路を構成可能となり、求められる処理能力や使用環境に応じた最適な設計が可能となる。
【0018】
本請求項5に記載の構成によれば、ヒータを含めて固定化触媒と容器をユニット単位で適宜増減することができるため、加熱炉に収容可能であればその構成を変更する必要がないため、求められる処理能力や使用環境に応じた最適な設計をより容易に行うことができる。
本請求項6に記載の構成によれば、固定化触媒をさらに効率よく加熱できるため、より少ないエネルギーで高い反応効率を維持することができる。
本請求項8に記載の構成によれば、いわゆるサバティエ反応をより効率的に行うことができる。
本請求項9に記載の構成によれば、気相還元反応のための高温高圧に耐える環境条件を準備することなく実施することが可能となり、例えば国際宇宙ステーションやロケット等の限られた閉空間においてもスペースやエネルギーを無駄にすることなく気相還元反応を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の気相還元装置および気相還元方法の基本構成概略図。
【図2】本発明の第1実施例である気相還元装置の反応容器の概略説明図。
【図3】図2の概略断面説明図。
【図4】本発明の第2実施例である気相還元装置の反応容器の概略説明図。
【図5】図4の概略断面説明図。
【図6】本発明の実験例の固定化触媒の模式図。
【図7】二酸化炭素の還元率の温度依存性を示すグラフ。
【図8】温度分布の実験説明図。
【図9】温度分布の実験結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0020】
本発明の気相還元装置および気相還元方法の基本的な構成を、図1に模式的に示す。
原料ガスである水素ガスおよび二酸化炭素ガスは、それぞれ水素タンク101および二酸化炭素タンク102から供給され、それぞれ流量制御バルブ103を経て最適な混合比に混合され、該混合ガスがメインバルブ104を経て加熱機構120が備えられた反応容器110に供給される。
反応容器110で気相還元された生成物である水およびメタンガス(若干の未反応の原料ガスを含む)は、反応容器110の下流に排出され凝縮器105を経て回収される。
凝縮器105においては、生成物である水およびメタンガスを分離するため、氷温で冷却して水を凝縮している。
なお、図示以外にも、圧力、流量を調整するバルブ類、監視、制御、安全等のための補助装置類やフィルタ類等が適宜の場所に設けられてもよい。
【実施例1】
【0021】
本発明の第1実施例に係る気相還元装置100の反応容器110は、図2および図3に示すように、複数(本実施例では5つ)の容器ユニット111が積層されており、各容器ユニット111の内部には、それぞれ、多孔質構造体に粉末状触媒を担持した固定化触媒130が固定保持されている。
加熱機構120は、反応容器110が収容される加熱炉140に各容器ユニット111の外周に位置するように設けられた複数のヒータ141と、固定化触媒130の温度をそれぞれ個別に調節可能な温度調節手段とからなる。
温度調節手段は、各容器ユニット111に設けられた固定化触媒130の温度をそれぞれ個別に検出する温度検出部123と、温度検出部123により検出された温度に応じて当該温度検出部123を有する容器ユニット111の位置にあるヒータ141の温度を制御する温度制御部121とを有している。
【0022】
また、本実施例では、全体制御部124が設けられ、各温度制御部121からの信号を受け、あるいは指令を出すことで、各部の温度・制御状況等の監視や、全体の横断的な制御・操作を行うことが可能に構成されている。
なお、図示では、各温度制御部121および全体制御部124を、それぞれ独立して設けているが、それらの機能を有する制御装置であれば、装置自体が分割されている必要はない。
また、温度検出部123を、容器ユニット111ごとに2箇所ずつ設けているが、1箇所でも良く、3箇所以上であっても良い。
【0023】
さらに、本実施例では、反応容器110は5個の容器ユニット111からなるが、求められる処理能力や使用環境に応じて4個以下、あるいは6個以上の容器ユニット111を用いても良い。
容器ユニット111同士の結合は、フランジ部をボルト等で締め付けることにより、取り外し可能とすれば良く、同一設計の容器ユニット111を複数準備すれば、必要に応じて容易に増減させることが可能である。
また、1つの容器ユニットに複数の固定化触媒130を積層させ、固定化触媒130ごとに温度をそれぞれ個別に調節可能となるように温度検出部、ヒータを設けて、容器ユニットの数を積層される固定化触媒130よりも少なくしても良く、反応容器110全体が1つの容器ユニットかならように構成されても良い。
【実施例2】
【0024】
本発明の第2実施例に係る気相還元装置の反応容器210は、図4および図5に示すように、複数(本実施例では5つ)の容器ユニット211が積層されており、各容器ユニット211の内部には、それぞれ、多孔質構造体に粉末状触媒を担持した固定化触媒230が固定保持されている。
加熱機構は、各容器ユニット211の外周に設けられたヒータ222と、固定化触媒230の温度をそれぞれ個別に調節可能な温度調節手段とからなる。
温度調節手段は、各容器ユニット211に設けられた固定化触媒230の温度をそれぞれ個別に検出する温度検出部223と、温度検出部223により検出された温度に応じて当該温度検出部223を有する容器ユニット211に設けられたヒータ222の温度を制御する温度制御部221とを有している。
【0025】
また、第1実施例同様に、全体制御部224が設けられ、各温度制御部221からの信号を受け、あるいは指令を出すことで、各部の温度・制御状況等の監視や、全体の横断的な制御・操作を行うことが可能に構成されている。
また、第1実施例と同様に、様々な変形例が可能である。
【0026】
次に、本発明の気相還元装置および気相還元方法による実験結果について、以下に説明する。
本発明の実験例では、図6に模式的に示すように、粉末状の二酸化チタンの表面に触媒金属であるルテニウムをナノ粒子状に担持させた粉末状触媒132(NPJ−002:特許文献1に記載のもの)を、炭化ケイ素からなる多孔質構造体131の内部空間を含めた表面に担持させて固定化触媒130(NPJ−002/SiC)としたものを使用した。
【0027】
まず、本発明で使用する固定化触媒(NPJ−002/SiC)と、比較例としての粉末状触媒(NPJ−002)および酸化アルミ担体にルテニウムを担持させたペレット状触媒(Ru/Al:市販品)の二酸化炭素の還元率の温度依存性を、図7にグラフで示す。
固定化触媒(NPJ−002/SiC)および粉末状触媒(NPJ−002)は、従来のペレット状触媒(Ru/Al)よりも低い温度で還元率が上昇し、かつ、本発明で使用する固定化触媒(NPJ−002/SiC)は同一温度で常に粉末状触媒(NPJ−002)よりも高い還元率を示している。
このことから、本発明の構成である、粉末状触媒を多孔質構造体に担持して固定化触媒としたことによって、反応効率を高めることができることがわかる。
【0028】
次に、本発明で使用する固定化触媒(NPJ−002/SiC)と、比較例としての粉末状触媒(NPJ−002)および酸化アルミ担体にルテニウムを担持させたペレット状触媒(Ru/Al:市販品)を反応容器に入れて加熱したときの温度分布について説明する。
図8に示すように、固定化触媒(NPJ−002/SiC)は、本発明の反応容器110の内部に複数積層して固定保持し本発明の温度調節を行い、粉末状触媒(NPJ−002)およびペレット状触媒(Ru/Al)は、通常の反応容器510の内部に保持し、従来方法で加熱した。
それぞれ、全体として最大還元率が得られるように設定し、両反応容器110、510ともに、触媒層入口A、入口から約1/3の触媒層内部B、約2/3の触媒層内部Cおよび触媒層出口Dの4点の温度と加熱用のヒータの温度を測定した。
【0029】
その結果を、図9に示す。
ペレット状触媒(Ru/Al)は、元々高い還元率を得るために高い温度を要することから、ヒータ温度を300℃としなければならず、かつ、反応容器510の温度分布は入口で非常に高く、かつ出口に向かってかなりの割合で低くなり、全体として最大還元率を得るために必要とするエネルギー効率が悪いものとなっている。
粉末状触媒(NPJ−002)は、ヒータ温度を240℃でペレット状触媒(Ru/Al)と比較するとエネルギー効率は高いが、反応容器510の温度分布に依然としてばらつきがある。
【0030】
これに対し、本発明の固定化触媒(NPJ−002/SiC)は、本発明の反応容器110を用いて温度調節を行うことで、ヒータ温度が225℃〜240℃の間に制御されて反応容器110の温度分布がほぼ均一となっており、少ないエネルギーで全体を還元効率の最も高い温度領域に維持している。
なお、固定化触媒は、粉末状触媒を担持する多孔質構造体として炭化珪素からなるものを使用しているが、原料ガス、生成物および使用温度に対して安定な材質であればいかなる材料でも良い。
また、多孔質構造体は、反応容器内に保持可能で、気体が通過可能なものであれば、スポンジ状、格子状、フェルト状等、いかなる構造のものであっても良い。
【産業上の利用可能性】
【0031】
本発明に係る気相還元装置および気相還元方法は、いかなる気相還元に利用されても良く、さらには、還元以外の反応のために用いられても良いが、特に二酸化炭素を水素還元反応させ、メタンと水を生成させるサバティエ反応に有利であり、宇宙空間等において、スペースやエネルギーを無駄にすることなく、限られた物質の循環、再利用を少ないエネルギーで達成するものとして格別の効果を有するものである。
【符号の説明】
【0032】
100 ・・・ 気相還元装置
101 ・・・ 水素タンク
102 ・・・ 二酸化炭素タンク
103 ・・・ 流量制御バルブ
104 ・・・ メインバルブ
105 ・・・ 凝縮器
110、210 ・・・ 反応容器
111、211 ・・・ 容器ユニット
120 ・・・ 加熱機構
121、221 ・・・ 温度制御部
222 ・・・ ヒータ
123、223 ・・・ 温度検出部
124、224 ・・・ 全体制御部
130 ・・・ 固定化触媒
131 ・・・多孔質構造体
132 ・・・粉末触媒
140 ・・・ 加熱炉
141 ・・・ ヒータ
510 ・・・ 反応容器(従来例)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
粉末状触媒が内包される反応容器と、該反応容器内の粉末状触媒を加熱する加熱機構とを有する気相還元装置であって、
前記粉末状触媒は多孔質構造体に担持されて固定化触媒を構成し、
該固定化触媒が、前記反応容器の内部に複数積層して固定保持されるよう構成され、
前記加熱機構が、前記固定化触媒を加熱するヒータと、前記固定化触媒の温度をそれぞれ個別に調節可能な温度調節手段を有していることを特徴とする気相還元装置。
【請求項2】
前記温度調節手段が、前記反応容器の内部の固定化触媒の温度をそれぞれ個別に検出する温度検出部と、該温度検出部により検出された温度に応じて前記ヒータの温度を制御する温度制御部を有していることを特徴とする請求項1に記載の気相還元装置。
【請求項3】
前記反応容器が、前記ヒータを複数設けた加熱炉内に収容され、
前記複数のヒータが、それぞれ前記反応容器内部の複数の固定化触媒を個別に加熱可能な位置に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の気相還元装置。
【請求項4】
前記反応容器が、容器ユニットを複数連結して構成され、
該容器ユニットが、それぞれ内部に1つの固定化触媒を保持可能に構成され、
前記温度検出部が、前記容器ユニットにそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項3に記載の気相還元装置。
【請求項5】
前記反応容器が、容器ユニットを複数連結して構成され、
該容器ユニットが、それぞれ内部に1つの固定化触媒を保持可能に構成され、
前記ヒータおよび温度検出部が、前記容器ユニットにそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項2に記載の気相還元装置。
【請求項6】
前記ヒータが、前記反応容器の内部に設けられていることを特徴とする請求項5に記載の気相還元装置。
【請求項7】
反応容器内に粉末状触媒を内包し、該粉末状触媒を加熱しながら原料気体を前記反応容器内に供給して生成物を得る気相還元方法であって、
前記粉末状触媒を多孔質構造体に担持させた固定化触媒を前記反応容器の内部に複数積層して固定保持し、
前記複数の固定化触媒の温度をそれぞれ個別に調節することを特徴とする気相還元方法。
【請求項8】
前記原料気体が、二酸化炭素ガスおよび水素ガスであり、
前記粉末状触媒が、粉末状担体にナノ粒子状のルテニウムを担持させたものであり、
前記生成物が、メタンガスおよび水であることを特徴とする請求項7に記載の気相還元方法。
【請求項9】
前記固定触媒の温度が、300℃未満に調節され、
前記原料気体が、大気圧で反応容器内に供給されることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の気相還元方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2013−63405(P2013−63405A)
【公開日】平成25年4月11日(2013.4.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−204580(P2011−204580)
【出願日】平成23年9月20日(2011.9.20)
【出願人】(503361400)独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 (453)
【出願人】(305060567)国立大学法人富山大学 (194)
【出願人】(597103023)株式会社 ケミックス (7)
【出願人】(000229737)日本ピラー工業株式会社 (337)
【Fターム(参考)】