(57)【要約】【課題】時間的間隔を短縮して生成物として得られる有用物の品質を安定させることを目的とする。【解決手段】上記課題を解決するため、本発明に係るメタン製造システムでは、水素流量測定手段、反応器入口温度測定手段、反応器出口温度測定手段及び反応器圧力測定手段の測定値を基にメタン生成に際して原料ガス組成、温度及び圧力を計算し、二酸化炭素流量調節手段、圧力可変調節手段及び熱媒体流量調節手段を制御情報を伝送する演算手段と、を備えるようにする。【選択図】  図１
2020033283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水電解によって作られた水素と排出源から分離回収された二酸化炭素とを原料ガスとして用いて反応器でメタンを生成するメタン製造システムであって、
メタン生成に使用される水素量を測定する水素流量測定手段と、
前記反応器において水素と二酸化炭素が流入する前記反応器の入口における温度を測定する反応器入口温度測定手段と、
前記反応器において生成されたメタンが流出する前記反応器の出口における温度を測定する反応器出口温度測定手段と、
前記反応器内部の圧力を測定する反応器圧力測定手段と、
前記メタン生成に使用される二酸化炭素流量を調整する二酸化炭素流量調節手段と、
前記原料ガスの圧力を調整する圧力可変調節手段と、
前記原料ガスの温度を調整する熱媒体流量調節手段と、
前記水素流量測定手段、前記反応器入口温度測定手段、前記反応器出口温度測定手段及び前記反応器圧力測定手段の測定値を基にメタン生成に際して原料ガス組成、温度及び圧力を計算し、前記二酸化炭素流量調節手段、前記圧力可変調節手段及び前記熱媒体流量調節手段を制御情報を伝送する演算手段と、を備えるメタン製造システム。
【請求項２】
請求項１に記載のメタン製造システムであって、
前記水電解に際して再生可能エネルギーで生成した電気を利用し、前記反応器でのメタン生成に際しては触媒反応を利用することを特徴とするメタン製造システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のメタン製造システムであって、
前記演算手段が機械学習の機能を有していることを特徴とするメタン製造システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のメタン製造システムであって、
水素又は二酸化炭素以外のガスを前記原料ガスに供給する成分供給設備と、
前記成分供給設備の流量を調整する成分流量調節手段と、を備え、
前記成分流量手段は前記演算手段から流量を調整する信号を受け、水素又は二酸化炭素以外のガスの流量を調整することを特徴とするメタン製造システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに１項に記載のメタン製造システムであって、
複数の前記反応器が直列に接続されていることを特徴とするメタン製造システム。
【請求項６】
水電解によって作られた水素と排出源から分離回収された二酸化炭素とを原料ガスとして用いて反応器でメタンを生成するメタン製造方法であって、
メタン生成に使用される水素量を測定する水素流量測方法と、
前記反応器において水素と二酸化炭素が流入する前記反応器の入口における温度を測定する反応器入口温度測定方法と、
前記反応器において生成されたメタンが流出する前記反応器の出口における温度を測定する反応器出口温度測定方法と、
前記反応器内部の圧力を測定する反応器圧力測定方法と、
前記メタン生成に使用される二酸化炭素流量を調整する二酸化炭素流量調節方法と、
前記原料ガスの圧力を調整する圧力可変調節方法「と、
前記原料ガスの温度を調整する熱媒体流量調節方法と、
前記水素流量測定方法、前記反応器入口温度測定方法、前記反応器出口温度測定方法及び前記反応器圧力測定方法の測定値を基にメタン生成に際して原料ガス組成、温度及び圧力を計算し、前記二酸化炭素流量調節方法、前記圧力可変調節方法及び前記熱媒体流量調節方法を制御情報を伝送する演算方法と、から成るメタン製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタン製造システム及びメタン製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
再生エネルギー等の余剰電力を用いて水電解で作られた水素と二酸化炭素からメタンを合成する際の運転に関する技術が特許文献１に記されている。
【０００３】
この特許文献１には「水素と二酸化炭素とを含有する原料ガスが、少なくとも２段階で少なくとも１つの調節可能なパラメータの影響下で触媒的にメタン化され、生成ガスの組成に関する少なくとも１つの基準が監視される。基準は、その方法に影響を与える条件下で充足され、そして、その条件が変化した時には、その基準の充足を維持するパラメータ設定の変更が影響を受ける。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１３−５１５６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１には、再生可能エネルギー等の余剰電力を用いて水電解で作られた水素と、二酸化炭素を含むガスから、触媒反応によってメタンを合成する際に、生成ガスの組成を監視することで、触媒反応に関連する諸々の条件を制御する方法が述べられている。
【０００６】
しかしこの方法では生成ガスの組成を分析する必要があり、それに要する間は反応に関する制御が行われないために、その間の反応が安定的に進行しないことによって、結果として生成物として得られるメタンの品質の安定には配慮されていない。
【０００７】
本発明の目的は、時間的間隔を短縮して生成物として得られる有用物の品質を安定させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の代表的なものの一つを示せば、メタン製造システムを、水電解によって作られた水素と排出源から分離回収された二酸化炭素とを原料ガスとして用いて反応器でメタンを生成するメタン製造システムであって、メタン生成に使用される水素量を測定する水素流量測定手段と、前記反応器において水素と二酸化炭素が流入する前記反応器の入口における温度を測定する反応器入口温度測定手段と、前記反応器において生成されたメタンが流出する前記反応器の出口における温度を測定する反応器出口温度測定手段と、前記反応器内部の圧力を測定する反応器圧力測定手段と、前記メタン生成に使用される二酸化炭素流量を調整する二酸化炭素流量調節手段と、前記原料ガスの圧力を調整する圧力可変調節手段と、前記原料ガスの温度を調整する熱媒体流量調節手段と、前記水素流量測定手段、前記反応器入口温度測定手段、前記反応器出口温度測定手段及び前記反応器圧力測定手段の測定値を基にメタン生成に際して原料ガス組成、温度及び圧力を計算し、前記二酸化炭素流量調節手段、前記圧力可変調節手段及び前記熱媒体流量調節手段を制御情報を伝送する演算手段と、を備えるようにする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、時間的間隔を短縮して生成物として得られる有用物の品質を安定させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る水電解水素を用いた有用物合成システムのプロセスフロー図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る水電解水素を用いた有用物合成システムのプロセスフロー図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る水電解水素を用いた有用物合成システムのプロセスフロー図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る水電解水素を用いた有用物合成システムのプロセスフロー図。
【図５】適応共鳴理論（ＡＲＴ）を利用した運転データの分類方法の概要。
【図６】本発明を適用したシステムでの制御作動前の制御表示画面の一例。
【図７】本発明を適用したシステムでの制御作動中の制御表示画面の一例。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明の実施形態の一つに付きそのプロセスフローを示した図である。
【００１３】
水電解水素製造設備６によって作られた水素は、原料ガス導入路５１に送られる。
【００１４】
水電解水素製造設備では電力を用いて水を水素と酸素に電気分解する。本発明においては、水電解に要する電力は風力や太陽光等の再生可能エネルギーを用いる。水電解水素製造設備はアルカリ水溶液型や固体高分子電解質型等の方式があるが、本発明ではそれらの方式は問わず、いずれでも適用可能である。
【００１５】
水電解水素製造設備には水素を貯めておく貯蔵設備が付随していても良い。また、水素を搬送するためのファンやブロア等の搬送設備、あるいは圧縮設備等が付随していても良い。
【００１６】
水電解水素製造設備は電解の効率を上げるために0.3〜3MPa程度の高圧で操業されるものもあるが、その圧力が原料ガス導入路の圧力よりも高いときには水素搬送のための昇圧設備が不要になる場合もある。
【００１７】
水素が水電解水素製造設備６から原料ガス導入路５１に至るまでに、水素流量測定手段５が設けられており、原料ガス導入路に合流する水素の流量を測定する。
【００１８】
図１では水電解水素製造設備から原料ガス導入路に至る流路は一つのみ記されているが、本発明においてはこれが複数あっても良い。
【００１９】
一方で、二酸化炭素分離回収設備１からも原料ガス導入路５１に二酸化炭素の供給がある。
【００２０】
二酸化炭素分離回収設備は、ボイラや燃焼設備等の二酸化炭素排出源から何らかの方法で二酸化炭素を分離する。本発明で用いる二酸化炭素とは、二酸化炭素主体のガスであって、必ずしも純粋な二酸化炭素でなくても良い。二酸化炭素を分離回収するには、アミン水溶液やアルカリ水溶液、吸着材を用いる等様々な方法があるが、本発明はそれらの方式は問わず、いずれでも適用可能である。
【００２１】
二酸化炭素分離回収設備には二酸化炭素を貯めて置く貯蔵設備が付随していても良い。また二酸化炭素を貯蔵設備に搬送するためのファンやブロア等の搬送設備や、圧縮設備が付随していても良い。
【００２２】
二酸化炭素分離回収設備１から原料ガス導入路５１への供給に際しては、二酸化炭素流量調節手段２を通して二酸化炭素の流量が調節される。
【００２３】
二酸化炭素流量調節手段は、例えば流量調節弁のようなバルブ類であったり、マスフローコントローラのような流量調節器を用いることができるが、気体流量を制御信号によって調節するという作用が達成可能な手段であれば前記の機器、設備に限定されない。
【００２４】
図１では二酸化炭素分離回収設備から原料ガス導入路に至る流路は一つのみ記されているが、本発明においてはこれが複数であっても良い。
【００２５】
原料ガス導入路５１では、前記水素と前記二酸化炭素が合流して原料ガスとなり、その後に圧力可変調節手段３によって昇圧される。
【００２６】
圧力可変調節手段は、例えば圧縮機を用いることができるが、気体の圧力を可変で増大するという作用が達成可能な手段であればそれに限定されない。
【００２７】
圧力可変調節手段３で加圧された前記原料ガスは、熱交換器１１において触媒反応器９で生じる目的の有用物合成反応に関して最適な入口温度に調整される。
【００２８】
前記水素と前記二酸化炭素が合流して混合した前記原料ガスは、圧力可変調節手段によって加圧された場合、圧縮により温度が上昇する。圧縮された後の前記原料ガスの温度が、触媒反応器における前記有用物合成反応に関して最適な入口温度よりも低い場合には、熱交換器１１において加熱媒体により、前記二酸化炭素と前記水素の混合ガスである前記原料ガスが加熱される。
【００２９】
一方、圧縮された後の前記原料ガスの温度が前記有用物合成反応に関して最適な入口温度よりも高い場合には、熱交換器１１において冷却媒体により、前記原料ガスが冷却される。
【００３０】
前記原料ガスは触媒反応器９に送られて、そこで前記有用物合成反応を生じ、生成物送出路５２を通して次工程に送出される。
【００３１】
前記有用物合成反応は、反応条件によっては反応速度が過小のために反応が十分進行せず、生成物中の有用物量が少なかったり、または副反応によって望まない生成物が多量に生じて有用物量が少なくなる場合がある。前記有用物合成反応に関して最適な入口圧力や最適な入口温度とは、それら有用物量が少なくなる事態をでき得る限り避けることが可能な前記原料ガスの圧力や温度である。前記有用物合成反応に関して最適な反応条件は、そのほか前記原料ガスの組成についても存在する。
【００３２】
本実施例においては、前記原料ガスの組成が二酸化炭素と水素の混合物であるため、触媒反応器で合成される有用物は炭化水素や含酸素有機物である。前記有用物に関して最適な反応条件は、目的とする反応や触媒反応器に装填されている触媒の種類によって異なるが、常温、常圧よりも高い温度、圧力で行われることが多い。
【００３３】
原料ガス導入路５１上で触媒反応器９への前記原料ガスの入口近傍には触媒反応器入口温度測定手段７が、生成物送出路５２上で触媒反応器９からの生成物の出口近傍には触媒反応器出口温度測定手段１０が設置されている。また、触媒反応器には触媒反応器圧力測定手段８が設置されている。
【００３４】
触媒反応器入口温度測定手段、触媒反応器出口温度測定手段および触媒反応器圧力測定手段は、図１中ではそれぞれ１つのみであるが、それぞれ複数あっても良い。また図１では触媒反応器入口温度測定手段は原料ガス導入路上に、触媒反応器出口温度測定手段は生成物送出路上に設置されているが、それぞれ触媒反応器内の適切な場所に設置することも可能である。
【００３５】
触媒反応器入口温度測定手段７、触媒反応器出口温度測定手段１０、触媒反応器圧力測定手段８は測定した値を測定信号伝送路１０１を介して演算手段４に伝送することが可能である。また前記水素流量測定手段５にも同様の伝送機能があり、同じく測定信号伝送路１０１を介して演算手段４に測定値を伝送する。
【００３６】
触媒反応器入口温度測定手段７および触媒反応器出口温度測定手段１０には、例えば熱電対を用いることができるが、温度を測定してそれを伝送する目的を達成可能であれば、それに限定されない。触媒反応器圧力測定手段８には、例えば圧力伝送器を用いることができるが、圧力を測定してそれを伝送する目的を達成可能であれば、それに限定されない。
【００３７】
演算手段４は、水素流量測定手段５、触媒反応器入口温度測定手段７、触媒反応器圧力測定手段８および触媒反応器出口温度測定手段１０から得られたそれぞれの測定値に基づき、その値に見合った前記原料ガスの組成、温度、圧力を達成するために、制御信号伝送路１０２を介して二酸化炭素流量調節手段２、圧力可変調節手段３および熱媒体流量調節手段１２を制御する。ここでは加熱媒体、冷却媒体を総称して熱媒体と呼ぶ。
【００３８】
熱媒体流量調節手段は例えば流量調節バルブを用いることができるが、熱媒体の流量を調節する目的が達成可能であれば、それに限定されない。前記熱媒体には、熱交換器１１で前記原料ガスが加熱される場合には蒸気や加熱された油を用いることができ、熱交換器１１で前記原料ガスが冷却される場合には冷却水や空気を用いることができるが、加熱または冷却という目的が達成可能であれば、それらに限定されない。
【００３９】
演算手段が二酸化炭素流量調節手段を制御することは、前記原料ガスの組成を制御することに相当する。
【００４０】
本発明においては、水電解水素製造設備において使用する電力は、前述の通り風力や太陽光等の再生可能エネルギーである。再生可能エネルギーを用いた電力は、風況や天候によって発電量の時間的変動が大きい。このため、水電解の電力に再生可能エネルギーを用いた場合には、水素発生量の時間的変動が大きくなる。
【００４１】
再生可能エネルギーによる発電設備が送電系統に接続され、卸売りによる売電契約をしており、送電の余剰電力で水電解を行っている場合には、卸売り価格の変動によって送電量が変動するために、より一層水素発生量の変動は大きくなる。
【００４２】
こうした変動を抑制するために水素貯蔵設備によってバッファを設けることが可能ではあるが、前記変動の幅が限られた貯蔵容量を上回ってしまう可能性もある。また金属製のタンクでは水素脆性により金属劣化が生じることや、水素貯蔵合金は材料寿命が短く大容量の貯蔵に向かない等の理由により、水素貯蔵設備を設けられないで直接有用物合成システムに水素を搬送する場合も考えられる。
【００４３】
有用物合成システムに送られる水素量が変動する場合、それに応じて反応に適した化学量論比となるように、前記原料ガスを構成する水素以外の成分の量も変化させる必要がある。
【００４４】
例えば水素と二酸化炭素からメタンを合成する場合の化学反応式は以下の通りである。
【００４５】
【化１】
2020033283.tif 000003
【００４６】
水素４モルに対して、メタン合成反応に必要な二酸化炭素は１モルであり、この比から大きく外れると水素が浪費されたり二酸化炭素が浪費されることとなる。
【００４７】
これに鑑みて、演算手段は水素流量測定手段で測定した水素量から、前記原料ガスの組成が常に上述の比となるような二酸化炭素必要量を導出する。また時々刻々変化する水素量の時間変化に対応して二酸化炭素流量調節手段を制御して上記組成比を実現する。
【００４８】
流路の長さが異なる等の理由で、水素流量測定手段から原料ガス導入路までの到達時間が、二酸化炭素流量調節手段から水素との合流位置までの到達時間に比べて長い場合には、その時間差を考慮して二酸化炭素流量調節手段における流量制御を行うことも可能である。
【００４９】
本実施例においては、演算手段が圧力可変調節手段を制御することは、前記有用物合成反応に関して最適な圧力を維持することに相当する。
【００５０】
前記有用物合成反応は、反応速度が圧力に対して正の相関となる場合が多い。従ってその場合は、他の条件が変化することにより、触媒反応器における前記有用物合成反応が十分に進行しないことが生じることが予想される場合には、演算手段は圧力可変調節手段に対して前記原料ガスの圧力を上げる方向に制御信号を送る。一方、前記有用物合成反応が過度に生じることが予想される場合には、演算手段は圧力を下げる方向に制御信号を送る。
【００５１】
演算手段が熱媒体流量調節手段を制御することは、前記原料ガスの温度を前記有用物合成反応に関して最適な入口温度で触媒反応器に導入することに相当する。
【００５２】
二酸化炭素は圧力可変調節手段で加圧されるが、その際に圧縮による温度上昇がある。この二酸化炭素が水素と合流して前記原料ガスとなるが、合流後の前記原料ガスの温度は前記有用物合成反応に関して最適な入口温度とは異なっている。
【００５３】
この前記原料ガスの温度を前記有用物合成反応に関して最適な入口温度と合致させるために、演算手段は熱媒体流量調節手段を制御する。熱交換器１１による前記原料ガスの温度変化でそれが達成されたか否かは、触媒反応器入口温度測定手段７で測定された温度が、前記有用物合成反応に関して最適な入口温度に合致しているかで判断される。
【００５４】
前記有用物合成反応が発熱反応の場合、触媒反応器内で異常な事態が生じて、触媒反応器圧力測定手段８の値が増大したり、触媒反応器出口温度測定手段１０の値が上昇した場合、演算手段は熱媒体流量調節手段を制御することで前記原料ガスの温度を低下させて、反応を抑制することが可能である。その際、熱交換器で前記原料ガスが加熱される場合には、熱媒体の流量は減少する方向に、熱交換器で前記原料ガスが冷却される場合には、熱媒体の流量は増大する方向に制御される。
【００５５】
また前記有用物合成反応が発熱反応で、触媒反応器内での異常な事態により、触媒反応器圧力測定手段の値が減少し、触媒反応器出口温度測定手段の値が下降した場合、演算手段は熱媒体流量調節手段を上述とは逆に制御して、前記原料ガスの温度を上昇させることによって反応をより生じやすくする。長期にわたる使用によって触媒活性が低下した場合には、長期間にわたって緩やかに同様な傾向が認められるが、演算手段はそのような変化にも対応可能である。
【００５６】
前記有用物合成反応が吸熱反応の場合には、演算手段は上述の２つの例と反対方向に熱媒体流量調節手段を制御する。
【００５７】
上述のように演算手段を介した制御によって、水素流量に大幅な変動が生じた場合においても、時間的な遅れを生じること無しに前記有用物合成反応に関して最適な反応条件の前記原料ガスが形成可能となることで、触媒反応の安定的な進行が達成され、生成する前記有用物の品質を安定して良好に維持することができる。
【００５８】
演算手段に機械学習の機能を持たせることも可能である。機械学習は測定手段の測定値を介してシステム内の状態を把握することが可能であり、それを基に適正な制御を自動化することが可能である。
【００５９】
機械学習は教師あり学習、教師なし学習、強化学習等などに分類され、教師あり学習にはサポートベクトルマシン、k近傍法等があり、教師なし学習にはクラスター分析、主成分分析等がある。
【００６０】
ここではクラスター分析の一つの手法、適応共鳴理論（Adaptive Resonance Theory、以下、ＡＲＴと称す）を例に用いて示す。ＡＲＴは複数の測定手段の測定値を多次元のデータとして、その類似度に応じて複数のカテゴリーに分類する手法である。
【００６１】
図５はＡＲＴを利用した運転データの分類方法の概要を示す。図５上段の横軸は時刻、縦軸は運転データの値を表す。また図５下段の横軸は時刻、縦軸はカテゴリー番号を表す。
【００６２】
ＡＲＴの構成については、公知の文献等に記載されているため、詳細な説明を省略し、ＡＲＴを使ったデータの分類方法について図５を用いて説明する。ＡＲＴを用いたデータ分類方法の一例は、例えば特開２００５−２５８６４９号公報に記載されている。
【００６３】
ここでは、データを単純化し、図５上段に示す２種類の時系列データ、すなわちデータ１とデータ２を分類する場合について考える。この時系列データの各時刻におけるデータは、データ１、データ２の２次元のデータとなる。
【００６４】
この２次元のデータをデータ分類部（ＡＲＴ）に入力すると、例えば領域１では、データ１の値が大きくかつデータ２の値が小さいことで、ひとつのカテゴリー、ここではカテゴリー１に分類される（図５下段）。また、領域２のデータは、領域１のデータとはデータ１とデータ２の関係が異なるため、別のカテゴリー、ここではカテゴリー２として分類される。同様にして、領域３、領域４のデータは、それぞれ別のカテゴリーとして分類される。
【００６５】
本実施例に機械学習としてＡＲＴを適用した場合、水素流量、触媒反応器入口・出口温度、触媒反応器圧力の測定値に応じて、カテゴリーが振り分けられる。それぞれのカテゴリーにおいて、上述した通りの測定信号伝送から演算手段を介して制御信号伝送に至る手順が実行されることにより、前記有用物合成反応に関して最適な反応条件を形成する二酸化炭素流量、前記原料ガスの圧力、熱媒体流量が対応付けられることで、その時々各カテゴリーに対しての適正な制御値が学習される。この過程を繰り返すことにより、演算手段が自律的に適正な制御能力を獲得し、制御の自動化が達成可能となる。
【００６６】
本発明を実施していることを、システムの制御装置における表示画面に表示することも可能である。
【００６７】
図６には本発明を適用した有用物合成システムにおける、制御作動前の画面表示例のひとつを示す。制御画面５０１には例として当該システムのフロー図が示されている。図には記載していないが、フロー図に示された各装置等の名称や温度、圧力、流量等の状態が表示されていても良い。また、前記フロー図には本発明に関する装置、設備やそれらの間の接続のみ表示されているが、システムを構成する他の装置、設備や配管等の接続が表示されていても良い。また本発明には関わらない制御関連の情報が表示されていても良い。
【００６８】
表示画面には本発明による有用物合成システムの反応制御を開始するためのボタン５０２が表示されている。このボタンをマウス等の画面内の位置指示および選択指示手段を用いて選択することにより、図７に示すような制御作動中の画面表示に遷移する。
【００６９】
図７は図６の状態から遷移した制御動作中の画面表示例のひとつを示す。制御画面内のボタン５０２は表示している文が変わり、制御が動作中であることが見てとれるようになっている。ボタンの表示方法は図６と図７とで色相が変化することで制御動作中であることを表現する方法がある。あるいは、ボタンの色相が一定時間間隔で変化することで表現してもよい。
【００７０】
また制御画面５０１に表示されている当該システムのフロー図の中で、制御の対象となっている機器、装置、設備の近傍には、制御対象であるマーク５０３が表示される。制御対象であるマークは、フロー図の中で制御対象である機器、装置、設備の記号そのものの色相が変化することで表現することも可能である。また上記ボタンと同様に、制御対象であるマーク５０３や、前記機器、装置、設備の記号の色相が一定時間間隔で変化することで表現することもできる。
【００７１】
このようにシステムの制御装置における表示画面に表示することによって、本発明による制御の動作が行われていることを運転従事者に容易に伝えることができる。
【実施例２】
【００７２】
図２は本発明の別の実施形態の一つにつき、そのプロセスフローを示した図である。
【００７３】
実施例１と同様に、水電解水素製造設備６によって作られた水素は原料ガス導入路５１に送られ、その途中に水素流量測定手段５が設けられている。
【００７４】
一方で、二酸化炭素分離回収設備１からも原料ガス導入路５１に二酸化炭素の供給がある。供給に際しては、二酸化炭素流量調節手段２を通して二酸化炭素の流量が調節される。また本実施例では、二酸化炭素は水素と合流する前に圧力可変調節手段３によって昇圧される。
【００７５】
水素と合流した前記原料ガスは、熱交換器１１において前記有用物合成反応に関して最適な入口温度に調整される。
【００７６】
実施例１と同様に、水素流量測定手段５、触媒反応器入口温度測定手段７が、触媒反応器出口温度測定手段１０、触媒反応器圧力測定手段８からは、測定信号伝送路１０１を介して演算手段４に測定値が伝送される。
【００７７】
演算手段４は、前記有用物合成反応に関して最適な前記原料ガスの組成、温度、圧力を達成するために、制御信号伝送路１０２を介して二酸化炭素流量調節手段２、圧力可変調節手段３および熱媒体流量調節手段１２を制御する。
【００７８】
その他、これら構成要素の詳細については実施例１と同様である。
【００７９】
本実施例において実施例１と異なる点は、二酸化炭素の圧力可変調節手段３の位置が水素との合流よりも上流側である点である。本実施例においては、水電解水素製造設備６からは、水素が前記有用物合成反応に関して最適であるところの、常圧より高い圧力で原料ガス導入路５１に搬送されており、二酸化炭素が圧力可変調節手段３によって到達する圧力は、それとほぼ同じまで高められている。
【００８０】
本実施例においては、演算手段が圧力可変調節手段を制御することは、二酸化炭素の圧力を水電解水素製造設備から送られる水素の圧力に合致させることに相当する。
【００８１】
水素の流量が変化する際には、流路の圧力も小さいながら同時に変化する。二酸化炭素の側でもこの圧力変動に対応しなければ、水素と二酸化炭素が合流する位置で組成の変動が生じ、前記原料ガス組成が前記有用物合成反応に関して最適な反応条件から外れることが考えられる。それを防止するために演算手段は圧力可変調節手段を制御して二酸化炭素の圧力を適切に調整する。
【００８２】
圧力可変調節手段による圧縮によって二酸化炭素の温度は上昇するが、これが水素と合流した前記原料ガスの温度は、前記有用物合成反応に関して最適な入口温度と異なっていることが多い。そのため熱交換器１１は、前記原料ガスの温度を前記有用物合成反応に関して最適な入口温度と合致させるために、熱媒体を用いて前記原料ガスを加熱または冷却する。
【００８３】
このように本発明は、二酸化炭素の昇圧後に水素が合流する場合も、二酸化炭素が水素と合流した後に前記原料ガスを昇圧する場合にも適用可能である。
【００８４】
図２においては、水電解水素製造設備から原料ガス導入路に至る流路と、二酸化炭素分離回収設備から原料ガス導入路に至る流路は、それぞれ１つずつ記されているが、本発明においてはそれぞれ複数であっても良い。またそれらが原料ガス導入路に合流する位置は、それぞれ圧力可変調節手段の上流側であっても下流側であっても良い。
【実施例３】
【００８５】
図３は本発明の別の実施形態の一つにつき、そのプロセスフローを示した図である。
【００８６】
本実施例においては、二酸化炭素と水素の他に、少なくとも一つ以上の他成分が前記原料ガスに含まれる。
【００８７】
実施例１、実施例２と同様に、水素は水電解水素製造設備６から水素流量測定手段５を経て原料ガス導入路５１に搬送される。また二酸化炭素についても同様に、二酸化炭素分離回収設備１から二酸化炭素流量調節手段２を経て原料ガス導入路５１に搬送される。
【００８８】
本実施例においては、更に水素・二酸化炭素以外の成分供給設備１３を有し、水素・二酸化炭素以外の成分流量調節手段１４を介して、水素・二酸化炭素以外の成分を前記原料ガスに供給する。
【００８９】
水素・二酸化炭素以外の成分流量調節手段は、実施例１の二酸化炭素流量調節手段と同様に、例えば流量調節弁のようなバルブ類であったり、マスフローコントローラのような流量調節器を用いることができるが、流量を制御信号によって調節するという作用が達成可能な手段であれば前記の機器、設備に限定されない。
【００９０】
図３においては、水素・二酸化炭素以外の成分供給設備から原料ガス導入路に至る流路は一つのみ記されているが、本発明においてはこれが複数であっても良い。またそれらの成分は水素と二酸化炭素以外であれば同一であっても、異なっていても良い。流路が複数ある場合には、水素・二酸化炭素以外の成分流量調節手段もそれぞれの流路に設置される。
【００９１】
また図３では前記水素・二酸化炭素以外の成分が原料ガス導入路に合流する位置は、二酸化炭素と水素が合流する位置の下流側であるが、本発明においては、これが二酸化炭素と水素が合流する位置の上流側であっても良い。同様に、前記水素・二酸化炭素以外の成分が複数ある場合には、それぞれが原料ガス導入路に合流する位置は、二酸化炭素と水素が合流する位置の上流側であっても、下流側であっても良い。
【００９２】
前記水素・二酸化炭素以外の成分が常温常圧で液体の場合には、原料ガスに混合せずに例えば送液ポンプなどを用いて直接触媒反応器に導入することも可能である。
【００９３】
前記水素・二酸化炭素以外の成分としては例えば酸素、窒素、アンモニア、一酸化炭素、アルゴン等不活性ガス、炭化水素、含酸素有機物、含窒素有機物、含硫黄有機物を用いることができるが、これら以外であっても良い。
【００９４】
二酸化炭素、水素、前記水素・二酸化炭素以外の成分から構成された前記原料ガスは、圧力可変調節手段３によって昇圧される。
【００９５】
前記原料ガスは熱交換器１１によって、前記有用物合成反応に関して最適な入口温度に調整される。
【００９６】
実施例１と同様に、水素流量測定手段５、触媒反応器入口温度測定手段７が、触媒反応器出口温度測定手段１０、触媒反応器圧力測定手段８からは、測定信号伝送路１０１を介して演算手段４に測定値が伝送される。
【００９７】
演算手段４は、前記有用物合成反応に関して最適な前記原料ガスの組成、温度、圧力を達成するために、制御信号伝送路１０２を介して二酸化炭素流量調節手段２、水素・二酸化炭素以外の成分流量調節手段、圧力可変調節手段３および熱媒体流量調節手段１２を制御する。
【００９８】
その他、これら構成要素の詳細については実施例１と同様である。
【００９９】
図３においては前記水素・二酸化炭素以外の成分は一つであるが、前述のようにそれが複数の場合には、演算手段からそれぞれの水素・二酸化炭素以外の成分流量調節手段へ制御信号伝送路が接続されており、それを介してそれぞれの水素・二酸化炭素以外の成分流量調節手段に制御信号が伝送される。
【０１００】
前記水素・二酸化炭素以外の成分がアルゴン等不活性ガスの場合には、触媒反応器での前記有用物合成反応における適切な空間速度維持が達成可能となる。例えば前記水素の流量が低減した場合、導入される前記二酸化炭素の量も前記原料ガスの対水素化学量論比を維持するために低減する。結果として前記原料ガスの流量が低減することから、このままでは触媒反応器における空間速度が小さくなり滞在時間が長くなるため、反応が過度に進行する。
【０１０１】
実施例１ではこれに対応して、圧力可変調整手段による昇圧を抑制することや、熱媒体流量調節手段による温度変化をより低温側とすることにより、触媒反応器における前記有用物合成反応の過度の進行を防止していた。
【０１０２】
本実施例によれば、それらの方法の他に、前記アルゴン等不活性ガスを混合することで、前記原料ガスの体積を増加させることができ、前記水素の流量が低減する以前の触媒反応器における空間速度や滞在時間を実現できる。前記アルゴン等不活性ガスを混合した場合、前記水素と前記二酸化炭素の濃度が、混合しない場合に比べて低くなるため、前記水素の流量が低減する以前と全く同じ空間速度では、反応の進行が若干抑制される。演算手段はその抑制の程度も含めて、前記アルゴン等不活性ガスの前記原料ガスへの導入量を、水素・二酸化炭素以外の成分流量調節手段を制御することで達成する。
【０１０３】
前記有用物合成反応が生じる温度が高すぎず、実質的に窒素が前記有用物合成反応に関与しない場合には、前記アルゴン等不活性ガスの代わりに窒素または窒素と前記アルゴン等不活性ガスの混合物を用いることができる。
【実施例４】
【０１０４】
図４は本発明の別の実施形態の一つに付き、そのプロセスフローを示した図である。
【０１０５】
本実施例においては、触媒反応器９における前記有用物合成反応で反応に与れなかった前記原料ガスの未反応分について、第二の触媒反応器２４において再度前記有用物合成反応を生じさせ、生成ガス中の有用物濃度を高めている。
【０１０６】
実施例１と同様に、水素は水電解水素製造設備６から水素流量測定手段５を経て原料ガス導入路５１に搬送される。また二酸化炭素についても同様に、二酸化炭素分離回収設備１から二酸化炭素流量調節手段２を経て原料ガス導入路５１に搬送される。
【０１０７】
実施例１と同様に前記水素と合流した前記二酸化炭素は前記原料ガスとなって、圧力可変調節手段３で前記有用物合成反応に関して最適な圧力に昇圧される。
【０１０８】
前記原料ガスは熱交換器１１によって、前記有用物合成反応に関して最適な入口温度に調整され、触媒反応器９に導入される。
【０１０９】
触媒反応器９では、前記有用物合成反応に関して最適な条件が整えられてはいるが、それでも全ての反応物が反応し尽くすことは稀であり、通常では前記原料ガスの一部分は反応物のまま前記生成ガスに含まれて生成物送出路５２に送られる。
【０１１０】
前記生成ガスは通常、常温に比べてかなり高温であり、熱交換器１５の高温流体側に入って熱を低温流体側に与える。
【０１１１】
通常、前記生成ガス中には水分が主に水蒸気として含まれており、第二の触媒反応器２４で前記有用物合成反応を行う際には、系に水蒸気が存在すると反応平衡を反応物側に移動させ、前記有用物合成反応が進行しにくくなるため、前記生成ガス中の水分をなるべく除去する必要がある。そのため前記生成ガスは冷却器１６で冷却媒体によって降温され、前記生成ガス中の水分は飽和水蒸気圧分を残して液体となる。冷却媒体としては水を用いることができるが、前記生成ガスを冷却可能であればそれに限定されない。
【０１１２】
液体となった水分は気液分離器１８で分離されて、水分含有率が低くなった前記生成ガスは気液分離器から熱交換器１５の低温流体側に入り、高温流体側の前記生成ガスから熱を受けて昇温される。
【０１１３】
前記有用物が常温常圧で気体の場合、前記有用物を含む前記生成ガスと水分とは気液分離器で単純に分離できるが、前記有用物が常温常圧で液体の場合には、気液分離器で前記有用物は水分とともに液体で排出されるため、図４には記されていないが有用物を単離するには、別途前記有用物と水分との分離手段が必要になる。
【０１１４】
熱交換器１５で加熱された前記生成ガスは第二の圧力可変調節手段１９で昇圧される。
【０１１５】
第二の圧力可変調節手段は、例えば圧縮機を用いることができるが、気体の圧力を可変で増大するという作用が達成可能な手段であればそれに限定されない。
【０１１６】
第二の圧力可変調節手段１９で加圧された前記生成ガスは、熱交換器２１において第二の触媒反応器２４で生じる前記有用物合成反応に関して最適な入口温度に調整される。通常では第二の触媒反応器２４で生じる前記有用物合成反応に関して最適な入口温度は、触媒反応器９で生じる前記有用物合成反応に関して最適な入口温度と異なる場合が多い。
【０１１７】
前記生成ガスは、第二の圧力可変調節手段によって加圧された場合、圧縮により温度が上昇する。圧縮された後の前記生成ガスの温度が、第二の触媒反応器２４における前記有用物合成反応に関して最適な入口温度よりも低い場合には、熱交換器２１において加熱媒体により前記生成ガスが加熱される。
【０１１８】
一方、圧縮された後の前記生成ガスの温度が第二の触媒反応器２４における前記有用物合成反応に関して最適な入口温度よりも高い場合には、熱交換器１１において冷却媒体により、前記生成ガスが冷却される。
【０１１９】
昇圧、温度調節された前記生成ガスは、第二の触媒反応器原料ガスとなって、第二の触媒反応器原料ガス導入路５３によって第二の触媒反応器２４に導入される。そこで前記有用物合成反応を生じ、第二の触媒反応器生成物送出路５４を通して次工程に送出される。
【０１２０】
実施例１と同様に、原料ガス導入路５１上において触媒反応器９への前記原料ガスの入口近傍には触媒反応器入口温度測定手段７が、生成物送出路５２上において触媒反応器９からの生成物の出口近傍には触媒反応器出口温度測定手段１０が設置されている。また、触媒反応器には触媒反応器圧力測定手段８が設置されている。
【０１２１】
実施例１と同様に、触媒反応器入口温度測定手段７、触媒反応器出口温度測定手段１０、触媒反応器圧力測定手段８は、測定した値を測定信号伝送路１０１を介して演算手段４に伝送することが可能である。また前記水素流量測定手段５にも同様の伝送機能があり、同じく測定信号伝送路１０１を介して演算手段４に測定値を伝送する。
【０１２２】
実施例１と同様に、演算手段４は、水素流量測定手段５、触媒反応器入口温度測定手段７、触媒反応器圧力測定手段８および触媒反応器出口温度測定手段１０から得られたそれぞれの測定値に基づき、その値に見合った前記原料ガスの組成、温度、圧力を達成するために、制御信号伝送路１０２を介して二酸化炭素流量調節手段２、圧力可変調節手段３および熱媒体流量調節手段１２を制御する。
【０１２３】
本実施例においては、触媒反応器９に付随する測定手段や演算手段による前記原料ガス性状の調整機構が、第二の触媒反応器２４にも備わっている。
【０１２４】
すなわち本実施例においては、第二の触媒反応器原料ガス導入路５３上において第二の触媒反応器２４への前記第二の触媒反応器原料ガスの入口近傍には第二の触媒反応器入口温度測定手段２２が設置され、第二の触媒反応器生成物送出路５４上において第二の触媒反応器２４からの生成物の出口近傍には第二の触媒反応器出口温度測定手段２５が設置されている。また、第二の触媒反応器には第二の触媒反応器圧力測定手段２３が設置されている。
【０１２５】
また本実施例においては、第二の触媒反応器入口温度測定手段２２、第二の触媒反応器出口温度測定手段２５、第二の触媒反応器圧力測定手段２３は、測定した値を第二の触媒反応器関連測定信号伝送路１０３を介して演算手段４に伝送することが可能である。
【０１２６】
第二の触媒反応器入口温度測定手段および第二の触媒反応器出口温度測定手段には、例えば熱電対を用いることができるが、温度を測定してそれを伝送する目的を達成可能であれば、それに限定されない。第二の触媒反応器圧力測定手段には、例えば圧力伝送器を用いることができるが、圧力を測定してそれを伝送する目的を達成可能であれば、それに限定されない。
【０１２７】
さらに本実施例においては、演算手段４は、水素流量測定手段５、触媒反応器入口温度測定手段７、触媒反応器圧力測定手段８、触媒反応器出口温度測定手段１０、第二の触媒反応器入口温度測定手段２２、第二の触媒反応器出口温度測定手段２５および第二の触媒反応器圧力測定手段２３から得られたそれぞれの測定値に基づき、その値に見合った前記第二の触媒反応器原料ガスの組成、温度、圧力を達成するために、第二の触媒反応器関連制御信号伝送路１０４を介して冷却媒体流量調節手段１７、第二の圧力可変調節手段１９および熱媒体流量調節手段２０を制御する。
【０１２８】
冷却媒体流量調節手段１７は例えば流量調節バルブを用いることができるが、冷却媒体の流量を調節する目的が達成可能であれば、それに限定されない。前記冷却媒体には、冷却水や空気を用いることができるが、前記生成ガスを冷却するという目的が達成可能であれば、それらに限定されない。
【０１２９】
その他、これら構成要素の詳細については実施例１と同様である。
【０１３０】
演算手段４が冷却媒体流量調節手段１７を制御することは、前記第二の触媒反応器原料ガスの組成を制御することに相当する。
【０１３１】
前述の通り、触媒反応器９から送出される前記生成ガス中には、主に水蒸気の形で水分が含まれており、この水分は第二の触媒反応器２４で生じる前記有用物合成反応において、前記有用物の生成を抑制する作用がある。生成する前記有用物量を増大させるためには、前記生成ガス中の水分を除去する必要があるが、前記生成ガス中の水分量は冷却器１６で冷却した後の温度によって決定される。
【０１３２】
すなわち温度が低い場合には水蒸気圧が低く抑えられるために、凝縮する水分量が多くなることから、気液分離器１８で分離された後の前記第二の触媒反応器原料ガス中の水分量は少なくなる。逆に冷却器１６で冷却した後の温度が高い場合には、前記第二の触媒反応器原料ガス中の水分量は多くなる。このように冷却器での冷却度合いが前記第二の触媒反応器原料ガスの組成を変化させることになり、この冷却器での冷却度合いの変化は、冷却媒体流量調節手段を制御することによって達成される。
【０１３３】
一方で、水素流量が通常の反応条件に比べて少なく、全体として前記第二の触媒反応器原料ガスの量が少なくなった場合においては、第二の触媒反応器における空間速度が小さくなり、前記第二の触媒反応器原料ガスの滞在時間が長くなる。この場合には前記有用物合成反応が過度に進行し、望まない副生成物が多量に生成して、目的とする前記有用物量が少なくなる場合がある。これを避けるために、前記生成ガス中の水分をある程度残存させることによって、その分空間速度を上げて滞在時間を短くすることができる。この場合には、冷却媒体流量調節手段によって冷却器１６を流通する冷却媒体量を少なくすることにより、前記生成ガスの温度低下を抑制することで、前記生成ガス中の水分をある程度残存させることができる。
【０１３４】
演算手段４が第二の圧力可変調節手段１９および熱媒体流量調節手段２０を制御する意味については、実施例１において演算手段４が圧力可変調節手段３および熱媒体流量調節手段１２を制御するのと同様であり、第二の触媒反応器２４で生じる前記有用物合成反応に関して最適な入口圧力、入口温度を達成するためである。その詳細は実施例１で述べているのでここでは省略する。
【０１３５】
ただし前述したように、触媒反応器９における前記有用物合成反応に関して最適な前記原料ガス組成、入口圧力、入口温度と、第二の触媒反応器２４におけるそれらとは具体的な値が異なっている場合が多い。
【０１３６】
図４では触媒反応器９と第二の触媒反応器２４で生じる前記有用物合成反応が同じである場合を示しているが、これら二つの触媒反応器で生じる有用物が異なっていても良い。その場合、水電解水素製造設備６からの分岐、および／または二酸化炭素分離回収設備１からの分岐、および／または実施例３で示した水素・二酸化炭素以外の成分供給設備１３と水素・二酸化炭素以外の成分流量調節手段１４と同様の設備・機器を、熱交換器１５と第二の圧力可変調節手段１９との間に合流位置を設けることで、前記第二の触媒反応器原料ガスの組成を大幅に変更することが可能である。
【０１３７】
また、図４では触媒反応器が直列の接続で二つの場合を示しているが、これが直列に三つ以上の場合においても、本実施例に記載の方法にならって適切な測定手段および調節手段を設けて演算手段によって制御することで、前記有用物合成反応を良好な状態で安定して進行させることが可能である。
【０１３８】
以上述べてきたように、本実施例によれば、複数の触媒反応器が直列になっている場合についても、それぞれの触媒反応器からの測定信号を基に、演算手段を介してそれぞれの触媒反応器に関わる反応条件を制御することができ、前記有用物合成反応を良好な状態で安定して進行させることが可能である。
【符号の説明】
【０１３９】
１…二酸化炭素分離回収設備、２…二酸化炭素流量調節手段、３…圧力可変調節手段、４…演算手段、５…水素流量測定手段、６…水電解水素製造設備、７…触媒反応器入口温度測定手段、８…触媒反応器圧力測定手段、９…触媒反応器、１０…触媒反応器出口温度測定手段、１１…熱交換器、１２…熱媒体流量調節手段、１０１…測定信号伝送路、１０２…制御信号伝送路
【図１】
2020033283.tif 000004
【図２】
2020033283.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
2020033283.tif 000008
【図６】
2020033283.tif 000009
【図７】
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