(57)【要約】【課題】炭化水素製造装置において、炭化水素化合物への転化率を向上しつつ熱エネルギーの回収量を増大する技術を提供する。【解決手段】二酸化炭素と水素からメタンを製造するメタン製造装置は、メタン化触媒性能を有する触媒を収容し、供給源から供給された二酸化炭素と水素とを含む原料ガスを用いて、メタンを生成する第１反応器と、第１反応器で生成されたメタンを含む反応混合ガスを用いて、メタンを生成する第２反応器と、第２反応器の触媒と熱交換する熱媒体の流量が第１反応器の触媒と熱交換する熱媒体の流量より少なくなるように、第１反応器と第２反応器とに熱媒体を供給する熱媒体供給部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素製造装置であって、
触媒を収容し、供給源から供給された原料ガスを用いて炭化水素化合物を生成する第１反応器と、
触媒を収容し、前記第１反応器で生成された炭化水素化合物を含む反応混合ガスを用いて炭化水素化合物を生成する第２反応器と、
前記第２反応器の触媒と熱交換する熱媒体の流量が前記第１反応器の触媒と熱交換する熱媒体の流量より少なくなるように、前記第１反応器と前記第２反応器とに熱媒体を供給する熱媒体供給部と、を備える、
炭化水素製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載の炭化水素製造装置は、さらに、
前記熱媒体供給部が前記第１反応器と前記第２反応器とに供給する熱媒体の流量を制御する流量制御部を備える、
炭化水素製造装置。
【請求項３】
請求項２に記載の炭化水素製造装置であって、
前記流量制御部は、前記炭化水素製造装置における炭化水素化合物への転化率が所定の転化率より大きくなるように、前記第２反応器で生成された炭化水素化合物を含む生成ガス中の組成、または、前記触媒の温度分布を用いて、前記第２反応器の触媒と熱交換する熱媒体の流量を制御する、
炭化水素製造装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の炭化水素製造装置であって、
前記流量制御部は、前記炭化水素製造装置における熱媒体による熱の回収量が所定の回収量より大きくなるように、前記炭化水素製造装置に供給される熱媒体の温度と前記炭化水素製造装置から排出される熱媒体の温度との温度差を用いて、前記第１反応器の触媒と熱交換する熱媒体の流量を制御する、
炭化水素製造装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の炭化水素製造装置であって、
前記第１反応器では、前記原料ガスの流通方向において相対的に上流側の熱媒体の流量は、前記原料ガスの流通方向において相対的に下流側の熱媒体の流量より少ない、
炭化水素製造装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の炭化水素製造装置であって、
前記第２反応器では、前記反応混合ガスの流通方向において相対的に上流側の熱媒体の流量は、前記反応混合ガスの流通方向において相対的に下流側の熱媒体の流量より少ない、
炭化水素製造装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の炭化水素製造装置であって、
前記熱媒体供給部は、前記第１反応器の触媒と熱交換した熱媒体を前記第２反応器に供給する、
炭化水素製造装置。
【請求項８】
請求項７に記載の炭化水素製造装置は、さらに、
前記第２反応器で生成された炭化水素化合物を含む生成ガスを、前記熱媒体供給部が供給する熱媒体を用いて冷却することによって、前記生成ガスから低沸点成分を分離する生成ガス冷却部を備え、
前記熱媒体供給部は、前記生成ガス冷却部で前記生成ガスを冷却した熱媒体を、前記第１反応器に供給する、
炭化水素製造装置。
【請求項９】
請求項８に記載の炭化水素製造装置は、さらに、
前記熱媒体供給部が供給する熱媒体を用いて前記反応混合ガスを冷却することによって、前記第２反応器における炭化水素化合物の生成反応を阻害する低沸点成分を前記反応混合ガスから分離する混合ガス冷却部を備え、
前記熱媒体供給部は、前記生成ガス冷却部で前記生成ガスを冷却したのち前記混合ガス冷却部で前記反応混合ガスを冷却した熱媒体を、前記第１反応器に供給する、
炭化水素製造装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の炭化水素製造装置であって、
前記熱媒体供給部は、前記第１反応器と前記第２反応器とに別々に熱媒体を供給し、
前記第１反応器の触媒と熱交換した熱媒体と、前記第２反応器の触媒と熱交換した熱媒体とは、前記炭化水素製造装置から別々に排出される、
炭化水素製造装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の炭化水素製造装置は、さらに、
前記熱媒体供給部が供給する熱媒体を用いて前記反応混合ガスを冷却することによって、前記第２反応器における炭化水素化合物の生成反応を阻害する低沸点成分を前記反応混合ガスから分離する混合ガス冷却部を備える、
炭化水素製造装置。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の炭化水素製造装置であって、
前記第２反応器の前記触媒を収容する部位の内径は、前記第１反応器の前記触媒を収容する部位の内径より大きい、
炭化水素製造装置。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の炭化水素製造装置であって、
前記第２反応器に収容されている前記触媒の量は、前記第１反応器に収容されている前記触媒の量より多い、
炭化水素製造装置。
【請求項１４】
炭化水素製造方法であって、
触媒が収容された第１反応器に、原料ガスを供給して炭化水素化合物を生成する工程と、
前記第１反応器の下流側に配置され触媒が収容された第２反応器に、前記第１反応器で生成された炭化水素化合物を含む反応混合ガスを供給して炭化水素化合物を生成する工程と、
前記第２反応器の触媒と熱交換する熱媒体の流量が前記第１反応器の触媒と熱交換する熱媒体より少なくなるよう、前記第１反応器と前記第２反応器とに熱媒体を供給する工程と、を備える、
炭化水素製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素製造装置、および、炭化水素製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば、メタンなどの炭化水素化合物を製造する技術が知られている。例えば、引用文献１には、二酸化炭素を含む原料ガスと水素の一部とを供給する第１反応器と、第１反応器から来る反応混合ガスに水素の残部を供給する第２反応器と、第２反応器から来る生成ガスの組成を調整する第３反応器と、を備えたメタン製造装置において、第１反応器の反応温度を第１反応器への水蒸気の供給または第１反応器に供給される水素の供給量によって調整する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１３６５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
メタン製造装置における二酸化炭素のメタンへの転化率を向上するためには、メタネーション反応が高効率で進行するよう触媒の温度を適正な温度に制御する必要がある。引用文献１に記載のメタン製造装置のように複数の反応器を備える場合、下流に進むにつれてメタン濃度が増加するため、下流側反応器ほどメタネーション反応の反応速度が低下する。このため、メタン製造装置全体として高転化率とするためには、下流側反応器の触媒の温度の制御が重要となる。上述した複数の反応器を備えるメタン製造装置の場合、上流側反応器において上流側反応器の触媒と熱交換した熱媒体の全量が下流側反応器を流れるため、下流側反応器に流入する前に熱媒体を加熱し熱媒体の温度を比較的高くすることによって下流側反応器における熱媒体と触媒との熱交換速度を小さくしている。
【０００５】
一方、メタネーション反応は発熱反応であるため、メタン製造装置は、メタネーション反応によって発生する熱を別の装置に供給可能な熱源とすることが可能である。メタネーション反応による熱を効率的に回収するためには、熱媒体の外気への放熱を抑制する必要がある。しかしながら、上述したように、メタンへの転化率を向上するために下流側反応器に比較的高温の熱媒体を供給すると、当該下流側反応器からの放熱量が増加する。このため、メタンへの転化率を向上しつつ熱エネルギーの回収量を増大させることは容易ではなかった。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、炭化水素製造装置において、炭化水素化合物への転化率を向上しつつ熱エネルギーの回収量を増大させる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００８】
（１）本発明の一形態によれば、炭化水素製造装置が提供される。この炭化水素製造装置は、触媒を収容し、供給源から供給された原料ガスを用いて炭化水素化合物を生成する第１反応器と、触媒を収容し、前記第１反応器で生成された炭化水素化合物を含む反応混合ガスを用いて炭化水素化合物を生成する第２反応器と、前記第２反応器の触媒と熱交換する熱媒体の流量が前記第１反応器の触媒と熱交換する熱媒体の流量より少なくなるように、前記第１反応器と前記第２反応器とに熱媒体を供給する熱媒体供給部と、を備える。
【０００９】
この構成によれば、第２反応器を流れる熱媒体の流量が第１反応器を流れる熱媒体の流量より少なくなるため、第２反応器における熱媒体と触媒との熱交換速度を第１反応器における熱媒体と触媒との熱交換速度に比べて小さくすることができる。また、第２反応器を流れる熱媒体の流量が比較的少なくなるため、第２反応器からの放熱量を低減することができる。これらにより、原料ガスから炭化水素化合物への転化率を向上しつつ、炭化水素化合物の生成反応により発生する熱エネルギーの回収量を増大させることができる。
【００１０】
（２）上記形態の炭化水素製造装置は、さらに、前記熱媒体供給部が前記第１反応器と前記第２反応器とに供給する熱媒体の流量を制御する流量制御部を備えてもよい。この構成によれば、流量制御部は、炭化水素化合物への転化率を向上しつつ熱エネルギーの回収量が増大するように、熱媒体の流量を制御することができる。
【００１１】
（３）上記形態の炭化水素製造装置において、前記流量制御部は、前記炭化水素製造装置における炭化水素化合物への転化率が所定の転化率より大きくなるように、前記第２反応器で生成された炭化水素化合物を含む生成ガス中の組成、または、前記触媒の温度分布を用いて、前記第２反応器の触媒と熱交換する熱媒体の流量を制御してもよい。この構成によれば、実際の生成ガス中の組成や触媒の温度分布に応じて炭化水素化合物への転化率を推定し、流量制御部は、当該推定結果にしたがって熱媒体の流量を制御する。これにより、炭化水素製造装置全体における炭化水素化合物への転化率に比較的大きな影響を及ぼす第２反応器での炭化水素化合物への転化率を向上することができるため、炭化水素化合物への転化率を所定の転化率より大きくすることができる。
【００１２】
（４）上記形態の炭化水素製造装置において、前記流量制御部は、前記炭化水素製造装置における熱媒体による熱の回収量が所定の回収量より大きくなるように、前記炭化水素製造装置に供給される熱媒体の温度と前記炭化水素製造装置から排出される熱媒体の温度との温度差を用いて、前記第１反応器の触媒と熱交換する熱媒体の流量を制御してもよい。この構成によれば、実際の熱媒体の温度差に応じて熱の回収量を推定し、流量制御部は、当該推定結果にしたがって熱媒体の流量を制御する。これにより、炭化水素製造装置における熱エネルギーの回収量に比較的大きな影響を及ぼす第１反応器での熱エネルギーの回収量を増大することができるため、熱エネルギーの回収量を所定の回収量より大きくすることができる。
【００１３】
（５）上記形態の炭化水素製造装置において、前記第１反応器では、前記原料ガスの流通方向において相対的に上流側の熱媒体の流量は、前記原料ガスの流通方向において相対的に下流側の熱媒体の流量より少なくてもよい。また、前記第２反応器では、前記反応混合ガスの流通方向において相対的に上流側の熱媒体の流量は、前記反応混合ガスの流通方向において相対的に下流側の熱媒体の流量より少なくてもよい。これらの構成によれば、反応器における熱媒体の流量は、反応器内を流れる原料ガスまたは反応混合ガスの流通方向に対して上流側の熱媒体の流量が下流側の熱媒体の流量より少ない。これにより、反応器のガスの入口では、原料ガスまたは反応混合ガスは、自身の反応熱によって十分に昇温されるため、炭化水素化合物の生成反応が促進される。したがって、炭化水素化合物への転化率をさらに向上することができる。
【００１４】
（６）上記形態の炭化水素製造装置において、前記熱媒体供給部は、前記第１反応器の触媒と熱交換した熱媒体を前記第２反応器に供給してもよい。この構成によれば、第１反応器における炭化水素化合物の生成反応によって発生する熱を利用して第２反応器の触媒の冷却速度を抑制することができる。これにより、第２反応器における炭化水素化合物の生成反応を確実に進行させることができる。したがって、炭化水素化合物への転化率をさらに向上することができる。また、この構成によれば、条件によっては外部からの熱投入を不要とすることができる。
【００１５】
（７）上記形態の炭化水素製造装置は、前記第２反応器で生成された炭化水素化合物を含む生成ガスを、前記熱媒体供給部が供給する熱媒体を用いて冷却することによって、前記生成ガスから低沸点成分を分離する生成ガス冷却部を備え、前記熱媒体供給部は、前記生成ガス冷却部で前記生成ガスを冷却したのち前記第１反応器で触媒と熱交換した熱媒体を、前記第１反応器に供給してもよい。生成ガス冷却部において生成ガスを冷却した熱媒体は、第１反応器を通って第２反応器に供給される。このとき、生成ガス冷却部において回収される熱では第２反応器における炭化水素化合物の生成反応を維持するための十分な熱量とならないおそれがある。そこで、この構成によれば、熱媒体供給部は、生成ガス冷却部と第１反応器とにおける熱交換によって加熱された熱媒体を第２反応器に供給する。これにより、熱媒体は、第１反応器でも加熱されるため、第２反応器における炭化水素化合物の生成反応を確実に維持することができる程度まで昇温される。したがって、第２反応器における炭化水素化合物の生成反応を確実に進行させることができるため、炭化水素化合物への転化率をさらに向上することができる。
【００１６】
（８）上記形態の炭化水素製造装置は、前記熱媒体供給部が供給する熱媒体を用いて前記反応混合ガスを冷却することによって、前記第２反応器における炭化水素化合物の生成反応を阻害する低沸点成分を前記反応混合ガスから分離する混合ガス冷却部を備え、前記熱媒体供給部は、前記生成ガス冷却部で前記生成ガスを冷却した熱媒体を、前記第１反応器に供給してもよい。この構成によれば、生成ガス冷却部において生成ガスを冷却することによって加熱された熱媒体は、混合ガス冷却部において反応混合ガスを冷却することによってさらに加熱される。この混合ガス冷却部において加熱された熱媒体は、第１反応器を通って第２反応器に供給される。これにより、第２反応器に供給される熱媒体は、混合ガス冷却部と第１反応器とでも加熱されるため、第２反応器における炭化水素化合物の生成反応を確実に維持することができる程度まで昇温される。したがって、第２反応器における炭化水素化合物の生成反応を確実に進行させることができるため、炭化水素化合物への転化率をさらに向上することができる。
【００１７】
（９）上記形態の炭化水素製造装置において、前記熱媒体供給部は、前記第１反応器と前記第２反応器とに別々に熱媒体を供給し、前記第１反応器の触媒と熱交換した熱媒体と、前記第２反応器の触媒と熱交換した熱媒体とは、前記炭化水素製造装置から別々に排出されてもよい。この構成によれば、熱媒体供給部は、第１反応器と第２反応器とのそれぞれに別々に熱媒体を供給するため、各反応器を流れる熱媒体の量を精度よく設定することができる。これにより、炭化水素化合物への転化率をさらに向上しつつ、炭化水素化合物の生成反応により発生する熱エネルギーの回収量をさらに増加することができる。
【００１８】
（１０）上記形態の炭化水素製造装置は、前記熱媒体供給部が供給する熱媒体を用いて前記反応混合ガスを冷却することによって、前記第２反応器における炭化水素化合物の生成反応を阻害する低沸点成分を前記反応混合ガスから分離する混合ガス冷却部を備えてもよい。この構成によれば、第２反応器に供給される反応混合ガスに含まれる低沸点成分の量を少なくすることができる。これにより、第２反応器における炭化水素化合物の生成反応が進みやすくなるため、炭化水素化合物への転化率をさらに向上することができる。
【００１９】
（１１）上記形態の炭化水素製造装置において、前記第２反応器の前記触媒を収容する部位の内径は、前記第１反応器の前記触媒を収容する部位の内径より大きくしてもよい。この構成によれば、第２反応器における熱媒体と触媒との伝熱面積が、第１反応器における熱媒体と触媒との伝熱面積より小さくなるため、第２反応器における熱媒体と触媒との熱交換速度が、第１反応器における熱媒体と触媒との熱交換速度より小さくなる。また、第２反応器からの放熱量を低減することができる。これにより、炭化水素化合物への転化率をさらに向上しつつ、炭化水素化合物の生成反応により発生する熱エネルギーの回収量をさらに増加することができる。
【００２０】
（１２）上記形態の炭化水素製造装置において、前記第２反応器に収容されている前記触媒の量は、前記第１反応器に収容されている前記触媒の量より多くしてもよい。この構成によれば、触媒の量が同じ場合には反応速度が第１反応器より遅くなる第２反応器の反応速度を速くすることができる。これにより、炭化水素化合物への転化率をさらに向上することができる。
【００２１】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、炭化水素製造装置の制御方法、この制御方法をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム、炭化水素製造方法、炭化水素製造装置の製造方法、炭化水素化触媒システム、炭化水素を燃料とする燃料製造装置などの形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態の炭化水素製造装置の概略構成を示した説明図である。
【図２】第２実施形態の炭化水素製造装置の概略構成を示した説明図である。
【図３】第２実施形態における制御処理を示すフローチャートである。
【図４】第３実施形態の炭化水素製造装置の概略構成を示した説明図である。
【図５】第４実施形態の炭化水素製造装置の概略構成を示した説明図である。
【図６】第４実施形態における制御処理を示すフローチャートである。
【図７】第５施形態の炭化水素製造装置の概略構成を示した説明図である。
【図８】第５実施形態における制御処理を示すフローチャートである。
【図９】第６実施形態の炭化水素製造装置の概略構成を示した説明図である。
【図１０】第７実施形態の炭化水素製造装置の概略構成を示した説明図である。
【図１１】第８実施形態の炭化水素製造装置の概略構成を示した説明図である。
【図１２】第９実施形態の炭化水素製造装置の概略構成を示した説明図である。
【図１３】第１０実施形態の炭化水素製造装置の概略構成を示した説明図である。
【図１４】第１１実施形態の炭化水素製造装置の概略構成を示した説明図である。
【図１５】第１２実施形態の炭化水素製造装置の概略構成を示した説明図である。
【図１６】炭化水素製造装置の変形例の概略構成を示した説明図である。
【図１７】炭化水素製造装置の別の変形例の概略構成を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態におけるメタン製造装置１Ａの概略構成を示した説明図である。メタン製造装置１Ａは、二酸化炭素（ＣＯ2）と水素（Ｈ2）とからメタンを製造する装置であって、定常運転時において、メタン化触媒を活性温度に維持するための熱エネルギーを、外部から投入せずにメタネーション反応の反応熱を利用するように構成されている。メタン製造装置１Ａは、第１反応器１０と、第２反応器２０と、ＣＯ2供給源３０と、水素供給源４０と、原料ガス流路５０と、反応混合ガス流路６０と、生成ガス流路７０と、熱媒体流路８０と、調量弁８２と、制御部９０と、を備えている。第１実施形態では、「炭化水素製造装置」としてのメタン製造装置１Ａは、「炭化水素化合物」としてのメタンを製造するとしているが、本実施形態は、メタン以外の炭化水素化合物を製造する炭化水素製造装置にも適用可能である。例えば、「炭化水素化合物」としてのエタンやプロパンなどの炭素と水素とから構成される化合物やメタノールなどの主に炭素と水素とから構成される化合物を製造する「炭化水素製造装置」にも適用可能である。
【００２４】
第１反応器１０は、内部においてメタネーション反応によりメタンを生成するための略筒形状の容器であり、二重管によって構成されている。第１反応器１０の内側の管内には、触媒１１が配置され、両端には、ガス入口１２と、ガス出口１３とが形成されている。触媒１１は、メタン化触媒性能を有する金属を含んでいる。メタン化触媒性能を有する金属としては、例えば、ＲｕやＮｉを例示することができる。第１反応器１０の上流側には原料ガス流路５０が接続され、下流側には反応混合ガス流路６０が接続されている。原料ガス流路５０からＣＯ2とＨ2とを含む原料ガスが第１反応器１０に供給され、メタネーション反応によってメタンが生成される。生成されたメタンや未反応のＣＯ2等を含む反応混合ガスは、反応混合ガス流路６０を経由して第２反応器２０に供給される。
【００２５】
第１反応器１０の外側の管と内側の管との間には、オイル等の流体の熱媒体（熱流体）が流通する内部流路１５が形成されている。内部流路１５は、熱媒体流路８０の一部であって、熱媒体入口１６から内部流路１５に流入した熱媒体は、第１反応器１０内のメタネーション反応によって加熱された後、熱媒体出口１７から排出される。熱媒体入口１６は、第１反応器１０での原料ガスの流通方向において相対的に下流側に設けられており、熱媒体出口１７は、第１反応器１０での原料ガスの流通方向において相対的に上流側に設けられている。これにより、熱媒体は、触媒１１の下流側から上流側に向かって流通するため、より高温となる触媒１１の上流側の熱を第２反応器２０に供給することができる。
【００２６】
第２反応器２０は、第１反応器１０と同形状、同容量の容器であり、内側の管内には、触媒２１が配置され、両端には、ガス入口２２と、ガス出口２３と、が形成されている。触媒２１は、触媒１１と同様に、メタン化触媒性能を有する金属を含んでいる。第２反応器２０の上流側には反応混合ガス流路６０が接続され、下流側には生成ガス流路７０が接続されている。第２反応器２０には、第１反応器１０によって生成されたメタンのほか未反応のＣＯ2を含む反応混合ガスが反応混合ガス流路６０から供給される。反応混合ガスの供給によって、第２反応器２０の内部ではメタネーション反応によってメタンが生成される。第２反応器２０で生成された生成物（ＣＨ4と「低沸点成分」としてのＨ2Ｏ）を含む生成ガスは、生成ガス流路７０を経由して冷却部７１に供給される。冷却部７１では、生成ガスからＨ2Ｏが分離される。
【００２７】
第２反応器２０の外側の管と内側の管との間には、熱媒体が流通する内部流路２５が形成されている。内部流路２５は、熱媒体流路８０の一部であって、熱媒体入口２６から内部流路２５に流入した熱媒体は、第２反応器２０に供給される反応混合ガスや触媒２１を加熱した後、熱媒体出口２７から排出される。本実施形態では、熱媒体入口２６は、第２反応器２０での反応混合ガスの流通方向において相対的に下流側に設けられており、熱媒体出口２７は、第２反応器２０での反応混合ガスの流通方向において相対的に上流側に設けられている。これにより、熱媒体は、触媒２１の下流側から上流側に向かって流通するため、メタネーション反応が生じにくく相対的に温度が低い触媒２１の下流側をより昇温させることができる。
【００２８】
ＣＯ2供給源３０は、ＣＯ2を含有する原料ガスを供給可能な供給源であり、例えば、燃焼炉と、ＣＯ2分離器とを含んで構成される。ＣＯ2分離器は、燃焼炉の排ガスからＣＯ2を分離して回収するための装置であり、内部にＣＯ2吸蔵（吸着）性能を有する吸着材が収容されている。ＣＯ2供給源３０から供給される原料ガスは、原料ガス流路５０を経由して第１反応器１０に供給される。
【００２９】
水素供給源４０は、例えば、水電解装置や水素タンクによって構成される。水素供給源４０から供給されるＨ2は、水素供給流路４１から原料ガス流路５０を経由して第１反応器１０に供給される。水素供給流路４１には、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）４２が設けられており、原料ガス流路５０から第１反応器１０に供給されるＨ2の量が調整される。ＭＦＣ４２は、制御部９０によって制御される。
【００３０】
原料ガス流路５０は、ＣＯ2供給源３０から供給されたＣＯ2と、ＭＦＣ４２を介して水素供給源４０から供給されたＨ2と、を含む原料ガスを第１反応器１０に供給するためのガス流路であり、複数のガス配管を含んで構成されている。原料ガス流路５０には、ＣＯ2供給源３０から供給されるＣＯ2を含む原料ガスの流量を測定する流量計５１が設けられている。流量計５１の下流側には、水素供給流路４１が接続されており、ＭＦＣ４２からＨ2が供給される。流量計５１を通過したＣＯ2を含む原料ガスは、ＭＦＣ４２からのＨ2が付加された後、第１反応器１０に供給される。本実施形態では、原料ガス流路５０には、第１反応器１０に供給される原料ガスを加熱するヒータが設けられておらず、原料ガスは常温（例えば、２０℃±１５℃）のまま第１反応器１０に供給される。
【００３１】
反応混合ガス流路６０は、第１反応器１０から送り出された反応混合ガスを第２反応器２０に供給するためのガス流路であり、複数のガス配管によって構成されている。反応混合ガス流路６０には、冷却部６１が設けられている。冷却部６１は、第１反応器１０で生成された生成物（ＣＨ4とＨ2Ｏ）を含む反応混合ガスからＨ2Ｏを分離する脱水装置である。冷却部６１は、第１反応器１０から送り出された反応混合ガス（１００℃〜２００℃）を常温（例えば、２０℃±１５℃）まで低下させてＨ2Ｏを分離する。Ｈ2Ｏが分離された常温の反応混合ガスは、第２反応器２０に供給される。本実施形態では、反応混合ガス流路６０には、第２反応器２０に供給される反応混合ガスを加熱するヒータが設けられておらず、反応混合ガスは常温のまま第２反応器２０に供給される。
【００３２】
熱媒体流路８０は、熱媒体としてのオイル等の流体が流通する流路であり、第１反応器１０と第２反応器２０とに接続している。熱媒体流路８０は、流入流路８０ａと、中間流路８０ｂと、流出流路８０ｃと、分流流路８０ｄと、を含み、熱媒体を流通可能に形成されている。
【００３３】
流入流路８０ａは、熱媒体を圧送可能なポンプ８３と、第１反応器１０の熱媒体入口１６と、に接続し、ポンプ８３が圧送する熱媒体を第１反応器１０の内部流路１５に供給する。第１反応器１０の内部流路１５に供給される熱媒体は、第１反応器１０の触媒１１と熱交換を行う。
中間流路８０ｂは、第１反応器１０の熱媒体出口１７と、第２反応器２０の熱媒体入口２６とに接続し、第１反応器１０から排出される熱媒体を第２反応器２０の内部流路２５に供給する。第２反応器２０の内部流路２５に供給される熱媒体は、第２反応器２０の触媒２１と熱交換を行う。
流出流路８０ｃは、第２反応器２０の熱媒体出口２７に接続し、第２反応器２０から排出される熱媒体をメタン製造装置１Ａの外部の熱活用先に供給する。
分流流路８０ｄは、中間流路８０ｂに接続し、中間流路８０ｂを流れる熱媒体の一部を熱活用先に供給する。
【００３４】
本実施形態では、第１反応器１０でのメタネーション反応で発生する熱量が第２反応器２０でのメタネーション反応で発生する熱量より大きいため、熱媒体流路８０を流れる熱媒体は、第１反応器１０のメタネーション反応で生じた熱を第２反応器２０に供給する。
【００３５】
調量弁８２は、分流流路８０ｄに設けられ、分流流路８０ｄを流れる熱媒体の流量を調整する。本実施形態では、分流流路８０ｄを流れる熱媒体の流量は、調量弁８２によって、一定となるよう調整されている。これにより、第２反応器２０の内部流路２５を流れる熱媒体の流量は、第１反応器１０の内部流路１５を流れた熱媒体の流量から分流流路８０ｄを流れる熱媒体の流量を引いた流量となる。ここでは、調量弁８２は、分流流路８０ｄを流れる熱媒体の流量を一定にするとしたが、手動によって分流流路８０ｄを流れる熱媒体の流量を変更可能なものであってもよい。また、調量弁８２は、図示しない制御部によって制御可能なものであって、当該制御部からの指令に応じて熱媒体の流量を変更するものであってもよい。
【００３６】
以上説明した、第１実施形態のメタン製造装置１Ａによれば、中間流路８０ｂを流れる熱媒体のうちの一定量が分流流路８０ｄによってメタン製造装置１Ａから排出されるため、第２反応器２０の内部流路２５を流れる熱媒体の流量は、第１反応器１０の内部流路１５を流れる熱媒体の流量より少なくなる。これにより、第２反応器２０における熱媒体と触媒２１との熱交換速度を第１反応器１０における熱媒体と触媒１１との熱交換速度に比べて小さくすることができるため、第２反応器２０の触媒２１の温度を、メタネーション反応が十分に進行する温度とすることができる。また、第２反応器２０を流れる熱媒体の流量が比較的少なくなるため、第２反応器２０からの放熱量が低減され、メタネーション反応で発生する熱を熱活用先に効率的に供給することができる。これらにより、原料ガスからメタンへの転化率を向上しつつ、メタネーション反応により発生する熱エネルギーの回収量を増加することができる。
なお、第１実施形態のメタン製造装置１Ａは、メタンを製造するとしているが、「炭化水素製造装置」が製造する炭化水素化合物は、メタンだけでなく、例えば、エタンやプロパンなどの炭素と水素とから構成される化合物や、メタノールなどの主に炭素と水素とを含む化合物を含んでもよい。
【００３７】
また、第１実施形態のメタン製造装置１Ａによれば、第１反応器１０の触媒１１と熱交換した熱媒体は、第２反応器２０に供給される。これにより、第１反応器１０におけるメタネーション反応によって発生する熱を利用して第２反応器２０の触媒２１の冷却速度を抑制することができる。したがって、第２反応器２０におけるメタネーション反応を確実に進行させることができるため、メタンへの転化率をさらに向上することができる。
【００３８】
また、第１実施形態のメタン製造装置１Ａによれば、冷却部６１は、熱媒体を用いて反応混合ガスを冷却することによって、第２反応器２０におけるメタネーション反応を阻害する水を反応混合ガスから分離する。これにより、第２反応器２０に供給される反応混合ガスに含まれる水の量を少なくすることができるため、第２反応器２０におけるメタネーション反応が進みやすくなる。したがって、炭化水素化合物への転化率をさらに向上することができる。
【００３９】
＜第２実施形態＞
図２は、第２実施形態におけるメタン製造装置１Ｂの概略構成を示した説明図である。第２実施形態のメタン製造装置１Ｂは、第１実施形態のメタン製造装置１Ａ（図１）と比較すると、調量弁８２を備えておらず、制御部９０と調量弁８４と分析計８５とを備える点が異なる。
【００４０】
制御部９０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、ＣＰＵを含んで構成されるコンピュータであり、メタン製造装置１Ｂの全体の制御をおこなう。制御部９０は、ＭＦＣ４２、ポンプ８３、調量弁８４のほか、分析計８５や図示しないセンサ（温度センサ、流量センサ、濃度センサ等）、温度調整部等と電気的に接続され、これらの制御をおこなう。
【００４１】
調量弁８４は、流出流路８０ｃに設けられ、第２反応器２０の内部流路２５を流れる熱媒体の流量を調整する。本実施形態では、調量弁８４は、制御部９０によって絞り量ξ1が制御可能であって、内部流路２５を流れる熱媒体の流量は、調量弁８４によって可変となっている。
分析計８５は、生成ガス流路７０に設けられ、熱媒体出口２７から排出される生成ガス中のＣＯ2濃度とメタン濃度とを計測する。
【００４２】
図３は、本実施形態における制御部９０の制御処理を示すフローチャートである。
制御部９０は、メタン製造装置１Ｂの始動後（ｔ＝０［ｓｅｃ］）において、最初に、分析計８５によって時刻ｔにおける生成ガス流路７０内のＣＯ2濃度ＸCO2（ｔ）とメタン濃度ＸCH4（ｔ）とを計測する（ステップＳ１１）。計測されたＣＯ2濃度ＸCO2（ｔ）とメタン濃度ＸCH4（ｔ）とは、制御部９０に出力される。
【００４３】
次に、制御部９０は、時刻ｔにおけるメタン製造装置１Ｂ全体でのメタンへの転化率Ｃtot（ｔ）を算出する（ステップＳ１２）。転化率Ｃtot（ｔ）は、式（１）より求められる。
Ｃtot（ｔ）  ＝  ＸCH4（ｔ）/[ＸCH4（ｔ）＋ＸCO2（ｔ）]      ・・・（１）
【００４４】
次に、制御部９０は、ステップＳ１２において算出した転化率Ｃtot（ｔ）が、「所定の転化率」としての目標転化率ＣTarget以下であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。
制御部９０が転化率Ｃtot（ｔ）は目標転化率ＣTarget以下であると判定すると、ステップＳ１４において、制御部９０は、調量弁８４の絞り量ξ1が増加するよう調量弁８４を制御する。これにより、調量弁８４を流れる熱媒体の流量は時刻ｔより以前に比べ減少する一方、分流流路８０ｄによって熱活用先に供給される熱媒体の量は時刻ｔより以前に比べ増加する。すなわち、第２反応器２０の内部流路２５を流れる熱媒体の流量は、減少する。
【００４５】
制御部９０が転化率Ｃtot（ｔ）は目標転化率ＣTargetより大きいと判定すると、ステップＳ１５において、制御部９０は、調量弁８４の絞り量ξ1が減少するよう調量弁８４を制御する。これにより、調量弁８４を流れる熱媒体の流量は時刻ｔより以前に比べ増加する一方、分流流路８０ｄによって熱活用先に供給される熱媒体の量は時刻ｔより以前に比べ減少する。すなわち、第２反応器２０の内部流路２５を流れる熱媒体の流量は、増加する。
【００４６】
制御部９０は、ステップＳ１４またはステップＳ１５の制御が終了してから時間δｔが経過したのち、ステップＳ１１として、分析計８５によって時刻（ｔ＋δｔ）の生成ガス流路７０におけるＣＯ2濃度とメタン濃度とを計測する。その後、制御部９０は、ステップＳ１２以降の判定と制御とを行う。以上が制御処理についての説明である。
【００４７】
以上説明した、第２実施形態のメタン製造装置１Ｂによれば、例えば、原料ガスの流量変動などによって転化率Ｃtotが目標転化率ＣTarget以下とならないように、生成ガス中のＣＯ2濃度とメタン濃度とに応じて、第２反応器２０を流れる熱媒体の流量を制御する。これにより、メタン製造装置１Ｂ全体におけるメタンへの転化率に比較的大きな影響を及ぼす第２反応器２０でのメタンへの転化率を向上することができる。したがって、メタン製造装置１Ｂ全体におけるメタンへの転化率を所定の転化率より大きくすることができる。
【００４８】
＜第３実施形態＞
図４は、第３実施形態におけるメタン製造装置１Ｃの概略構成を示した説明図である。第３実施形態のメタン製造装置１Ｃは、第１実施形態のメタン製造装置１Ａ（図１）と比較すると、調量弁８２を備えておらず、調量弁８４と熱電対１８、２８とを備える点が異なる。
【００４９】
熱電対１８は、第１反応器１０の触媒１１の各部位の温度を計測するために複数設けられている。ここでは、第１反応器１０での原料ガスの流通方向において上流側から下流側に並んで４つの熱電対１８（第１熱電対１８ａ、第２熱電対１８ｂ、第３熱電対１８ｃ、第４熱電対１８ｄ）が触媒１１に挿入されている。各熱電対１８ａ〜１８ｄによって取得された温度は、制御部９０に出力される。
【００５０】
熱電対２８は、第２反応器２０の触媒２１の各部位の温度を計測するために複数設けられている。ここでは、第２反応器２０での原料ガスの流通方向において上流側から下流側に並んで４つの熱電対２８（第１熱電対２８ａ、第２熱電対２８ｂ、第３熱電対２８ｃ、第４熱電対２８ｄ）が触媒２１に挿入されている。各熱電対２８ａ〜２８ｄによって取得された温度は、制御部９０に出力される。
【００５１】
制御部９０は、触媒１１の温度分布と第１反応器１０における転化率との関係を示すマップと、触媒２１の温度分布と第２反応器２０における転化率との関係を示すマップと、を事前に有している。制御部９０は、熱電対１８、２８が出力する触媒１１、２１の各部の温度と当該マップとを用いて、第１反応器１０における転化率と第２反応器２０における転化率との合計の転化率Ｃtotを算出する。制御部９０は、算出された転化率Ｃtotと目標転化率ＣTargetとの大小を比較し、算出された転化率Ｃtotが目標転化率ＣTarget以下のとき、調量弁８４の絞り量ξ1が増加するよう調量弁８４を制御する。また、制御部９０は、算出された転化率Ｃtotが目標転化率ＣTargetより大きいとき、調量弁８４の絞り量ξ1が減少するよう調量弁８４を制御する。
【００５２】
以上説明した、第３施形態のメタン製造装置１Ｃによれば、例えば、原料ガスの流量変動などによって転化率Ｃtotが目標転化率ＣTarget以下とならないように、触媒１１、２１の温度分布に応じて、第２反応器２０を流れる熱媒体の流量を制御する。これにより、メタン製造装置１Ｃ全体におけるメタンへの転化率に比較的大きな影響を及ぼす第２反応器２０でのメタンへの転化率を向上することができる。したがって、メタン製造装置１Ｃ全体におけるメタンへの転化率を所定の転化率より大きくすることができる。
【００５３】
また、第３実施形態のメタン製造装置１Ｃによれば、第２実施形態の分析計８５に比べ安価な熱電対１８、２８を用いて転化率Ｃtotを算出することができる。これにより、メタン製造装置１Ｃの製造コストを低減することができる。
【００５４】
＜第４実施形態＞
図５は、第４実施形態におけるメタン製造装置１Ｄの概略構成を示した説明図である。第４実施形態のメタン製造装置１Ｄは、第１実施形態のメタン製造装置１Ａ（図１）と比較すると、熱電対８６ａ、８６ｂを備える点が異なる。
【００５５】
熱電対８６ａは、流入流路８０ａに設けられ、流入流路８０ａを流れる熱媒体の温度を検出する。熱電対８６ｂは、分流流路８０ｄに接続した後の流出流路８０ｃに設けられ、流出流路８０ｃを流れる熱媒体の温度を検出する。熱電対８６ａ、８６ｂによって取得された温度は制御部９０に出力される。
【００５６】
分流流路８０ｄは、中間流路８０ｂと流出流路８０ｃとに接続している。分流流路８０ｄは、中間流路８０ｂを流れる熱媒体の一部を、流出流路８０ｃを流れる熱媒体に直接合流させる。
【００５７】
図６は、本実施形態における制御部９０の制御処理を示すフローチャートである。
制御部９０は、メタン製造装置１Ｄの始動後（ｔ＝０［ｓｅｃ］）において、最初に、熱電対８６ａ、８６ｂによって時刻ｔにおける流入流路８０ａを流れる熱媒体の温度Ｔ1（ｔ）と流出流路８０ｃを流れる熱媒体の温度Ｔ2（ｔ）とを計測する（ステップＳ２１）。計測された熱媒体の温度Ｔ1（ｔ）、Ｔ2（ｔ）は、制御部９０に出力される。
【００５８】
次に、制御部９０は、時刻ｔの「熱エネルギーの回収量」としての熱回収量Ｒtot（ｔ）を算出する（ステップＳ２２）。熱回収量Ｒtot（ｔ）は、式（２）より求める。
Ｒtot（ｔ）  ＝  Ｃｐ×ρ×Ｑ1×[Ｔ2（ｔ）-Ｔ1（ｔ）]      ・・・（２）
なお、Ｃｐは、熱媒体の比熱であって、ρは、熱媒体の密度であって、Ｑ1は、時刻ｔにおける流入流路８０ａでの熱媒体の流量である。
【００５９】
次に、制御部９０は、ステップＳ２２において算出した熱回収量Ｒtot（ｔ）が、「所定の回収量」としての目標熱回収量ＲTarget以下であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。
制御部９０が熱回収量Ｒtot（ｔ）は目標熱回収量ＲTarget以下であると判定すると、ステップＳ２４において、制御部９０は、調量弁８２の絞り量ξ2が減少するよう調量弁８２を制御する。これにより、分流流路８０ｄを流れる熱媒体の流量は増加するため、第１反応器１０を流れる熱媒体の流量は時刻ｔより以前に比べ増加する。
制御部９０が熱回収量Ｒtot（ｔ）は目標熱回収量ＲTargetより大きいと判定すると、ステップＳ２５において、制御部９０は、調量弁８２の絞り量ξ2が増加するよう調量弁８２を制御する。これにより、分流流路８０ｄを流れる熱媒体の流量は減少するため、第１反応器１０を流れる熱媒体の流量は時刻ｔより以前に比べ減少する。
【００６０】
制御部９０は、ステップＳ２４またはステップＳ２５の制御が終了してから時間δｔが経過したのち、ステップＳ２１として、熱電対８６ａ、８６ｂによって時刻（ｔ＋δｔ）における流入流路８０ａを流れる熱媒体の温度Ｔ1（ｔ＋δｔ）と流出流路８０ｃを流れる熱媒体の温度Ｔ2（ｔ＋δｔ）とを計測する。その後、制御部９０は、ステップＳ２２以降の判定と制御とを行う。以上が制御処理についての説明である。
【００６１】
以上説明した、第４実施形態のメタン製造装置１Ｄによれば、例えば、原料ガスの流量変動によって熱回収量Ｒtot（ｔ）が目標熱回収量ＲTarget以下とならないように、流入流路８０ａを流れる熱媒体の温度と流出流路８０ｃを流れる熱媒体の温度とに応じて、第１反応器１０を流れる熱媒体の流量を制御する。これにより、メタン製造装置１Ｄにおける熱回収量に比較的大きな影響を及ぼす第１反応器１０での熱回収量を増大することができる。したがって、熱回収量を所定の回収量より大きくすることができる。
【００６２】
＜第５実施形態＞
図７は、第５実施形態におけるメタン製造装置１Ｅの概略構成を示した説明図である。第５実施形態のメタン製造装置１Ｅは、第１実施形態のメタン製造装置１Ａ（図１）と比較すると、調量弁８２を備えておらず、調量弁８４と、分析計８５と、熱電対８６ａ、８６ｂとを備える点が異なる。
【００６３】
メタン製造装置１Ｅは、第２実施形態のメタン製造装置１Ｂの構成と、第４実施形態のメタン製造装置１Ｄの構成とを組み合わせたものである。具体的には、分析計８５によって熱媒体出口２７から排出される生成ガスに含まれるＣＯ2濃度とメタン濃度とを計測しつつ、熱電対８６ａ、８６ｂによって流入流路８０ａを流れる熱媒体の温度と流出流路８０ｃを流れる熱媒体の温度とを計測する。ＣＯ2濃度と、メタン濃度と、流入流路８０ａを流れる熱媒体の温度と、流出流路８０ｃを流れる熱媒体の温度とは、制御部９０に入力される。
【００６４】
図８は、本実施形態における制御部９０の制御処理を示すフローチャートである。
メタン製造装置１Ｅの始動後（ｔ＝０［ｓｅｃ］）において、最初に、分析計８５によって時刻ｔにおける生成ガス流路７０内のＣＯ2濃度ＸCO2（ｔ）とメタン濃度ＸCH4（ｔ）とを計測する（ステップＳ１１）。次に、制御部９０は、式（３）によって、時刻ｔのメタンへの転化率Ｃtot（ｔ）を算出する（ステップＳ１２）。
Ｃtot（ｔ）  ＝  ＸCH4（ｔ）/[ＸCH4（ｔ）＋ＸCO2（ｔ）]      ・・・（３）
【００６５】
次に、制御部９０は、ステップＳ１２において算出した転化率Ｃtot（ｔ）が、目標転化率ＣTarget以下であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。制御部９０は、転化率Ｃtot（ｔ）は目標転化率ＣTarget以下であると判定すると、ステップＳ１４において、調量弁８４の絞り量ξ1が増加するよう調量弁８４を制御する。制御部９０は、転化率Ｃtot（ｔ）は目標転化率ＣTargetより大きいと判定すると、ステップＳ１５において、調量弁８４の絞り量ξ1が減少するよう調量弁８４を制御する。
【００６６】
ステップＳ１４、Ｓ１５の次に、熱電対８６ａ、８６ｂによって時刻ｔにおける流入流路８０ａを流れる熱媒体の温度Ｔ1（ｔ）と流出流路８０ｃを流れる熱媒体の温度Ｔ2（ｔ）とを計測する（ステップＳ２１）。次に、制御部９０は、式（４）によって、時刻ｔの熱回収量Ｒtot（ｔ）を算出する（ステップＳ２２）。
Ｒtot（ｔ）  ＝  Ｃｐ×ρ×Ｑ1×[Ｔ2（ｔ）-Ｔ1（ｔ）]      ・・・（４）
【００６７】
次に、制御部９０は、ステップＳ２２において算出した熱回収量Ｒtot（ｔ）が、目標熱回収量ＲTarget以下であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。制御部９０は、熱回収量Ｒtot（ｔ）は目標熱回収量ＲTarget以下であると判定すると、調量弁８２の絞り量ξ2が減少するよう調量弁８２を制御する。制御部９０は、熱回収量Ｒtot（ｔ）は目標熱回収量ＲTargetより大きいと判定すると、調量弁８２の絞り量ξ2が増加するよう調量弁８２を制御する。
【００６８】
制御部９０は、ステップＳ２４またはステップＳ２５の制御が終了してから時間δｔが経過したのち、ステップＳ１１として、時刻（ｔ＋δｔ）における生成ガス流路７０内のＣＯ2濃度ＸCO2（ｔ＋δｔ）とメタン濃度ＸCH4（ｔ＋δｔ）とを計測する。その後、ステップＳ１２以降の判定と制御を行う。以上が制御処理についての説明である。
【００６９】
以上説明した、第５実施形態のメタン製造装置１Ｅによれば、転化率Ｃtotが目標転化率ＣTarget以下とならないように第２反応器２０を流れる熱媒体の流量を制御し、かつ、熱回収量Ｒtot（ｔ）が目標熱回収量ＲTarget以下とならないように第１反応器１０を流れる熱媒体の流量を制御する。これにより、メタンへの転化率を所定の転化率より大きくしつつ、熱エネルギーの回収量を所定の回収量より大きくすることができる。
【００７０】
＜第６実施形態＞
図９は、第６実施形態におけるメタン製造装置１Ｆの概略構成を示した説明図である。第６実施形態のメタン製造装置１Ｆは、第１実施形態のメタン製造装置１Ａ（図１）と比較すると、調量弁８２を備えておらず、第２反応器２０の熱媒体入口の数と、第２反応器２０における熱媒体が流れる方向と反応混合ガスが流れる方向との関係と、が異なる。
【００７１】
中間流路８０ｂは、第１反応器１０の熱媒体出口１７と、第２反応器２０の熱媒体入口２６ａとに接続し、第１反応器１０から排出される熱媒体を、熱媒体入口２６ａを経由して第２反応器２０の内部流路２５に供給する。
分流流路８０ｄは、中間流路８０ｂと、第２反応器２０の熱媒体入口２６ａとは異なる熱媒体入口２６ｂと、に接続している。分流流路８０ｄは、中間流路８０ｂを流れる熱媒体の一部を、熱媒体入口２６ｂを経由して内部流路２５に供給する。
【００７２】
第２反応器２０では、熱媒体は、反応混合ガスが流れる方向に沿うように流れる。本実施形態では、二つの熱媒体入口２６ａ、２６ｂのうち、熱媒体入口２６ａは、第２反応器２０での反応混合ガスの流通方向において熱媒体入口２６ｂの上流側に位置している。これにより、第２反応器２０では、反応混合ガスの流通方向において上流側と下流側とで熱媒体の流量が異なっている。具体的には、第２反応器２０において、反応混合ガスは、第２反応器２０のガス入口２２側からガス出口２３側に流れる。このとき、内部流路２５の熱媒体は、第２反応器２０のガス入口２２側の触媒２１と熱交換したのち第２反応器２０のガス出口２３側の触媒２１と熱交換するように流れる。
【００７３】
以上説明した、第６実施形態のメタン製造装置１Ｆによれば、第２反応器２０における熱媒体の流量は、第２反応器２０内を流れる反応混合ガスの流通方向に対して上流側の熱媒体の流量が下流側の熱媒体の流量より少ない。これにより、第２反応器２０のガス入口２２の近傍では、反応混合ガスは、自身の反応熱によって十分に昇温されるため、メタネーション反応が促進される。したがって、メタンへの転化率をさらに向上することができる。
【００７４】
＜第７実施形態＞
図１０は、第７実施形態におけるメタン製造装置１Ｇの概略構成を示した説明図である。第７実施形態のメタン製造装置１Ｇは、第１実施形態のメタン製造装置１Ａ（図１）と比較すると、調量弁８２を備えておらず、熱媒体流路８０が分流流路８０ｅを含む点と、第２反応器２０の熱媒体出口の数と、が異なる。
【００７５】
第７実施形態の熱媒体流路８０は、流入流路８０ａと、中間流路８０ｂと、流出流路８０ｃと、分流流路８０ｅと、を含み、熱媒体を流通可能に形成されている。
流出流路８０ｃは、第２反応器２０の熱媒体出口２７ａに接続し、第２反応器２０から熱媒体出口２７ａを経由して排出される熱媒体を熱活用先に供給する。
分流流路８０ｅは、第２反応器２０の熱媒体出口２７ａとは異なる熱媒体出口２７ｂと、流出流路８０ｃと、に接続している。分流流路８０ｅは、第２反応器２０から熱媒体出口２７ｂを経由して排出される熱媒体の一部を、流出流路８０ｃを流れる熱媒体に合流させる。
【００７６】
第２反応器２０では、二つの熱媒体出口２７ａ、２７ｂのうち、熱媒体出口２７ｂは、第２反応器２０での反応混合ガスの流通方向において熱媒体出口２７ａの下流側に位置している。これにより、第２反応器２０では、反応混合ガスの流通方向において上流側と下流側とにおいて熱媒体の流量が異なっている。具体的には、第２反応器２０において、反応混合ガスは、第２反応器２０のガス入口２２側からガス出口２３側に流れる。このとき、内部流路２５の熱媒体は、第２反応器２０のガス出口２３側の触媒２１と熱交換したのち第２反応器２０のガス入口２２側の触媒２１と熱交換するように流れる。すなわち、第２反応器２０において、第２反応器２０のガス入口２２側の触媒２１と熱交換する熱媒体の流量は、第２反応器２０のガス出口２３側の触媒２１と熱交換する熱媒体の流量に比べ少ない。
【００７７】
以上説明した、第７実施形態のメタン製造装置１Ｇによれば、第２反応器２０における熱媒体の流量は、第２反応器２０内を流れる反応混合ガスの流通方向に対して上流側の熱媒体の流量が下流側の熱媒体の流量より少ない。これにより、第２反応器２０のガス入口２２の近傍では、反応混合ガスは、自身の反応熱によって十分に昇温されるため、メタネーション反応が促進される。したがって、メタンへの転化率をさらに向上することができる。
【００７８】
＜第８実施形態＞
図１１は、第８実施形態におけるメタン製造装置１Ｈの概略構成を示した説明図である。第８実施形態のメタン製造装置１Ｈは、第１実施形態のメタン製造装置１Ａ（図１）と比較すると、調量弁８２を備えておらず、熱媒体流路８０が冷却部６１、７１を含む点が異なる。
【００７９】
第８実施形態の熱媒体流路８０は、流入流路８０ａと、中間流路８０ｂと、流出流路８０ｃと、分流流路８０ｄと、供給流路８０ｆと、接続流路８０ｇと、を含み、熱媒体を流通可能に形成されている。
供給流路８０ｆは、熱媒体を圧送可能なポンプ８９ａと、冷却部７１とに接続し、ポンプ８９ａが圧送する熱媒体を冷却部７１に供給する。冷却部７１では、ポンプ８９ａによって供給される熱媒体によって生成ガスが冷却され、生成ガスからＨ2Ｏを分離する。
接続流路８０ｇは、冷却部７１と、冷却部６１とに接続し、冷却部７１から排出される熱媒体を冷却部６１に供給する。冷却部６１では、冷却部７１から供給される熱媒体によって反応混合ガスが冷却され、反応混合ガスからＨ2Ｏを分離する。
流入流路８０ａは、冷却部６１と、第１反応器１０の熱媒体入口１６とに接続し、冷却部６１から排出される熱媒体を第１反応器１０に供給する。
【００８０】
多段反応器では、下段の反応器には熱媒体を、例えば、２００℃以上で供給する必要がある。しかしながら、下段の反応器で生成された生成ガスからＨ2Ｏを分離するための冷却部のみで熱媒体を２００℃以上に昇温するのは困難であり、下段の反応器に冷却部のみを通った熱媒体を供給すると下段の反応器での転化率が低くなる。
【００８１】
以上説明した、第８実施形態のメタン製造装置１Ｈによれば、冷却部７１において生成ガスを冷却した熱媒体は、第２反応器２０に供給される。このとき、冷却部７１において回収される熱では第２反応器２０におけるメタネーション反応を維持するための十分な熱量とならないおそれがある。そこで、本実施形態では、冷却部７１における熱交換によって加熱された熱媒体を、冷却部６１と第１反応器１０とにおける熱交換によって加熱された熱媒体を第２反応器２０に供給する。これにより、熱媒体は、冷却部６１と第１反応器１０とでも加熱されるため、第２反応器２０におけるメタネーション反応を確実に維持することができる程度まで昇温される。したがって、第２反応器２０におけるメタネーション反応を確実に進行させることができるため、メタンへの転化率をさらに向上することができる。
【００８２】
＜第９実施形態＞
図１２は、第９実施形態におけるメタン製造装置１Ｉの概略構成を示した説明図である。第９実施形態のメタン製造装置１Ｉは、第１実施形態のメタン製造装置１Ａ（図１）と比較すると、調量弁８２を備えておらず、熱媒体流路８０が冷却部６１、７１を含む点が異なる。
【００８３】
第９実施形態の熱媒体流路８０は、流入流路８０ａと、中間流路８０ｂと、流出流路８０ｃと、分流流路８０ｄと、供給流路８０ｆ、８０ｈと、接続流路８０ｇと、を含み、熱媒体を流通可能に形成されている。
供給流路８０ｈは、熱媒体を圧送可能なポンプ８９ｂと、冷却部６１とに接続し、ポンプ８９ｂが圧送する熱媒体を冷却部６１に供給する。冷却部６１では、ポンプ８９ｂによって供給される熱媒体によって反応混合ガスが冷却され、反応混合ガスからＨ2Ｏを分離する。
接続流路８０ｇは、冷却部７１と、流入流路８０ａとに接続し、冷却部７１から排出される熱媒体を、流入流路８０ａを流れる熱媒体に合流させる。
【００８４】
以上説明した、第９実施形態のメタン製造装置１Ｉによれば、冷却部７１において生成ガスを冷却することによって加熱された熱媒体は、冷却部６１において反応混合ガスを冷却することによってさらに加熱される。この冷却部６１において加熱された熱媒体は、第１反応器１０を通って第２反応器２０に供給される。これにより、第２反応器２０に供給される熱媒体は、冷却部７１だけでなく冷却部６１と第１反応器１０とでも加熱されるため、第２反応器２０におけるメタネーション反応を確実に維持することができる程度まで昇温される。したがって、第２反応器２０におけるメタネーション反応を確実に進行させることができるため、メタンへの転化率をさらに向上することができる。
【００８５】
＜第１０実施形態＞
図１３は、第１０実施形態におけるメタン製造装置１Ｊの概略構成を示した説明図である。第１０実施形態のメタン製造装置１Ｊは、第１実施形態のメタン製造装置１Ａ（図１）と比較すると、調量弁８２を備えておらず、第２反応器２０の形状が異なる。
【００８６】
第１０実施形態の熱媒体流路８０は、第１実施形態のメタン製造装置１Ａと同様に、流入流路８０ａと、中間流路８０ｂと、流出流路８０ｃと、分流流路８０ｄと、を含み、熱媒体を流通可能に形成されている。
【００８７】
第２反応器２０は、図１３に示すように、触媒２１を収容している内側の管の内径が、第１反応器１０の触媒１１を収容している内側の管の内径より大きい。
【００８８】
以上説明した、第１０実施形態のメタン製造装置１Ｊによれば、第２反応器２０における熱媒体と触媒２１との伝熱面積が、第１反応器１０における熱媒体と触媒１１との伝熱面積より小さくなるため、第２反応器２０における熱媒体と触媒との熱交換速度が、第１反応器１０における熱媒体と触媒との熱交換速度より小さくなる。また、触媒２１の単位体積当たりの表面積が、触媒１１の単位体積当たりの表面積より小さくなるため、第２反応器２０からの放熱量を低減することができる。これにより、メタンへの転化率をさらに向上しつつ、メタネーション反応により発生する熱エネルギーの回収量をさらに増加することができる。
【００８９】
＜第１１実施形態＞
図１４は、第１１実施形態におけるメタン製造装置１Ｋの概略構成を示した説明図である。第１１実施形態のメタン製造装置１Ｋは、第１実施形態のメタン製造装置１Ａ（図１）と比較すると、調量弁８２を備えておらず、第１反応器１０の触媒の量と第２反応器２０の触媒の量とが異なる。
【００９０】
第２反応器２０は、内側の管内に収容されている触媒２１の量が、第１反応器１０の内側の管内に収容されている触媒１１の量より多い。例えば、図１４に示すように、第２反応器２０内に配置されている触媒２１の体積が第１反応器１０内の触媒１１の体積に比べ大きい。
【００９１】
以上説明した、第８実施形態のメタン製造装置１Ｇによれば、触媒の量が同じ場合には反応速度が第１反応器１０より遅くなる第２反応器２０の反応速度を速くすることができる。これにより、メタンへの転化率をさらに向上することができる。
【００９２】
＜第１２実施形態＞
図１５は、第１２実施形態におけるメタン製造装置１Ｌの概略構成を示した説明図である。第１２実施形態のメタン製造装置１Ｌは、第１実施形態のメタン製造装置１Ａ（図１）と比較すると、調量弁８２を備えておらず、二つの熱媒体流路８７、８８を備える点が異なる。
【００９３】
熱媒体流路８７は、流入流路８７ａと、流出流路８７ｂと、を有する。流入流路８７ａは、熱媒体を圧送可能な第１ポンプ８７ｃと、第１反応器１０の熱媒体入口１６とに接続している。流出流路８７ｂは、第１反応器１０の熱媒体出口１７に接続し、第１反応器１０から排出される熱媒体をメタン製造装置１Ｌの外部の熱活用先に供給する。
【００９４】
熱媒体流路８８は、流入流路８８ａと、流出流路８８ｂと、を有する。流入流路８８ａは、熱媒体を圧送可能な第２ポンプ８８ｃと、第２反応器２０の熱媒体入口２６とに接続している。流出流路８８ｂは、第２反応器２０の熱媒体出口２７に接続し、第２反応器２０から排出される熱媒体をメタン製造装置１Ｌの外部の熱活用先に供給する。
【００９５】
制御部９０は、第１ポンプ８７ｃの駆動と第２ポンプ８８ｃの駆動とを制御する。本実施形態では、制御部９０は、第２ポンプ８８ｃが圧送する熱媒体の流量を、第１ポンプ８７ｃが圧送する熱媒体の流量に比べ少なくなるように第１ポンプ８７ｃと第２ポンプ８８ｃとを制御する。
【００９６】
以上説明した、第１２実施形態のメタン製造装置１Ｌによれば、制御部９０は、第１反応器１０と第２反応器２０とのそれぞれに個別に熱媒体を供給するため、各反応器を流れる熱媒体の量を精度よく設定することができる。これにより、メタンへの転化率をさらに向上しつつ、メタネーション反応により発生する熱エネルギーの回収量をさらに増加することができる。
【００９７】
＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９８】
［変形例１］
上述の実施形態では、「炭化水素製造装置」としてのメタン製造装置は、「炭化水素化合物」としてのメタンを製造するとした。しかしながら、炭化水素製造装置が製造する炭化水素化合物は、メタンだけでなく、例えば、エタンやプロパンなどの炭素と水素とから構成される化合物や、メタノールなどの主に炭素と水素とから構成される化合物を含んでもよい。
【００９９】
［変形例２］
上述の実施形態のメタン製造装置は、二つの反応器１０、２０を備えているものとした。しかし、メタン製造装置は、反応器を三つ以上備えていてもよい。この場合、熱媒体流路８０は、いずれか一つ以上の反応器の熱を他の一つ以上の反応器に供給するように構成されていれば、反応器に供給されるガスの予熱や触媒の加熱のために投入される外部エネルギーを低減させることができる。なお、最も下流側の反応器に熱が供給されるように構成されることが好ましい。最も下流側の反応器の反応量が低下すると全体の転化率が低下するためである。
【０１００】
［変形例３］
第１実施形態のメタン製造装置１Ａでは、調量弁８２は、分流流路８０ｄに設けられるとした。第２実施形態のメタン製造装置１Ｂでは、調量弁８４は、流出流路８０ｃに設けられるとした。しかし、第１実施形態では、調量弁は、流出流路８０ｃに設けられてもよいし、第２実施形態では、調量弁は、分流流路８０ｄに設けられてもよい。調量弁を流出流路または分流流路のいずれか一方に設けることによって、流出流路または分流流路のいずれか他方の流量が決定されるためである。また、第３実施形態のメタン製造装置１Ｃでは、調量弁８４は、流出流路８０ｃに設けられるとしたが、分流流路８０ｄに設けられてもよい。また、第４実施形態のメタン製造装置１Ｄでは、調量弁８２は、分流流路８０ｄに設けられるとしたが、流出流路８０ｃに設けられてもよい。
【０１０１】
［変形例４］
第５実施形態のメタン製造装置１Ｅでは、分析計８５が計測する生成ガス流路７０内のＣＯ2濃度とメタン濃度とを用いて転化率を向上し、熱電対８６ａ、８６ｂが計測する熱媒体の温度を用いて熱エネルギーの回収量を増大するとした。しかしながら、第１反応器１０に設けられる熱電対１８が計測する触媒１１の各部位の温度と、第２反応器２０に設けられる熱電対２８が計測する触媒２１の各部位の温度と、を用いて転化率を向上し、熱電対８６ａ、８６ｂが計測する熱媒体の温度を用いて熱エネルギーの回収量を増大するとしてもよい。この場合、熱電対１８、２８は分析計８５に比べ安価であるため、炭化水素製造装置の製造コストを低減することができる。
【０１０２】
［変形例５］
第６実施形態のメタン製造装置１Ｆでは、第２反応器２０は、二つの熱媒体入口２６ａ、２６ｂを有するとした。また、第７実施形態のメタン製造装置１Ｇでは、第２反応器２０は、二つの熱媒体入口２６ａ、２６ｂを有するとした。第２反応器２０は、二つの熱媒体入口と二つの熱媒体出口を有してもよい。また、熱媒体入口または熱媒体出口の数は三つ以上であってもよい。
【０１０３】
［変形例６］
第１１実施形態のメタン製造装置１Ｋでは、第２反応器２０の触媒２１の量が第１反応器１０の触媒１１の量に比べ多いとしている。この場合、触媒の量を多くするため、触媒が有する担持体への触媒の担持量を多くしてもよい。
【０１０４】
［変形例７］
第１２実施形態のメタン製造装置１Ｌは、それぞれ別のポンプが接続する二つの熱媒体流路８７、８８を備えるとした。しかしながら、二つの熱媒体流路８７、８８に接続する一つのポンプを備えてもよい。この場合、二つの熱媒体流路８７、８８を流れる熱媒体の流量を、第２反応器２０を流れる熱媒体の流量が第１反応器１０を流れる熱媒体の流量に比べ少なくなるよう制御することによって、メタン装置全体の転化率の向上と熱エネルギーの回収量の増大とを両立することができる。
【０１０５】
［変形例８］
第１実施形態のメタン製造装置１Ａでは、第１反応器１０を流れる熱媒体は、第２反応器２０の流入する前に分流するとした。しかしながら、第１反応器１０において、原料ガスの流通方向において相対的に上流側の熱媒体の流量を、前記原料ガスの流通方向において相対的に下流側の熱媒体の流量より少なくしてもよい。
【０１０６】
図１６は、メタン製造装置の変形例の概略構成を示した説明図である。この変形例では、第１反応器１０の熱媒体は、原料ガスが流れる方向に沿うよう流れる。二つの熱媒体入口１６ａ、１６ｂのうち、熱媒体入口１６ａは、第１反応器１０での原料ガスの流通方向において熱媒体入口１６ｂの上流側に位置している。これにより、第１反応器１０では、原料ガスの流通方向において上流側の熱媒体の流量が、下流側の熱媒体の流量より少なくなっている。
【０１０７】
図１７は、メタン製造装置の別の変形例の概略構成を示した説明図である。第１反応器１０では、二つの熱媒体出口１７ａ、１７ｂのうち、熱媒体出口１７ｂは、第１反応器１０での原料ガスの流通方向において熱媒体出口１７ａの下流側に位置している。これにより、第１反応器１０では、原料ガスの流通方向において上流側の熱媒体の流量が、下流側の熱媒体の流量より少なくなっている。
これらの構成によれば、第１反応器１０のガスの入口では、原料ガスは、自身の反応熱によって十分に昇温されるため、メタネーション反応が促進される。したがって、メタンへの転化率をさらに向上することができる。
【０１０８】
［変形例９］
第１実施形態のメタン製造装置１Ａは、熱媒体流路８０を流通する熱媒体としてオイルを例示している。しかし、熱媒体は、オイルに限定されず、例えば、溶融塩、ガスなどであってもよい。また、第１実施形態のメタン製造装置１Ａは、触媒１１、２１の代わりに、高級炭化水素およびアルコール生成触媒（Ｆｅ系触媒、その他、ＣｕやＣｏ等でも可）を反応器１０、２０の内部に備えていてもよい。
【０１０９】
以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。
【符号の説明】
【０１１０】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ、１Ｉ、１Ｊ、１Ｋ、１Ｌ…メタン製造装置
１０…第１反応器
１１、２１…触媒
１２、２２…ガス入口
１３、２３…ガス出口
１５、２５…内部流路
１６、１６ａ、１６ｂ、２６、２６ａ、２６ｂ…熱媒体入口
１７、１７ａ、１７ｂ、２７、２７ａ、２７ｂ…熱媒体出口
１８、２８、８６ａ、８６ｂ…熱電対
２０…第２反応器
３０…ＣＯ2供給源
４０…水素供給源
４１…水素供給流路
４２…マスフローコントローラ
５０…原料ガス流路
５１…流量計
６０…反応混合ガス流路
６１、７１…冷却部
７０…生成ガス流路
８０、８７、８８…熱媒体流路
８０ａ、８７ａ、８８ａ…流入流路
８０ｂ…中間流路
８０ｃ、８７ｂ、８８ｂ…流出流路
８０ｄ、８０ｅ…分流流路
８０ｆ、８０ｈ…供給流路
８０ｇ…接続流路
８３、８９ａ、８９ｂ…ポンプ
８２、８４…調量弁
８５…分析計
８７ｃ…第１ポンプ
８８ｃ…第２ポンプ
９０…制御部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2020083799.tif 000015
【図１４】
2020083799.tif 000016
【図１５】
2020083799.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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