特開 2024-110489 炭化水素製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024110489

(43)【公開日】2024-08-16

(54)【発明の名称】炭化水素製造装置

(51)【国際特許分類】

   C07C 1/12 20060101AFI20240808BHJP

   C07C 9/04 20060101ALI20240808BHJP

   C07B 61/00 20060101ALN20240808BHJP

【ＦＩ】

C07C1/12

C07C9/04

C07B61/00 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023015060

(22)【出願日】2023-02-03

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100160691

【弁理士】

【氏名又は名称】田邊 淳也

(74)【代理人】

【識別番号】100195659

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 祐介

(72)【発明者】

【氏名】酒井 真利

(72)【発明者】

【氏名】青木 正和

(72)【発明者】

【氏名】松本 満

(72)【発明者】

【氏名】竹内 雅彦

(72)【発明者】

【氏名】小野地 裕策

【テーマコード（参考）】

4H006

【Ｆターム（参考）】

4H006AA02

4H006AC29

4H006BA16

4H006BA19

4H006BA20

4H006BA21

4H006BA23

4H006BA24

4H006BA25

4H006BA26

4H006BD81

4H006BD84

4H006BE20

4H006BE41

(57)【要約】

【課題】反応器の加熱に用いられるエネルギーの削減を図る技術を提供する。
【解決手段】二酸化炭素と水素とから炭化水素を製造する炭化水素製造装置は、二酸化炭素を吸蔵する吸蔵性能を有する第１金属と、炭化水素を合成する合成性能を有する第２金属と、を含む触媒を収容した主反応器と、主反応器よりも下流側に配置され、第１金属を含まず第２金属を含む触媒を収容した副反応器と、主反応器で炭化水素を合成した際に生じる反応熱を副反応器に供給する熱供給部と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

二酸化炭素と水素とから炭化水素を製造する炭化水素製造装置であって、
二酸化炭素を吸蔵する吸蔵性能を有する第１金属と、炭化水素を合成する合成性能を有する第２金属と、を含む触媒を収容した主反応器と、
前記主反応器よりも下流側に配置され、前記第１金属を含まず前記第２金属を含む触媒を収容した副反応器と、
前記主反応器で炭化水素を合成した際に生じる反応熱を前記副反応器に供給する熱供給部と、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であって、さらに、
前記熱供給部として、前記主反応器との間および前記副反応器との間で熱交換が可能な熱媒体が流通する熱媒体流通部を備え、
前記反応熱は、前記熱媒体を介して、前記主反応器から前記副反応器に供給される、炭化水素製造装置。

【請求項3】

請求項１に記載の炭化水素製造装置であって、
前記熱供給部は、前記副反応器の周囲を覆う形状に形成された前記主反応器である、炭化水素製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炭化水素製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、二酸化炭素と水素から炭化水素化合物を製造する炭化水素製造装置が知られている。例えば、特許文献１には、二酸化炭素を吸蔵する吸蔵性能および炭化水素を合成する合成性能を有する触媒を収容した２基以上の反応器を、炭化水素の原料となるガスを供給するガス供給ラインに対して並列に接続するとともに、それら反応器よりも下流側に合成性能を有する触媒を収容した別の反応器を配置したメタン製造装置が開示されている。このメタン製造装置では、並列接続された上流側の反応器において反応しきれなかった二酸化炭素および水素を、下流側の別の反応器で反応させることで、高純度のメタン取得を図っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６７８６０５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

炭化水素製造装置においては、各反応器における炭化水素の合成反応を促進するために、各反応器を加熱して、各反応器の温度をある程度高温に維持する必要がある。しかし、特許文献１のメタン製造装置では、反応器の加熱に用いられるエネルギーを削減することについては、何ら考慮されていない。このため、炭化水素製造装置において、反応器の加熱に用いられるエネルギーを削減することができる技術が要望されていた。

【0005】

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、反応器の加熱に用いられるエネルギーの削減を図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】

【0006】

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。

【0007】

（１）本発明の一形態によれば、二酸化炭素と水素とから炭化水素を製造する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、二酸化炭素を吸蔵する吸蔵性能を有する第１金属と、炭化水素を合成する合成性能を有する第２金属と、を含む触媒を収容した主反応器と、前記主反応器よりも下流側に配置され、前記第１金属を含まず前記第２金属を含む触媒を収容した副反応器と、前記主反応器で炭化水素を合成した際に生じる反応熱を前記副反応器に供給する熱供給部と、を備える。

【0008】

この構成によれば、熱供給部を備えることから、主反応器で炭化水素を合成した際に生じる反応熱を副反応器に供給することができる。このため、炭化水素の合成反応を促進する促進温度に副反応器の温度を維持するために、主反応器で炭化水素を合成した際に生じる反応熱を利用することができる。したがって、副反応器の温度を促進温度に維持するために稼働するヒータ等での消費エネルギーを削減できることから、副反応器の加熱に用いられるエネルギーを削減することができる。

【0009】

（２）上記形態の炭化水素製造装置において、さらに、前記熱供給部として、前記主反応器との間および前記副反応器との間で熱交換が可能な熱媒体が流通する熱媒体流通部を備え、前記反応熱は、前記熱媒体を介して、前記主反応器から前記副反応器に供給されてもよい。
この構成によれば、主反応器で炭化水素を合成した際に生じる反応熱を、熱媒体を介して、主反応器から副反応器に供給することができる。したがって、副反応器の温度を促進温度に維持するために稼働するヒータ等での消費エネルギーを削減できることから、副反応器の加熱に用いられるエネルギーを削減することができる。

【0010】

（３）上記形態の炭化水素製造装置において、前記熱供給部は、前記副反応器の周囲を覆う形状に形成された前記主反応器であってもよい。
この構成によれば、副反応器の周囲を覆う主反応器から副反応器に向けて、主反応器で炭化水素を合成した際に生じる反応熱を供給することができる。したがって、副反応器の温度を促進温度に維持するために稼働するヒータ等での消費エネルギーを削減できることから、副反応器の加熱に用いられるエネルギーを削減することができる。

【0011】

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、炭化水素製造システム、炭化水素製造方法、炭化水素製造装置の制御方法、これら装置や方法を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１実施形態の炭化水素製造装置の構成を例示した説明図である。

【図2】比較例の炭化水素製造装置の構成を例示した説明図である。

【図3】第２実施形態の炭化水素製造装置の構成を例示した説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態としての炭化水素製造装置１の構成を例示した説明図である。炭化水素製造装置１は、複数の反応器（第１主反応器１０，第２主反応器２０および副反応器８０）内で、二酸化炭素と水素とから炭化水素であるメタンを製造する装置である。炭化水素製造装置１は、制御部５と、第１主反応器１０と、第２主反応器２０と、原料ガス供給源３０と、原料ガス供給流路４０と、原料ガス排出流路４５と、還元ガス供給源５０と、還元ガス供給流路６０と、混合ガス排出流路６５と、を備えている。また、炭化水素製造装置１は、脱水部７２と、流路７３と、ポンプ７４と、流路７５と、タンク７６と、流路７７と、副反応器８０と、熱媒体流通部９０と、を備えている。

【0014】

制御部５は、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＣＰＵを含んで構成されるコンピュータであり、炭化水素製造装置１の各種制御を行う。第１主反応器１０は、メタンを製造するための触媒を収容した容器である。第１主反応器１０に収容された触媒は、二酸化炭素を吸蔵する吸蔵性能を有する第１金属と、メタンを合成する合成性能を有する第２金属と、を含む。第１金属としては、例えば、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物、希土類化合物等が例示される。第２金属としては、例えば、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ等が例示される。第２主反応器２０は、第１主反応器１０と同様の容器である。第２主反応器２０に収容された触媒は、第１主反応器１０と同様に、第１金属と第２金属とを含む。第１主反応器１０および第２主反応器２０には、メタンの合成を促進する促進温度に第１主反応器１０の温度および第２主反応器２０の温度を維持するために、第１主反応器１０および第２主反応器２０内を加熱するヒータをそれぞれ有する（不図示）。

【0015】

原料ガス供給源３０は、原料ガスを貯蔵するタンクである。原料ガスは、二酸化炭素、酸素および窒素等を含む。原料ガス供給流路４０は、原料ガス供給源３０から供給される原料ガスを、第１主反応器１０および第２主反応器２０に供給するためのガス流路であり、複数の配管で形成されている。原料ガス供給流路４０を形成している配管には、第１原料ガス供給バルブ４１および第２原料ガス供給バルブ４２が設けられている。これらバルブは、各配管内の流量を調整可能である。第１原料ガス供給バルブ４１および第２原料ガス供給バルブ４２の各々の開閉は、制御部５によって制御されている。第１主反応器１０（もしくは第２主反応器２０）に供給された原料ガスに含まれる二酸化炭素のうち少なくとも一部は、第１主反応器１０（もしくは第２主反応器２０）に収容された触媒に吸蔵される。

【0016】

原料ガス排出流路４５は、原料ガスのうち第１主反応器１０（もしくは第２主反応器２０）に収容された触媒に吸蔵されなかった残りのガス部分を炭化水素製造装置１の外部に排出するためのガス流路である。原料ガス排出流路４５を形成している配管には、第１原料ガス排出バルブ４６および第２原料ガス排出バルブ４７が設けられている。これらバルブは、各配管内の流量を調整可能である。第１原料ガス排出バルブ４６および第２原料ガス排出バルブ４７の各々の開閉は、制御部５によって制御されている。

【0017】

還元ガス供給源５０は、還元ガスを貯蔵するタンクである。還元ガスは、水素を含む。還元ガス供給流路６０は、還元ガス供給源５０から供給される還元ガスを、第１主反応器１０および第２主反応器２０に供給するためのガス流路であり、複数の配管で形成されている。還元ガス供給流路６０を形成している配管には、第１還元ガス供給バルブ６１および第２還元ガス供給バルブ６２が設けられている。これらバルブは、各配管内の流量を調整可能である。第１還元ガス供給バルブ６１および第２還元ガス供給バルブ６２の各々の開閉は、制御部５によって制御されている。第１主反応器１０（もしくは第２主反応器２０）に供給された還元ガスは、第１主反応器１０（もしくは第２主反応器２０）内の触媒に吸蔵された二酸化炭素を触媒から脱離させるパージガスとして利用されるとともに、脱離された二酸化炭素と反応してメタンを合成するためにも利用される。なお、二酸化炭素と水素とからメタンを合成するメタン化反応は、発熱反応である。

【0018】

混合ガス排出流路６５は、混合ガスを脱水部７２に供給するためのガス流路であり、複数の配管で形成されている。混合ガスとは、二酸化炭素が吸蔵されている状態の第１主反応器１０（もしくは第２主反応器２０）に対して還元ガスが供給されたのちに第１主反応器１０（もしくは第２主反応器２０）から排出されるガスのことであり、合成されたメタンと未反応の二酸化炭素および水素とが混合したガスのことである。混合ガス排出流路６５を形成している配管には、第１混合ガス排出バルブ６６および第２混合ガス排出バルブ６７が設けられている。これらバルブは、各配管内の流量を調整可能である。第１混合ガス排出バルブ６６および第２混合ガス排出バルブ６７の各々の開閉は、制御部５によって制御されている。

【0019】

脱水部７２は、混合ガス排出流路６５を介して送られてくる混合ガスを室温まで冷却して水を分離する装置である。ポンプ７４は、脱水部７２に接続した流路７３を介して送られてくる混合ガスをタンク７６に向けて送り出すポンプである。ポンプ７４から送り出される混合ガスの流量は、制御部５によって制御されている。タンク７６は、ポンプ７４に接続した流路７５を介して送られてくる混合ガスを一時的に貯留可能なタンクである。タンク７６は、副反応器８０に接続した流路７７を介して、副反応器８０に混合ガスを供給可能である。タンク７６のうち流路７７に接続した部分には流量調整用のバルブ（不図示）が設けられており、このバルブの開度が調整されることにより、副反応器８０に供給される混合ガスの流量が調整される。このバルブの開度の調整は、制御部５によって制御されている。

【0020】

副反応器８０は、第１主反応器１０および第２主反応器２０よりも下流側に配置され、混合ガスに含まれる未反応の二酸化炭素および水素からメタンを製造するための触媒を収容した容器である。下流側とは、原料ガス供給源３０および還元ガス供給源５０から副反応器８０に向かってガスが流通する流通方向での下流側のことである。副反応器８０に収容された触媒は、二酸化炭素を吸蔵する吸蔵性能を有する第１金属を含まず、メタンを合成する合成性能を有する第２金属を含む。副反応器８０においても、メタンの合成を促進する促進温度に副反応器８０の温度を維持するために、副反応器８０内を加熱するヒータを有していてもよい。副反応器８０において、混合ガスに含まれる未反応の二酸化炭素および水素を用いたメタン化反応によって更にメタンが合成されたのち、それらメタンを含有したガスは副反応器８０から排出されてタンク（不図示）等に回収される。

【0021】

炭化水素製造装置１におけるメタン製造の過程を説明する。第１主反応器１０および第２主反応器２０は、触媒に二酸化炭素を吸蔵させる吸蔵工程と、吸蔵工程後に還元ガスを
を供給して触媒に吸蔵されていた二酸化炭素を脱離する脱離工程と、を交互に繰り返す。

【0022】

第１主反応器１０が吸蔵工程中であるとき、第１原料ガス供給バルブ４１及び第１原料ガス排出バルブ４６は開弁状態であるとともに、第１還元ガス供給バルブ６１及び第１混合ガス排出バルブ６６は閉弁状態である。このような状態において、原料ガス供給源３０から第１主反応器１０に供給される原料ガスに含まれる二酸化炭素は、第１主反応器１０に収容された触媒に吸蔵される。そして、原料ガスのうち触媒に吸蔵されなかった残りのガス部分は、原料ガス排出流路４５から炭化水素製造装置１の外部に放出される。

【0023】

第１主反応器１０が吸蔵工程中であるとき、第２主反応器２０は脱離工程中である。この脱離工程の前に、第２主反応器２０は吸蔵工程を経ているものとする。このとき、第２原料ガス供給バルブ４２及び第２原料ガス排出バルブ４７は閉弁状態であるとともに、第２還元ガス供給バルブ６２及び第２混合ガス排出バルブ６７は開弁状態である。このような状態において、還元ガス供給源５０から第２主反応器２０に供給された水素を含む還元ガスは、パージガスとして、第２主反応器２０内の触媒に吸蔵された二酸化炭素を脱離する。脱離された二酸化炭素のうち少なくとも一部は、還元ガスに含まれる水素と反応してメタンを合成する。合成されたメタンは、未反応の二酸化炭素および水素と混合された混合ガスとして、混合ガス排出流路６５に送り出されたのち、副反応器８０に到る。そして、副反応器８０において、上述したように、混合ガスに含まれる未反応の二酸化炭素および水素を用いたメタン化反応によって更にメタンが合成されたのち、それらメタンを含有したガスは副反応器８０から排出されてタンク（不図示）等に回収される。

【0024】

第１主反応器１０が吸蔵工程を経て脱離工程中であるとき、第１原料ガス供給バルブ４１及び第１原料ガス排出バルブ４６は閉弁状態であるとともに、第１還元ガス供給バルブ６１及び第１混合ガス排出バルブ６６は開弁状態である。このような状態において、還元ガス供給源５０から第１主反応器１０に供給された水素を含む還元ガスは、パージガスとして、第１主反応器１０内の触媒に吸蔵された二酸化炭素を脱離する。脱離された二酸化炭素のうち少なくとも一部は、還元ガスに含まれる水素と反応してメタンを合成する。合成されたメタンは、未反応の二酸化炭素および水素と混合された混合ガスとして、混合ガス排出流路６５に送り出されたのち、副反応器８０に到る。そして、副反応器８０において、上述したように、混合ガスに含まれる未反応の二酸化炭素および水素を用いたメタン化反応によって更にメタンが合成されたのち、それらメタンを含有したガスは副反応器８０から排出されてタンク（不図示）等に回収される。

【0025】

第１主反応器１０が脱離工程中であるとき、第２主反応器２０は吸蔵工程中である。この吸蔵工程の前に、第２主反応器２０は脱離工程を経ているものとする。このとき、第２原料ガス供給バルブ４２及び第２原料ガス排出バルブ４７は開弁状態であるとともに、第２還元ガス供給バルブ６２及び第２混合ガス排出バルブ６７は閉弁状態である。このような状態において、原料ガス供給源３０から第２主反応器２０に供給される原料ガスに含まれる二酸化炭素は、第２主反応器２０に収容された触媒に吸蔵される。そして、原料ガスのうち触媒に吸蔵されなかった残りのガス部分は、原料ガス排出流路４５から炭化水素製造装置１の外部に放出される。

【0026】

炭化水素製造装置１が備える構成の説明に戻る。炭化水素製造装置１は、さらに、第１主反応器１０（もしくは第２主反応器２０）で炭化水素（メタン）を合成した際に生じる反応熱を副反応器８０に供給する熱供給部として、熱媒体流通部９０を備える。熱媒体流通部９０は、第１主反応器１０もしくは第２主反応器２０との間および副反応器８０との間で熱交換が可能な熱媒体が流通する流路であり、複数の配管で形成されている。すなわち、第１主反応器１０（もしくは第２主反応器２０）においてメタン化反応の際に生じた反応熱は、熱媒体流通部９０を流通する熱媒体を介して、第１主反応器１０（もしくは第２主反応器２０）から副反応器８０に供給される。本実施形態では、第１主反応器１０、第２主反応器２０、副反応器８０はいずれも二重管であり、その二重管の外側管と内側管との間に熱媒体流通部９０が通されており、そのような熱媒体流通部９０を介して、第１主反応器１０と副反応器８０との間もしくは第２主反応器２０と副反応器８０との間に熱媒体が循環されている。

【0027】

熱媒体流通部９０を形成している配管には、第１流路切替バルブ９１と、第２流路切替バルブ９６と、が設けられている。第１流路切替バルブ９１および第２流路切替バルブ９６は、いずれも三方弁であり、熱媒体流通部９０のうち、第１主反応器１０内（外側管と内側管との間）を通る流路と、第２主反応器２０内（外側管と内側管との間）を通る流路と、を切り替える。例えば、第１主反応器１０内を通る流路に切り替えた場合には、第１主反応器１０内を熱媒体が流通することによって、第１主反応器１０と熱媒体との間で熱交換が行われる。第１流路切替バルブ９１および第２流路切替バルブ９６による流路の切り替えは、制御部５によって制御されている。熱媒体流通部９０を形成している配管には、熱媒体の流通の促進および流通方向の変更が可能なポンプが設けられていてもよい。本実施形態では、第１主反応器１０と第２主反応器２０とのうち脱離工程中である主反応器内を熱媒体が流通するよう流路が切り替えられる。他の実施形態では、第１流路切替バルブ９１および第２流路切替バルブ９６による流路の切り替えは、予め設定された時間間隔ごとに行われてもよい。また、第１主反応器１０および第２主反応器２０の温度を測定する温度センサを備える場合には、第１主反応器１０と第２主反応器２０とのうち温度が高い方の主反応器内を通るよう流路が切り替えられてもよい。

【0028】

図２は、比較例の炭化水素製造装置１ｃの構成を例示した説明図である。比較例の炭化水素製造装置１ｃは、第１実施形態の炭化水素製造装置１と比べて、熱媒体流通部９０を備えていない点が異なる。このような炭化水素製造装置１ｃにおいては、第１実施形態の炭化水素製造装置１が備える熱供給部を備えていないことから、第１主反応器１０（もしくは第２主反応器２０）においてメタンを合成した際に生じる反応熱を副反応器８０に供給することができない。そのため、副反応器８０内におけるメタン化反応時の反応熱によって副反応器８０は加熱されるものの、メタン化反応を促進する促進温度まで副反応器８０の温度を上昇させるためには、ヒータ等による加熱が別途必要となる場合がある。この場合、ヒータ等による加熱量に応じてエネルギーが消費されることになる。

【0029】

一方、第１実施形態の炭化水素製造装置１は、熱供給部として熱媒体流通部９０を備えていることから、第１主反応器１０（もしくは第２主反応器２０）においてメタンを合成した際に生じる反応熱を、熱媒体を介して、第１主反応器１０（もしくは第２主反応器２０）から副反応器８０に供給することができる。このため、メタンの合成反応を促進する促進温度に副反応器８０の温度を維持するために、第１主反応器１０（もしくは第２主反応器２０）においてメタンを合成した際に生じる反応熱を利用することができる。したがって、メタン化反応を促進する促進温度に副反応器８０の温度を維持するために稼働するヒータ等での消費エネルギーを削減できることから、副反応器８０の加熱に用いられるエネルギーを削減することができる。

【0030】

＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２実施形態としての炭化水素製造装置１ａの構成を例示した説明図である。第２実施形態の炭化水素製造装置１ａは、第１実施形態の炭化水素製造装置１と比べて、熱供給部が異なる。なお、図３においては、図示の便宜上、原料ガス排出流路４５や混合ガス排出流路６５の形状や、脱水部７２、ポンプ７４およびタンク７６の配置、流路７３，７５，７７の配置等が図１と異なっているが、図１と同じ構成要素であることから同じ符号を付している。

【0031】

第２実施形態の炭化水素製造装置１ａは、熱媒体流通部９０を備えていない。また、第２実施形態の炭化水素製造装置１ａは、第１主反応器１０および第２主反応器２０とは形状の異なる第１主反応器１０ａおよび第２主反応器２０ａを備える。第１主反応器１０ａおよび第２主反応器２０ａには、それぞれ副反応器８０が嵌まる窪み部１２ａおよび窪み部２２ａが形成されている。窪み部１２ａと窪み部２２ａとが向かい合うように第１主反応器１０ａと第２主反応器２０ａとが接触している状態において、窪み部１２ａおよび窪み部２２ａは、副反応器８０が嵌まる孔を形成する。図３に示すように、この孔に副反応器８０が嵌まった状態においては、第１主反応器１０ａと副反応器８０とが接触している部分と、第２主反応器２０ａと副反応器８０とが接触している部分と、が発生する。そのため、このような状態においては、第１主反応器１０ａと副反応器８０との間もしくは第２主反応器２０ａと副反応器８０との間で熱交換が可能である。すなわち、第２実施形態の炭化水素製造装置１ａにおいては、熱供給部は、副反応器８０の周囲を覆う形状に形成された第１主反応器１０ａおよび第２主反応器２０ａである。

【0032】

以上のような第２実施形態の炭化水素製造装置１ａによっても、副反応器８０の周囲を覆う第１主反応器１０ａおよび第２主反応器２０ａから副反応器８０に向けて、第１主反応器１０ａおよび第２主反応器２０ａで炭化水素を合成した際に生じる反応熱を供給することができる。したがって、メタン化反応を促進する促進温度に副反応器８０の温度を維持するために稼働するヒータ等での消費エネルギーを削減できることから、副反応器８０の加熱に用いられるエネルギーを削減することができる。

【0033】

＜第１，２実施形態と比較例との比較＞
第１，２実施形態および比較例における消費エネルギーについて説明する。比較例の炭化水素製造装置１ｃ（図２参照）においては、上述したように、第１主反応器１０（もしくは第２主反応器２０）においてメタンを合成した際に生じる反応熱を副反応器８０に供給することができない。そのため、副反応器８０内におけるメタン化反応時の反応熱によって副反応器８０は加熱されるものの、メタン化反応を促進する促進温度まで副反応器８０の温度を上昇させるためには、ヒータ等による加熱が別途必要となる場合がある。ここで、比較例において、副反応器８０に供給される混合ガスのガス組成を、ＣＨ₄：Ｈ₂：ＣＯ₂：Ｎ₂＝８４：１０：５：１とするとともに、副反応器８０に供給される混合ガスの流量を３．５Ｌ／ｍｉｎと仮定した場合、室温（２０℃）の混合ガスをメタン化反応に必要な温度（２５０℃）まで昇温させるエネルギーは、３２Ｗとなる。また、供給された混合ガスを用いた副反応器８０内でのメタン化反応時での生じる反応熱は、１１Ｗとなることから、メタン化反応を促進する促進温度に副反応器８０の温度を維持するためには、別途２１Ｗ（＝３２Ｗ―１１Ｗ）のエネルギーが必要となる。

【0034】

なお、上記の３２Ｗは、以下の式（１）～（３）から求められる。なお、式（１）（２）の右辺における各項の単位は省略している。
混合ガス比熱（３．３０ｋｊ／ｋｇ・℃）＝０℃におけるＣＨ₄の比熱×混合ガス中ＣＨ₄割合（２．１８×０．８４）＋０℃におけるＨ₂の比熱×混合ガス中Ｈ₂割合（１４．２×０．１０）＋０℃におけるＣＯ₂の比熱×混合ガス中ＣＯ₂割合（０．８３×０．０５）＋０℃におけるＮ₂の比熱×混合ガス中Ｎ₂割合（１．０４×０．０１）…（１）
混合気体密度（０．７２ｋｇ／ｍ³）＝０℃におけるＣＨ₄の密度×混合ガス中ＣＨ₄割合（０．７２×０．８４）＋０℃におけるＨ₂の密度×混合ガス中Ｈ₂割合（０．０８７×０．１０）＋０℃におけるＣＯ₂の密度×混合ガス中ＣＯ₂割合（１．９１×０．０５）＋０℃におけるＮ₂の密度×混合ガス中Ｎ₂割合（１．２１×０．０１）…（２）
昇温させるエネルギー（３２Ｗ）≒混合ガス比熱（３．３０ｋｊ／ｋｇ・℃）×混合気体密度（０．７２ｋｇ／ｍ³）×流量（０．００３５ｍ³／ｍｉｎ）×ΔＴ（２３０℃）／６０（ｓ／ｍｉｎ）×１０００（Ｊ／ｋＪ）…（３）
式（３）中のΔＴ（２３０℃）は、メタン化反応に必要な温度（２５０℃）から室温（２０℃）を引いた値である。

【0035】

また、上記の１１Ｗは、以下の式（４）から求められる。
１１Ｗ≒０．０８７５（Ｌ／ｍｉｎ）／２２．４（Ｌ／ｍｏｌ）×１６５（ｋｊ／ｍｏｌ）／６０（ｓ／ｍｉｎ）×１０００（Ｊ／ｋＪ）…（４）
式（４）中の値０．０８７５は、流量３．５Ｌ／ｍｉｎの混合ガス中のＨ₂量に対してメタン化反応に用いられるＣＨ₄量である。また、値１６５はメタン化反応で生じる発熱量である。

【0036】

一方、第１実施形態の炭化水素製造装置１（図１参照）では、上述したように、第１主反応器１０（もしくは第２主反応器２０）においてメタンを合成した際に生じる反応熱を、熱媒体を介して、第１主反応器１０（もしくは第２主反応器２０）から副反応器８０に供給することができる。例えば、メタン化反応を促進する促進温度に副反応器８０の温度を維持するために必要な熱媒流量は、ΔＴ＝５０℃の場合で１３ｃｃ／ｍｉｎと見積もられ、この場合の理論動力は０．０２１Ｗとなる。すなわち、熱供給部を備えていない比較例の炭化水素製造装置１ｃと比べて、メタン化反応を促進する促進温度に副反応器８０の温度を維持するために別途必要なエネルギーは著しく少ない傾向にある。

【0037】

なお、上記の１３ｃｃ／ｍｉｎは、以下の式（５）から求められる。
１３ｃｃ／ｍｉｎ≒２１Ｗ／１０００（Ｊ／ｋＪ）×６０（ｓ／ｍｉｎ）／熱媒密度（１０００ｋｇ／ｍ³）／熱媒比熱（２ｋｊ／ｋｇ・℃）／ΔＴ（５０℃）×１０ｅ６（ｃｃ／ｍ³）…（５）
式（５）において、熱媒密度１０００ｋｇ／ｍ³、熱媒比熱２ｋｊ／ｋｇ・℃と仮定した。

【0038】

また、上記の０．０２１Ｗは、以下の式（６）から求められる。
０．０２１Ｗ≒熱媒流量（１３ｃｃ／ｍｉｎ）×熱媒密度（１０００ｋｇ／ｍ³）×揚程（１０ｍ）×重力加速度（９．８ｍ／ｓ²）／６０（ｓ／ｍｉｎ）…（６）
式（６）において、揚程１０ｍと仮定した。

【0039】

また、第２実施形態の炭化水素製造装置１ａ（図３参照）では、上述したように、副反応器８０の周囲を覆う第１主反応器１０ａおよび第２主反応器２０ａから副反応器８０に向けて、第１主反応器１０ａおよび第２主反応器２０ａで炭化水素を合成した際に生じる反応熱を供給することができる。すなわち、第２実施形態の炭化水素製造装置１ａでは、熱媒体を流通させることなく副反応器８０に反応熱を供給できる。このため、第１実施形態の炭化水素製造装置１と比べて、メタン化反応を促進する促進温度に副反応器８０の温度を維持するために別途必要なエネルギーは更に少ない傾向にあり、第１主反応器１０および第２主反応器２０内におけるメタン化反応で生じる反応熱量や、第１主反応器１０、第２主反応器２０および副反応器８０の熱伝導率によっては、不要となる場合もある。

【0040】

＜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。

【0041】

上述した第１実施形態では、第１流路切替バルブ９１および第２流路切替バルブ９６は、第１主反応器１０と第２主反応器２０とのうち一方の主反応器内を熱媒体が流通するよう流路を切り替えていたが、これに限られない。第１流路切替バルブ９１および第２流路切替バルブ９６は、一方の主反応器内を熱媒体が流通するよう流路を切り替えることに加えて、両方の主反応器内に同時に熱媒体が流通するよう切り替えてもよい。このような場合、第１主反応器１０と熱媒体との間および第２主反応器２０と熱媒体との間で熱交換が行われたのち、その熱媒体が副反応器８０に向けて供給される。

【0042】

上述した第１実施形態では、副反応器８０の上流側に２つの主反応器（第１主反応器１０ａおよび第２主反応器２０ａ）が並列に配置されていたが、これに限られない。副反応器８０の上流側には、１つの主反応器が配置されていてもよいし、３つ以上の主反応器が並列に配置されていてもよい。

【0043】

上述した第２実施形態では、副反応器８０の周囲は、第１主反応器１０ａおよび第２主反応器２０ａによって覆われていたが、これに限られない。副反応器８０の周囲は、１つの主反応器によって覆われていてもよいし、３つ以上の主反応器によって覆われていてもよい。また、主反応器との熱交換が可能である限り、副反応器８０の周囲は、１つ以上の主反応器により全周が覆われていてもよいし、全周のうちの一部が覆われていてもよい。

【0044】

上述した第２実施形態では、熱供給部である第１主反応器１０ａ（もしくは第２主反応器２０ａ）と副反応器８０とが接触している部分が発生しているとしたが、これに限られない。例えば、第１主反応器１０ａ（もしくは第２主反応器２０ａ）と副反応器８０とが接触していなくてもよい。このような場合、接触していない第１主反応器１０ａ（もしくは第２主反応器２０ａ）と副反応器８０との間の距離は、熱交換が可能な程度に短いものとする。

【0045】

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。

【0046】

本発明は、以下の形態としても実現することが可能である。
［適用例１］
二酸化炭素と水素とから炭化水素を製造する炭化水素製造装置であって、
二酸化炭素を吸蔵する吸蔵性能を有する第１金属と、炭化水素を合成する合成性能を有する第２金属と、を含む触媒を収容した主反応器と、
前記主反応器よりも下流側に配置され、前記第１金属を含まず前記第２金属を含む触媒を収容した副反応器と、
前記主反応器で炭化水素を合成した際に生じる反応熱を前記副反応器に供給する熱供給部と、を備える、炭化水素製造装置。
［適用例２］
適用例１に記載の炭化水素製造装置であって、さらに、
前記熱供給部として、前記主反応器との間および前記副反応器との間で熱交換が可能な熱媒体が流通する熱媒体流通部を備え、
前記反応熱は、前記熱媒体を介して、前記主反応器から前記副反応器に供給される、炭化水素製造装置。
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の炭化水素製造装置であって、
前記熱供給部は、前記副反応器の周囲を覆う形状に形成された前記主反応器である、炭化水素製造装置。

【符号の説明】

【0047】

１，１ａ…炭化水素製造装置
５…制御部
１０，１０ａ…第１主反応器
１２ａ…窪み部
２０，２０ａ…第２主反応器
２２ａ…窪み部
３０…原料ガス供給源
４０…原料ガス供給流路
４１…第１原料ガス供給バルブ
４２…第２原料ガス供給バルブ
４５…原料ガス排出流路
４６…第１原料ガス排出バルブ
４７…第２原料ガス排出バルブ
５０…還元ガス供給源
６０…還元ガス供給流路
６１…第１還元ガス供給バルブ
６２…第２還元ガス供給バルブ
６５…混合ガス排出流路
６６…第１混合ガス排出バルブ
６７…第２混合ガス排出バルブ
７２…脱水部
７３…流路
７４…ポンプ
７５…流路
７６…タンク
７７…流路
８０…副反応器
９０…熱媒体流通部
９１…第１流路切替バルブ
９６…第２流路切替バルブ

【図1】

【図2】

【図3】