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公開番号2024059416
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-05-01
出願番号2022167079
出願日2022-10-18
発明の名称メタノール製造方法およびメタノール製造装置
出願人日立造船株式会社
代理人弁理士法人河崎特許事務所
主分類C07C 29/152 20060101AFI20240423BHJP(有機化学)
要約【課題】膜反応器よりも製造が容易なメタノール製造装置を用いて、化学平衡を生成側にシフトさせながらメタノールを効率的に製造する。
【解決手段】二酸化炭素と水素を含む反応ガスからメタノールを合成する反応を促進する触媒を具備する2つ以上の反応部と、前記反応の生成物である水蒸気を前記反応ガスから分離する2つ以上の分離部と、を具備し、前記分離部は、非透過側の第1空間と、透過側の第2空間と、前記水蒸気を選択的に前記第1空間から前記第2空間に移動させる水蒸気分離膜と、前記水蒸気分離膜を透過させた前記水蒸気を外部へ導く水蒸気導出路と、を具備し、前記反応ガスが、前記反応部と前記分離部とを交互に流通して、化学平衡を生成側にシフトさせながらメタノールを生成および濃縮する、メタノール製造装置。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
二酸化炭素と水素を含む反応ガスからメタノールを合成する反応を促進する触媒を具備する２つ以上の反応部と、
前記反応の生成物である水蒸気を前記反応ガスから分離する２つ以上の分離部と、
を具備し、
前記分離部は、
非透過側の第１空間と、
透過側の第２空間と、
前記水蒸気を選択的に前記第１空間から前記第２空間に移動させる水蒸気分離膜と、
前記水蒸気分離膜を透過させた前記水蒸気を外部へ導く水蒸気導出路と、
を具備し、
前記反応ガスが、前記反応部と前記分離部とを交互に流通して、化学平衡を生成側にシフトさせながらメタノールを生成および濃縮する、メタノール製造装置。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記反応部は、前記反応で発生する反応熱を除去する熱媒体流路を具備する、請求項１に記載のメタノール製造装置。
【請求項３】
前記水蒸気分離膜が、１００～１０００の水蒸気／メタノール分離係数を有する無機膜を具備する、請求項１に記載のメタノール製造装置。
【請求項４】
前記反応部の上流側と前記分離部の上流側とが連通せず互いに独立しており、かつ、前記反応部の下流側と前記分離部の上流側とが連通している、請求項１に記載のメタノール製造装置。
【請求項５】
前記反応ガスが第１方向および前記第１方向とは逆の第２方向に交互に流れるように、前記反応部と前記分離部とが横並びに配置されている、請求項１に記載のメタノール製造装置。
【請求項６】
前記反応ガスが、前記反応部を前記第１方向に流れ、前記分離部を前記第２方向に流れる、請求項５に記載のメタノール製造装置。
【請求項７】
少なくとも３つの前記反応部と、少なくとも３つの前記分離部と、
を具備し、
前記反応ガスが、前記反応部を通過した後に前記分離部を通過するプロセスが３回以上繰り返されるように構成されている、請求項１に記載のメタノール製造装置。
【請求項８】
第１端部および第２端部を有し、かつ複数の部屋を有する構造体を具備し、
複数の筒状の前記反応部と複数の筒状の前記分離部とが、それぞれ前記複数の部屋の何れかに配置されており、
前記反応ガスが前記第１端部側から前記第２端部側に向かう第１方向および前記第１方向とは逆の第２方向に交互に流れるように構成されている、請求項１～７のいずれか１項に記載のメタノール製造装置。
【請求項９】
二酸化炭素と水素を含む反応ガスからメタノールを合成する反応を促進する触媒を具備する２つ以上の反応部と、前記反応の生成物である水蒸気を前記反応ガスから分離する２つ以上の分離部に、前記反応ガスを交互に流通させる工程、
を具備し、
前記分離部は、
非透過側の第１空間と、
透過側の第２空間と、
前記水蒸気を選択的に前記第１空間から前記第２空間に移動させる水蒸気分離膜と、
を具備し、
前記水蒸気分離膜を透過させた前記水蒸気を外部へ導くことにより、化学平衡を生成側にシフトさせながらメタノールを生成および濃縮する工程、
を具備する、メタノール製造方法。
【請求項１０】
前記水蒸気分離膜が、１００～１０００の水蒸気／メタノール分離係数を有する無機膜を具備する、請求項９に記載のメタノール製造方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、ＣＯ
２
を原料に用いるメタノール製造方法およびメタノール製造装置に関する。
続きを表示（約 1,400 文字）【背景技術】
【０００２】
ＣＯ
２
（二酸化炭素）を出発原料とするメタノール合成は、以下の反応式で表される。
【０００３】
TIFF
2024059416000002.tif
17
170
【０００４】
本反応は発熱反応であり、低温・高圧ほどメタノールが生成しやすい反応系である。この反応系は、熱力学平衡の制約が大きく、メタノール収率が非常に小さいことが課題である。
【０００５】
例えば、モル比３：１で混合されたＨ
２
とＣＯ
２
の原料ガスからメタノールを製造することを考えると、１ＭＰａＡ、２００℃で反応を試みた場合の平衡のメタノール収率は約８％であり、５ＭＰａＡ、２００℃で反応を試みた場合の平衡のメタノール収率は約３７％である。原料ガスの大半は未反応ガスとなるため、反応器入口にリサイクルする必要があり、返送と再昇圧に係る圧縮機のエネルギー消費が大きくなる。さらに、メタノールは水との混合物として得られるため、メタノール純度を上げるために蒸留などの精製装置を設置する必要があり、そのエネルギーも膨大とされている。
【０００６】
特許文献１および非特許文献１は、メタノール収率を向上させる技術として、膜反応器の利用を提案している。膜反応器は、触媒と水蒸気分離膜（以下、単に「分離膜」ともいう。）を組合せた一体型反応器である。触媒反応で生成するＨ
２
Ｏを分離膜によって反応系から除去することで、化学平衡を生成側にシフトさせることができる。分離膜の種類としては、高温高圧環境下で運転可能な無機膜とこれを支持する多孔質基材を具備する分離膜が有望とされている。また、反応と同時に脱水が進行するため、これまで必要であったメタノール精製装置を簡略化できるといったメリットも生まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特開２０１８－００８９４０号公報
【非特許文献】
【０００８】
Ｍ. Ｓｅｓｈｉｍｏｅｔａｌ．，Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ２０２１, １１，５０５．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
膜反応器を製造する場合、分離膜の表面を損傷させることなく触媒と分離膜とを一体化させる必要がある。しかし、分離膜の表面を構成する無機膜は厚さが数μｍであり、衝撃や摩擦による損傷を受けやすい。分離膜に損傷を与えることなく、触媒と分離膜とを一体化するためには高度な技術が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面は、二酸化炭素と水素を含む反応ガスからメタノールを合成する反応を促進する触媒を具備する２つ以上の反応部と、前記反応の生成物である水蒸気を前記反応ガスから分離する２つ以上の分離部と、を具備し、前記分離部は、非透過側の第１空間と、透過側の第２空間と、前記水蒸気を選択的に前記第１空間から前記第２空間に移動させる水蒸気分離膜と、前記水蒸気分離膜を透過させた前記水蒸気を外部へ導く水蒸気導出路と、を具備し、前記反応ガスが、前記反応部と前記分離部とを交互に流通して、化学平衡を生成側にシフトさせながらメタノールを生成および濃縮する、メタノール製造装置に関する。
（【００１１】以降は省略されています）

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