JP7563871B2 - メタンガス生成装置及びメタンガス生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、メタンガス生成装置及びメタンガス生成方法に関する。

地球温暖化の抑制のために、温室効果ガスである二酸化炭素を削減する取り組みが行われている。また、例えば、特許文献１－２では、二酸化炭素と水素とを反応させ、メタンガスを生成させるメタネーション反応に関する技術が開示されている。

特許第６２９９３４７号公報 特開２０１７－０５２６６９号公報

メタンガスを生成する場合、メタンガスの生成効率を向上させるためにメタネーション反応を促進させることが考えられる。メタネーション反応を促進させるためには反応物を予熱することが望ましい。しかしながら、反応物を予熱するためには、エネルギーを当然要することとなり、かえって温室効果ガスの削減効果が低下する虞が考えられる。

また、メタネーション反応は、副生成物として水を生成する反応であるため、生成したメタンガスを有効に利用するためには副生成物である水分を、冷却などにより凝縮させ除去することが望ましいと考えられる。つまり、メタネーション反応によってメタンガスを生成する場合、メタンガスを冷却させるためのエネルギーも必要である。

すなわち、メタネーション反応によってメタンガスを生成する場合、反応物の予熱やメタンガスの冷却を行うことが望ましいと考えられるが、そのためにはエネルギーが必要であり、温室効果ガスの削減効果が低下する虞が考えられる。また、反応物の予熱やメタンガスの冷却のための装置も必要であり、生成装置全体が大型化する虞も考えられる。

そこで、本願は、メタンガスを効率良く生成するコンパクトなメタンガス生成装置及びメタンガス生成方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、メタネーション反応をする反応物と、メタネーション反応により生成されるメタンガスとを熱交換させることとした。

詳細には、本発明は、メタネーション反応によってメタンガスを生成するメタンガス生成装置であって、二酸化炭素と水素とを含む反応物を発熱反応させ、メタンガスと水蒸気とを含む生成物であって反応物よりも温度の高い生成物を生成させる反応部と、反応部へ送られる反応物と反応部から流出した生成物とを熱交換させることにより、反応部へ送られる反応物を予熱し、反応部から流出した生成物を冷却する熱交換器と、を備える、メタンガス生成装置である。

このようなメタンガス生成装置であれば、メタネーション反応前の反応物は予熱される。よって、メタネーション反応は、促進される。

また、生成物が冷却されることにより、生成物に含まれる水蒸気が凝縮されて分離される場合、生成物の飽和蒸気圧は低下する。すなわち、生成物の取り扱いは容易となる。

また、生成物には、未反応の反応物が含まれる場合がある。そして、メタネーション反応は、可逆反応である。つまり、生成物に未反応の反応物が含まれる場合、生成物は、未反応の反応物と化学平衡状態の関係にある。ここで、生成物が冷却されることにより水蒸気が凝縮され、凝縮水が生成物から分離させられる場合、当該化学平衡状態が変化し、未反応の反応物から新たにメタンガスと水蒸気が生成される。すなわち、上記のようなメタンガス生成装置であれば、生成されるメタンガスの純度は高まることとなる。

また、反応物と生成物とを熱交換させることにより、反応物の予熱とメタンガスの冷却は実現される。つまり、反応物の予熱、及びメタンガスの冷却を夫々別々に行っていないため、反応物の予熱、及びメタンガスの冷却に必要なエネルギーは節減される。よって、温室効果ガスの削減効果の低下は抑制され、メタンガスの生成効率は向上する。

また、このようなメタンガス生成装置とは異なり、反応物と生成物とを熱交換させず、反応物の予熱と生成物の冷却とを夫々別々に行う場合、反応物量が変動した場合に、反応物量の変動前と比較して反応物の予熱後の温度は変動することとなる。よって、反応物の予熱後の温度の変動を抑制するためには、反応物と熱交換する熱媒体の流量を反応物量に応じて制御する必要がある。

また、メタンガスの生成量はガスの需要や反応物の供給量の変化などの事情により調整されることが必要であるが、生成物量が変動した場合にも、同様に、生成物量の変動前と比較して生成物の冷却後の温度は変動することとなる。よって、生成物の冷却後の温度の変動を抑制するためには、生成物と熱交換させる熱媒体の流量を生成物量に応じて制御する必要がある。しかしながら、上記のようなメタンガス生成装置は、反応物量が変動した場合、反応物と熱交換する生成物の量は、反応物量と同様に変動することとなる。すなわち、反応物量が変動した場合であっても、反応物の予熱後の温度の変動を抑制するために、反応物と熱交換する熱媒体の流量を反応物量に応じて制御せずに済む。また、生成物量が変動した場合にも、生成物の冷却後の温度の変動を抑制するために、生成物と熱交換する熱媒体の流量を生成物量に応じて制御せずに済む。すなわち、反応物の予熱後の温度の変動の抑制や、生成物の冷却後の温度の変動の抑制のための構成が不要である。

また、上記のようなメタンガス生成装置であれば、反応物の予熱及び生成物の冷却は、１つの熱交換器において行うことが可能である。この場合、反応物の予熱と生成物の冷却とを別々の熱交換器において行う場合と比べてメタンガス生成装置をコンパクトにすることができる。

ところで、熱交換器は、シェルアンドチューブ型熱交換器であり、反応物は、シェルアンドチューブ型熱交換器のシェル部分を通過し、生成物は、シェルアンドチューブ型熱交換器のチューブ部分を通過してもよい。

このようなメタンガス生成装置であれば、反応物は、シェルアンドチューブ型熱交換器のシェル部分を通過する。よって、反応物は、生成物と熱交換しつつも、混合撹拌が促進させられる。反応器へ投入される前段階で反応物が充分混合撹拌されるため、熱交換器を通過した反応物のメタネーション反応は促進される。よって、メタンガスの生成効率は向上する。また、反応物の予熱及び反応物の混合撹拌は、１つの熱交換器において行うことが可能である。また、反応物を混合するための撹拌機を別に設けずとも、本発明における熱交換器の使用方法によって混合撹拌の機能を持たせることができるためメタンガス生成装置のコンパクト化も実現される。

ところで、熱交換器は、反応部へ送られる反応物と反応部から流出した生成物の水蒸気とを熱交換させることにより、反応部から流出した生成物の水蒸気を凝縮可能な伝熱交換面積を有してもよい。

上記のようなメタンガス生成装置であれば、水蒸気の少なくとも一部は、水へと凝縮させられる。よって、水蒸気は、容易にメタンガスから分離させられる。また、生成物には、未反応の反応物が含まれる場合がある。そして、メタネーション反応は、可逆反応である。つまり、生成物に未反応の反応物が含まれる場合、生成物は、未反応の反応物と化学平衡状態の関係にある。ここで、凝縮水が生成物から分離させられる場合、当該化学平衡状態が変化し、未反応の反応物から新たにメタンガスと水蒸気が生成される。すなわち、上記のようなメタンガス生成装置であれば、生成されるメタンガスの純度は高まることとなる。

また、発生した凝縮水が排水される場合、生成物全体の熱容量は、低下することとなる。よって、メタンガスの冷却効率は向上する。よって、メタンガス生成装置をコンパクトにすることができる。

ところで、熱交換器は、複数個直列に接続されてもよい。

このようなメタンガス生成装置であれば、反応物と生成物との熱交換効率は高まる。換言すれば、１台あたりの熱交換器をコンパクトにすることができる。

また、複数個直列に接続される熱交換器の夫々において凝縮させられた水分を排水する排水手段をさらに備えてもよい。

生成物には、未反応の反応物が含まれる場合がある。そして、メタネーション反応は、可逆反応である。つまり、生成物に未反応の反応物が含まれる場合、生成物は、未反応の反応物と化学平衡状態の関係にある。よって、熱交換器から凝縮水が排水されることにより、当該化学平衡状態が変化し、未反応の反応物から新たにメタンガスと水蒸気が生成される。すなわち、上記のようなメタンガス生成装置であれば、生成されるメタンガスの純度は高まることとなる。

また、このようなメタンガス生成装置であれば、熱交換器から凝縮水が排水されることにより、生成物全体の熱容量は低下することとなる。よって、メタンガスの冷却効率は向上する。よって、１台あたりの熱交換器をコンパクトにすることができる。

また、上記のようなメタンガス生成装置であれば、複数個直列に接続された熱交換器の夫々において、水蒸気は段階的に凝縮される。よって、夫々の熱交換器から温度の異なる凝縮水を得ることができる。よって、これら温度の異なる凝縮水を再利用する場合、省エネルギー化は実現される。

また、複数個直列に接続される熱交換器の合計の伝熱交換面は、水蒸気を水へと凝縮させる面積を有してもよい。

上記のようなメタンガス生成装置であれば、複数個直列に接続される熱交換器を通過する生成物から凝縮水を得ることができる。また、凝縮水が発生した熱交換器から凝縮水が排水される場合、生成物全体の熱容量は、低下することとなる。よって、メタンガスの冷却効率は向上する。よって、熱交換器をコンパクトにすることができる。

また、生成物には、未反応の反応物が含まれる場合がある。そして、メタネーション反応は、可逆反応である。つまり、生成物に未反応の反応物が含まれる場合、生成物は、未反応の反応物と化学平衡状態の関係にある。よって、凝縮水が発生した熱交換器から凝縮水が排水される場合、当該化学平衡状態が変化し、未反応の反応物から新たにメタンガスと水蒸気が生成される。すなわち、生成されるメタンガスの純度は高まることとなる。

また、本発明は、方法の側面から捉えることもできる。すなわち、例えば、メタネーション反応によってメタンガスを生成するメタンガス生成方法であって、二酸化炭素と水素とを含む反応物を発熱反応させ、メタンガスと水蒸気とを含む生成物であって反応物よりも温度の高い生成物を生成させる反応工程と、反応工程へ送られる反応物と反応工程において生成された生成物とを熱交換させることにより、反応工程へ送られる反応物を予熱し、反応工程において生成された生成物を冷却する熱交換工程と、を含む、メタンガス生成方法であってもよい。

上記のメタンガス生成装置及びメタンガス生成方法であれば、メタンガスを効率良く生成するコンパクトな装置を実現できる。

図１は、本発明の実施形態にかかるメタンガス生成装置の概要の一例を示している。 図２は、熱交換器の概要の一例を示している。 図３は、メタンガス生成装置によりメタンガスが生成されるフローチャートの一例を示している。 図４は、反応物の流量あたりの伝熱交換面積に対する、熱交換器に流出入する反応物の温度差のグラフの一例を示している。 図５は、図４において２つの熱交換器が直列に並べられた場合の構成の概要、及び１つの熱交換器の場合の構成の概要の一例を示している。 図６は、直列に並べられた２つの熱交換器の代替として１つの熱交換器を備えるメタンガス生成装置の概要の一例を示している。 図７は、反応物の流量あたりの熱交換器の伝熱交換面積に対する熱交換器から流出した第１の生成物の温度の一例を示している。 図８は、圧力に対する水の沸点の一例を示している。

以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であり、本発明の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。

＜装置構成＞
図１は、本発明の実施形態にかかるメタンガス生成装置１００の概要の一例を示している。図１に示されるメタンガス生成装置１００は、気体状態の二酸化炭素ガスと水素ガスとを含む反応物の発熱反応によって、メタンガスと水蒸気とを含む生成物を生成させる。このような化学反応は、メタネーション反応と呼ばれる。また、上記の化学反応は可逆反応でもある。上記の化学反応式は、以下のように表される。

４Ｈ_２＋ＣＯ_２⇔ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ （１）

メタンガス生成装置１００は、反応塔１Ａ、１Ｂを備える。反応塔１Ａと反応塔１Ｂとは、直列に接続される。また、反応塔１Ａ、１Ｂは、夫々、反応器２Ａ、２Ｂを備える。反応器２Ａ、２Ｂの内部では、式（１）のメタネーション反応が行われる。ここで、反応
器２Ａ、２Ｂは、本発明の「反応部」の一例である。また、反応器２Ａ、２Ｂには、メタネーション反応を促進させる触媒が充填されている。触媒は、例えば安定化元素が固溶し、正方晶系、及び、又は、立方晶系の結晶構造を有する安定化ジルコニア担体と、安定化ジルコニア担体に担持されるＮｉと、を含む。また、安定化元素は、例えばＭｎ、ＦｅおよびＣｏからなる群から選択される少なくとも１種の遷移元素からなる。これらの触媒は活性が高いことが知られており、本発明の対象となる反応温度は、一例として２００℃（４７３Ｋ）付近のものを対象としている。また、反応塔１Ａ、１Ｂには、図示しないが、反応器２Ａ、２Ｂ内の温度を計測する温度計が設けられる。

また、メタンガス生成装置１００は、熱交換器３Ａ、３Ｂを備える。熱交換器３Ａ、３Ｂは、直列に設けられる。熱交換器３Ａ、３Ｂは、反応塔１Ａと連結される。ここで、熱交換器３Ａ、３Ｂは、夫々本発明の「熱交換器」の一例であって、本発明の「複数個直列に接続される熱交換器」の一例でもある。また、熱交換器は２つに限らず何個でも直列に設けられてもよい。

熱交換器３Ａ、３Ｂの種類は、例えばシェルアンドチューブ型熱交換器である。熱交換器にはシェルアンドチューブ型熱交換器以外の方式も工業的に使用されているが、本発明のように入口と出口の温度差が大きい場合には他の方式では熱交換器の破損が生じる虞が考えられる。そこで、本実施形態では、熱交換器３Ａ、３Ｂには、シェルアンドチューブ型の熱交換器を採用した。もちろん、熱交換器３Ａ、３Ｂとして、シェルアンドチューブ型以外の方式の熱交換器を使用してもよい。図２は、熱交換器３Ａの概要の一例を示している。熱交換器３Ａは、図２に示されるように、シェル部分の入口から出口へ向かって、互い違いに配置された内壁３０を備える（熱交換器３Ｂも同様）。また、図２に示されるように、熱交換器３Ａでは、反応器２Ａへ送られる反応物がシェル部分を通過することとなる。また、熱交換器３Ａのチューブ部分は、反応器２Ａにおいて式（１）のメタネーション反応により生成された生成物（以下、第１の生成物という）であって、熱交換器３Ｂのチューブ部分を通過した第１の生成物が通過することとなる。ここで、第１の生成物には、メタンガス、水蒸気、及び未反応の反応物が含まれる。また、第１の生成物は、本発明の「生成物」の一例である。

また、熱交換器３Ｂのシェル部分は、熱交換器３Ａのシェル部分を通過し、反応器２Ａへ送られる反応物が通過することとなる。また、熱交換器３Ｂのチューブ部分は、反応器２Ａから流出した第１の生成物が通過することとなる。また、熱交換器３Ａ、３Ｂの伝熱交換面積の合計は、第１の生成物に含まれる水蒸気を水へと凝縮させる値である。

また、メタンガス生成装置１００は、熱交換器３Ａ、３Ｂのチューブ部分において、第１の生成物に含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水が発生した場合に、発生した凝縮水を貯える凝縮水タンク４Ａ、４Ｂを備える。図２に示されるように、凝縮水タンク４Ａは、熱交換器３Ａのチューブ部分の出口の底部と連通するように設けられる。また、メタンガス生成装置１００は、熱交換器３Ａのチューブ部分の出口の底部と、凝縮水タンク４Ａとの間に、フロートタイプの排水弁５Ａを備える。また、図示しないが、凝縮水タンク４Ｂも同様に、熱交換器３Ｂのチューブ部分の出口の底部と連通するように設けられる。また、メタンガス生成装置１００は、熱交換器３Ｂのチューブ部分の出口の底部と、凝縮水タンク４Ｂとの間に、フロートタイプの排水弁５Ｂを備える。ここで、凝縮水タンク４Ａ、４Ｂ及び排水弁５Ａ、５Ｂは、本発明の「排水手段」の一例である。

また、メタンガス生成装置１００は、凝縮水タンク４Ａ、４Ｂと夫々接続し、凝縮水タンク４Ａ、４Ｂから凝縮水を排水させる排水管を備える。また、メタンガス生成装置１００は、当該配水管の途中に、排水量を調整する調整弁６Ａ、６Ｂと、調整弁６Ａ、６Ｂを夫々制御する弁制御装置７Ａ、７Ｂを備える。弁制御装置７Ａ、７Ｂは、調整弁６Ａ、６
Ｂを夫々制御することにより、凝縮水タンク４Ａ、４Ｂ内に貯められる凝縮水の水量を調整する。

また、メタンガス生成装置１００は、熱交換器３Ａと反応塔１Ｂとの間に熱交換器３Ｃを備える。熱交換器３Ｃは、例えばシェルアンドチューブ型熱交換器であり、熱交換器３Ａ、３Ｂと同じように互い違いの内壁３０を備える熱交換器である。ここで、熱交換器３Ｃは、本発明の「熱交換器」の一例である。熱交換器３Ｃのシェル部分は、熱交換器３Ａのチューブ部分及び反応器２Ｂと配管を通じて連結されている。また、熱交換器３Ｃのチューブ部分は、反応器２Ｂと配管を通じて連結されている。つまり、熱交換器３Ｃでは、シェル部分に、熱交換器３Ａのチューブ部分から流出した第１の生成物が流入する。そして、当該第１の生成物は、反応器２Ｂへ送られる。また、熱交換器３Ｃのチューブ部分には、反応器２Ｂにおいて第１の生成物に含まれる未反応の反応物が式（１）のメタネーション反応することにより生成された生成物（以下、第２の生成物という）が流入する。ここで、第２の生成物には、第１の生成物と、反応器２Ｂにおいて第１の生成物に含まれる未反応の反応物のメタネーション反応によって生成された生成物と、第１の生成物に含まれ、反応器２Ｂにおいて反応しなかった未反応の反応物と、を含む。また、第２の生成物は、本発明の「生成物」の一例である。

また、メタンガス生成装置１００は、熱交換器３Ｃと接続する熱交換器３Ｄを備える。熱交換器３Ｄは、例えばシェルアンドチューブ型熱交換器である。また、熱交換器３Ｄのシェル部分は、熱交換器３Ｃのチューブ部分と配管を通じて連結されている。つまり、反応器２Ｂから流出し、熱交換器３Ｃのチューブ部分を通過した第２の生成物が熱交換器３Ｄのシェル部分に流入することとなる。また、熱交換器３Ｄは、シェル部分を通過する第２の生成物に含まれる水蒸気を水へと凝縮可能な伝熱交換面積を有する。

また、メタンガス生成装置１００は、熱交換器３Ｄのシェル部分へ冷却水を供給するチラー８を備える。また、チラー８と熱交換器３Ｄとの間には、冷却水が循環する循環管路が形成される。また、メタンガス生成装置１００は、当該循環管路の途中に、循環管路を流れる冷却水の流量を制御する弁９Ａ、９Ｂを備える。また、メタンガス生成装置１００は、チラー８から熱交換器３Ｄへの管路の途中に、管路を流れる冷却水の圧力を制御する圧力制御器１０Ａを備える。また、メタンガス生成装置１００は、チラー８から熱交換器３Ｄへの管路の途中に、管路を流れる冷却水の流量を制御する流量制御器１１Ａを備える。すなわち、チラー８から熱交換器３Ｄへ供給される冷却水の圧力及び流量は、所望の値に制御されることとなる。また、メタンガス生成装置１００は、チラー８から熱交換器３Ｄへの管路の途中に、管路を流れる冷却水の温度を計測する温度計１２Ａを備える。

また、メタンガス生成装置１００は、熱交換器３Ｄのシェル部分において発生する凝縮水を貯える凝縮水タンク４Ｃを備える。凝縮水タンク４Ｃは、熱交換器３Ｄのシェル部分の底部と連通するように設けられる。また、メタンガス生成装置１００は、熱交換器３Ｄのシェル部分の底部と、凝縮水タンク４Ｃとの間に、フロートタイプの排水弁５Ｃを備える。

また、メタンガス生成装置１００は、凝縮水タンク４Ｃと接続し、凝縮水タンク４Ｃから凝縮水を排水させる排水管を備える。また、メタンガス生成装置１００は、当該配水管の途中に、排水量を調整する調整弁６Ｃと、調整弁６Ｃを制御する弁制御装置７Ｃを備える。弁制御装置７Ｃは、調整弁６Ｃを制御することにより、凝縮水タンク４Ｃ内の凝縮水の水量を調整する。

また、メタンガス生成装置１００は、熱交換器３Ｄのシェル部分と連結され、熱交換器３Ｄのシェル部分から流出したメタンガスが通過する配管を備える。また、メタンガス生
成装置１００は、当該配管の途中に温度計１２Ｂと、圧力指示調節器１３と、圧力制御弁１４とを備える。温度計１２Ｂは、当該配管を流れるメタンガスの温度を計測する。また、圧力指示調節器１３が圧力制御弁１４を制御することにより、当該配管内の圧力は調整される。

また、メタンガス生成装置１００は、熱交換器３Ｄのシェル部分から流出したメタンガスを製品ガスとして系外へ供給する配管と、当該配管から分岐し、パージ装置５０と連結する配管とを備える。ここで、パージ装置５０は、メタンガスに含まれる未反応の反応物等の不純物をメタンガスからパージする。

また、メタンガス生成装置１００は、熱交換器３Ｄのシェル部分から流出したメタンガスを製品ガスとして系外へ供給する配管の途中と、当該配管から分岐し、パージ装置５０と連結する配管の途中とに、Ｏｎ－Ｏｆｆ弁１５Ａ、１５Ｂを備える。Ｏｎ－Ｏｆｆ弁１５Ａ、１５Ｂが制御されることにより、熱交換器３Ｄから流出したメタンガスを製品ガスとして供給するか、あるいは熱交換器３Ｄから流出したメタンガスをパージ装置５０へ送ってパージするかが決定される。

また、メタンガス生成装置１００は、熱交換器３Ｄのシェル部分とパージ装置５０との間に、バルブ付きダンプナー１６を備える。パージ装置５０へ送られるメタンガスは、バルブ付きダンプナー１６を通過することにより、その脈動は抑制されることとなる。

また、メタンガス生成装置１００の反応塔１Ａ、１Ｂは、反応器２Ａ、２Ｂを囲むようにジャケット１７Ａ、１７Ｂを夫々備える。ジャケット１７Ａ、１７Ｂには、熱媒油が流入する。ジャケット１７Ａ、１７Ｂに熱媒油が流入することにより、反応器２Ａ、２Ｂ内の物質と熱媒油とが熱交換させられ、反応器２Ａ、２Ｂ内の物質の温度の変動は抑制される。すなわち、反応器２Ａ、２Ｂ内において式（１）のメタネーション反応は安定的に進行することとなる。

また、メタンガス生成装置１００は、上記の熱媒油を貯める熱媒油タンク１８を備える。また、メタンガス生成装置１００は、熱媒油タンク１８内の熱媒油を加熱するためのヒータ１９を備える。

また、メタンガス生成装置１００は、熱媒油タンク１８と接続し、熱媒油タンク１８から熱媒油を排出させる排出管を備える。また、メタンガス生成装置１００は、当該排出管の途中に、弁９Ｃ、９Ｄと、弁９Ｃ、９Ｄを制御する弁制御装置２０を備える。弁制御装置２０は、弁９Ｃ、９Ｄを制御することにより、熱媒油タンク１８に貯められる熱媒油量を調整する。

また、メタンガス生成装置１００は、熱媒油タンク１８と、ジャケット１７Ａ、１７Ｂとを接続し、熱媒油を循環させる循環管路を備える。そして、メタンガス生成装置１００は、熱媒油タンク１８とジャケット１７Ａとの間の管路に、熱媒油タンク１８から流出させる熱媒油量を調整する弁９Ｅと、流出した熱媒油をジャケット１７Ａへ圧送するポンプ２１を備える。また、メタンガス生成装置１００は、ジャケット１７Ａへ送られる熱媒油の圧力を制御する圧力制御器１０Ｂと、弁９Ｆと、ジャケット１７Ａへ送られる熱媒油の流量を制御する流量制御器１１Ｂを備える。

また、メタンガス生成装置１００は、熱媒油の循環管路の途中であってジャケット１７Ａの上流に、熱媒油の温度を計測し、ヒータ１９を制御する温度指示調節器２２Ａを備える。また、メタンガス生成装置１００は、熱媒油の循環管路の途中であってジャケット１７Ａとジャケット１７Ｂとの間に温度計１２Ｃを備える。

また、メタンガス生成装置１００は、熱媒油の循環管路の途中であって、ジャケット１７Ｂの下流に熱媒油を冷却させる熱媒油冷却器２３を備える。熱媒油冷却器２３は、例えばシェルアンドチューブ型熱交換器である。熱媒油冷却器２３のシェル部分には、ジャケット１７Ｂから流出した熱媒油が流入する。一方、熱媒油冷却器２３のチューブ部分には、系外から冷却水が供給される。

また、メタンガス生成装置１００は、熱媒油の循環管路の途中であって、ジャケット１７Ｂと熱媒油冷却器２３との間に、熱媒油の温度を計測する温度計１２Ｄを備える。また、メタンガス生成装置１００は、ジャケット１７Ｂと熱媒油冷却器２３との間の熱媒油の循環管路から分岐し、熱媒油冷却器２３を経由せずに熱媒油タンク１８と接続する分岐配管を備える。そして、メタンガス生成装置１００は、当該分岐配管の途中に温度制御弁２４を備える。また、メタンガス生成装置１００は、熱媒油冷却器２３と熱媒油タンク１８との間を流れる熱媒油の温度を計測する温度計１２Ｅと、温度計１２Ｅによる計測値に基づき温度制御弁２４の制御を行う温度指示調節器２２Ｂを備える。温度制御弁２４が制御されることにより、ジャケット１７Ｂから流出した熱媒油のうち、熱媒油冷却器２３を経由して熱媒油タンク１８へ冷却されて戻る量と、熱媒油冷却器２３を経由せずに熱媒油タンク１８へ戻る量とが決定される。このようにして熱媒油の冷却量は調整される。

＜生成フロー例＞
次に、メタンガス生成装置１００の動作によりメタンガスが生成されるフローの一例を説明する。メタンガスを生成するに当たって、図１に示されるヒータ１９が起動される。そして、熱媒油タンク１８内の熱媒油が加熱される。そして、弁９Ｅが開けられ、ポンプ２１が起動される。このような動作により、熱媒油が、ジャケット１７Ａ、１７Ｂへ循環させられる。熱媒油がジャケット１７Ａへ圧送される際の圧力は、圧力制御器１０Ｂによって所望の値に制御される。また、熱媒油の循環流量は、流量制御器１１Ｂによって所望の値に制御される。また、ヒータ１９は、反応塔２Ａ、２Ｂにおいて反応物の反応が進行する温度の近傍まで熱媒油タンク１８内の熱媒油を加温するために、温度指示調節器２２Ａによる指示に基づき、制御される。このようにして、ジャケット１７Ａ、１７Ｂには、所望の温度、圧力の熱媒油が循環することとなる。ここで、ジャケット１７Ａ、１７Ｂに流入する熱媒油の所望の温度とは、式（１）のメタネーション反応が進行することのできる温度のことであり、例えば２００℃程度である。また、熱媒油冷却器２３のチューブ部分には、冷却水が供給される。また、チラー８と熱交換器３Ｄとの間には、冷却水が循環させられる。

図３は、上記のようにメタンガス生成装置１００においてメタンガスの生成の準備がなされた後に、メタンガス生成装置１００によりメタンガスが生成されるフローチャートの一例を示している。

（ステップＳ１０１）
ステップＳ１０１では、二酸化炭素ガスと水素ガスとを含む反応物が、熱交換器３Ａのシェル部分に流入させられる。そして、シェル部分に流入する二酸化炭素ガスと水素ガスとを含む反応物は、直線状に進行せず、熱交換器３Ａの内壁３０に当たることによって拡散されることとなる。よって、反応物は、混合撹拌することとなる。このように混合撹拌した反応物は、熱交換器３Ａのシェル部分から流出し、熱交換器３Ｂのシェル部分へ流入する。そして上記の反応物は、同様にさらに混合撹拌し、反応器２Ａへ流入する。

（ステップＳ１０２）
ステップＳ１０２では、反応器２Ａにおいて、流入した反応物のメタネーション反応が進行する。メタネーション反応の進行により、生成物としてメタンガスが生成される。ま
た、副生成物として水蒸気が生成される。メタネーション反応が進行している場合、メタネーション反応により生じた熱は、ジャケット１７Ａを流れる熱媒油に吸収される。すなわち、反応器２Ａ内の温度の変動は抑制され、反応器２Ａにおけるメタネーション反応は安定的に進行することとなる。

また、メタネーション反応により生じた熱の一部は、メタンガスと水蒸気を含む生成物と、未反応の反応物とを含む第１の生成物にも吸収される。すなわち、第１の生成物の温度は、反応器２Ａへ流入する反応物の温度よりも高い状態となっている。そして、それら第１の生成物は、メタネーション反応により生じた圧力によって反応器２Ａから流出し、熱交換器３Ｂのチューブ部分へ流入する。

（ステップＳ１０３）
ステップＳ１０３では、熱交換器３Ｂにおいて、第１の生成物と、反応器２Ａへ送られる前の反応物とが熱交換する。熱交換器３Ｂのチューブ部分に流入した第１の生成物と、熱交換器３Ｂのシェル部分に流入した反応器２Ａへ送られる前の反応物とが熱交換する。ここで、第１の生成物の温度は、反応器２Ａへ送られる前の反応物の温度よりも高い状態となっている。よって、熱交換器３Ｂのシェル部分において、反応器２Ａへ送られる前の反応物は、混合撹拌されつつも予熱されることとなる。

一方、熱交換器３Ｂのチューブ部分を流れる第１の生成物は反応物と熱交換することにより冷却させられる。そして、第１の生成物に含まれる水蒸気が冷却させられて凝縮水が発生する場合、発生した凝縮水は熱交換器３Ｂのチューブ部分の出口の底部に溜まる。そして、熱交換器３Ｂのチューブ部分の出口の底部に溜まった凝縮水は、排水弁５Ｂが開けられることにより、凝縮水タンク４Ｂへ流入する。凝縮水タンク４Ｂへ貯まった凝縮水の温度は、例えば１００度以上である。また、熱交換器３Ｂのチューブ部分を流れる第１の生成物は、冷却後に熱交換器３Ａのチューブ部分へ流入する。

（ステップＳ１０４）
ステップＳ１０５では、熱交換器３Ｂに加えて、熱交換器３Ａにおいて、第１の生成物と、反応器２Ａへ送られる前の反応物であって熱交換器３Ｂへ送られる前の反応物とが熱交換する。熱交換器３Ａにおいて第１の生成物は、さらに冷却される。ここで、熱交換器３Ａ、３Ｂの伝熱交換面積の合計は、チューブ部分を通過する生成物に含まれる水蒸気を水へと凝縮させる値である。よって、熱交換器３Ａにおいては、第１の生成物に含まれる水蒸気が冷却させられて凝縮水が発生することとなる。そして、発生した凝縮水は熱交換器３Ａのチューブ部分の出口の底部に溜まる。そして、熱交換器３Ａのチューブ部分の出口の底部に溜まった凝縮水は、排水弁５Ａが開けられることにより、凝縮水タンク４Ａへ流入する。凝縮水タンク４Ａへ貯まった凝縮水の温度は、例えば１００度以上である。また、水蒸気は、熱交換器３Ｂから熱交換器３Ａへと段階的に冷却されている。よって、凝縮水タンク４Ａに貯まる凝縮水の温度は、凝縮水タンク４Ｂに貯まる凝縮水の温度よりも低下している。また、熱交換器３Ａのシェル部分を通過する反応物は、反応物よりも温度の高い第１の生成物と熱交換するため、熱交換器３Ｂへ送られる前においても予熱されることとなる。

（ステップＳ１０５）
ステップＳ１０５では、熱交換器３Ａのチューブ部分において冷却させられた第１の生成物が、熱交換器３Ｃのシェル部分へ流入する。そして、第１の生成物は、直線状に進行せず、熱交換器３Ｃの内壁３０に当たることによって拡散されることとなる。よって、第１の生成物は、混合撹拌することとなる。その後、熱交換器３Ｃのシェル部分において混合撹拌された第１の生成物は、反応器２Ｂへ送られる。

ここで、熱交換器３Ａ、３Ｂの伝熱交換面積の合計は、チューブ部分を通過する生成物に含まれる水蒸気を水へと凝縮させる値であるため、熱交換器３Ａ又は３Ｂにおいて水蒸気の一部は、凝縮水として分離させられている。つまり、第１の生成物に含まれる未反応の反応物と生成物との関係は、水蒸気の分離により化学平衡状態では無くなっている。よって、反応器２Ｂへ送られた第１の生成物に含まれる未反応の反応物はメタネーション反応することとなる。

（ステップＳ１０６）
ステップＳ１０６では、反応器２Ｂへ流入した第１の生成物に含まれる未反応の反応物から、メタネーション反応によりメタンガスがさらに生成される。また、メタネーション反応により生じた熱は、ジャケット１７Ｂを流れる熱媒油に吸収される。すなわち、反応器２Ｂ内の温度の変動は抑制され、反応器２Ｂにおけるメタネーション反応は安定的に進行することとなる。

また、反応器２Ｂでは、生成物として新たにメタンガスが生成され、副生成物として水蒸気もさらに生成されることとなる。すなわち、反応器２Ｂには、第１の生成物と、反応器２Ｂにおいて新たに生成された生成物とを含む第２の生成物が存在することとなる。第２の生成物の温度は、発熱反応であるメタネーション反応により生じた熱の少なくとも一部を吸収し、反応器２Ｂへ流入する反応物（第１の生成物）の温度よりも高い状態となっている。そして、それら第２の生成物は、メタネーション反応により生じた圧力によって反応器２Ｂから流出し、熱交換器３Ｃのチューブ部分へ送られる。

また、反応熱を吸収した熱媒油の少なくとも一部は、ジャケット１７Ｂから流出し、熱媒油冷却器２３のシェル部分へ流入することとなる。熱媒油冷却器２３では、熱媒油は、冷却水と熱交換し、冷却される。そして、冷却された熱媒油は、熱媒油タンク１８へ戻される。また、温度指示調節器２２Ｂにより熱媒油冷却器２３から熱媒油タンク１８へ戻される熱媒油の温度が計測される。そして、計測された温度に基づき、温度制御弁２４が制御される。つまり、温度制御弁２４が制御されることにより、ジャケット１７Ｂから熱媒油冷却器２３へ流入する量と、ジャケット１７Ｂから熱媒油冷却器２３を経由せずに熱媒油タンクへ直接戻される熱媒油の量とのバランスが調整される。このようにして、循環する熱媒油の温度の変動は抑制される。また、反応物の供給が開始され反応がはじまった後は反応熱が放熱量を上回るためヒータ１９は運転が停止されてもよい。ヒータ１９の運転が停止される場合、加熱量に使用するエネルギーは節減される。

（ステップＳ１０７）
ステップＳ１０７では、第１の生成物よりも温度の高い第２の生成物が熱交換器３Ｃのチューブ部分へ流入する。一方で、熱交換器３Ｃのシェル部分には、反応器２Ｂへ流入する前の第１の生成物が流入している。すなわち、熱交換器３Ｃにおいて第１の生成物と第２の生成物とが熱交換することとなる。熱交換器３Ｃにおいて、第１の生成物と第２の生成物とが熱交換することにより、第１の生成物が予熱され、第２の生成物が冷却されることとなる。

（ステップＳ１０８）
ステップＳ１０８では、熱交換器３Ｃにおいて冷却された第２の生成物は、熱交換器３Ｄのシェル部分へ送られる。熱交換器３Ｄにおいては、第２の生成物は、チューブ部分を流れる冷却水によって、さらに冷却される。ここで、熱交換器３Ｄは、シェル部分を通過する第２の生成物に含まれる水蒸気を水へと凝縮可能な伝熱交換面積を有している。つまり、熱交換器３Ｄにおいて第２の生成物に含まれる水蒸気の多くが凝縮水となり、熱交換器３Ｄのシェル部分の底部に溜まる。そして、熱交換器３Ｄのシェル部分の底部に溜まった凝縮水は、排水弁５Ｃが開けられることにより、凝縮水タンク４Ｃへ流入する。凝縮水
タンク４Ｃへ貯まった凝縮水の温度は、例えば１００度以上である。

また、熱交換器３Ｄのシェル部分において冷却された第２の生成物には、熱交換器３Ｄが水蒸気を水へと凝縮させる伝熱交換面積を有するため、水蒸気がほぼ含まれていない。また、第２の生成物に残存する未反応の反応物は、反応器２Ｂにおけるメタネーション反応によって、ほぼ無くなっている。よって、熱交換器３Ｄのシェル部分から流出したメタンガスは、製品ガスとして系外へ供給され得る。メタンガスが製品ガスとして系外へ供給される場合、Ｏｎ－Ｏｆｆ弁１５Ａが閉じられ、Ｏｎ－Ｏｆｆ弁１５Ｂが開けられる。また、メタンガス生成装置１００は、熱交換器３Ｄのシェル部分から流出したメタンガスを、パージ装置５０へ送り、メタンガスに混合する微量の不純物をパージさせることもできる。メタンガスがパージ装置５０へ送られてパージされる場合、Ｏｎ－Ｏｆｆ弁１５Ａが開けられ、Ｏｎ－Ｏｆｆ弁１５Ｂが閉じられる。

＜作用・効果＞
上記のようなメタンガス生成装置１００であれば、熱交換器３Ａ、３Ｂにおいて、反応器２Ａに流入するメタネーション反応前の反応物は予熱される。また、熱交換器３Ｃにおいて、反応器２Ｂに流入する第１の生成物は予熱される。よって、反応器２Ａ、２Ｂにおいてメタネーション反応は、促進される。

また、反応器２Ａにおいて生成されたメタンガスは、熱交換器３Ａ、３Ｂにおいて冷却され、反応器２Ｂにおいて生成されたメタンガスは、熱交換器３Ｃ、３Ｄにおいて冷却される。そして、熱交換器３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄにおいてメタンガスに含まれる水蒸気が凝縮されて排水される場合、メタンガスの飽和蒸気圧は低下する。すなわち、メタンガスの取り扱いは容易となる。

また、熱交換器３Ａ、３Ｂでは、反応器２Ａにおいてメタネーション反応が行われる前の反応物と、メタネーション反応により生成されるメタンガスを含む第１の生成物とが熱交換することにより、反応物の予熱と第１の生成物の冷却が実現されている。また、熱交換器３Ｃでは、反応器２Ｂにおいてメタネーション反応が行われる前の反応物（第１の生成物に含まれる未反応の反応物）と、メタネーション反応により生成されるメタンガスを含む第２の生成物とが熱交換することにより、反応物の予熱と第２の生成物の冷却が実現されている。つまり、上記のようなメタンガス生成装置１００は、反応物の予熱、及びメタンガスを含む生成物の冷却のために夫々別個の熱交換器を設けていない。よって、上記のようなメタンガス生成装置１００であれば、反応物の予熱、及びメタンガスの冷却のためのエネルギーを節減することができる。すなわち、上記のようなメタンガス生成装置１００は、メタンガスの生成効率を向上させることができる。また、上記のようなメタンガス生成装置１００であれば、反応物の予熱と生成物の冷却とを別々に行う場合に比べてメタンガス生成装置をコンパクトにすることができる。

また、反応物の予熱、及びメタンガスを含む生成物の冷却のために夫々別個の熱交換器が設けられる場合、反応物量が変動すると、反応物量の変動前と比較して反応物の予熱後の温度は変動することなる。よって、反応物の予熱後の温度の変動を抑制するためには、反応物と熱交換する熱媒体の流量を反応物量に応じて制御する必要がある。また、生成物量が変動した場合にも、同様に、生成物量の変動前と比較して生成物の冷却後の温度は変動することなる。よって、生成物の冷却後の温度の変動を抑制するためには、生成物と熱交換する熱媒体の流量を生成物量に応じて制御する必要がある。しかしながら、上記のようなメタンガス生成装置１００であれば、熱交換器３Ａ、３Ｂへ流入する反応物量が変動した場合、反応器２Ａから流出して熱交換器３Ａ、３Ｂへ流入し、反応物と熱交換する第１の生成物の量は、当該反応物量に従って変動することとなる。すなわち、熱交換器３Ａ、３Ｂへ流入する反応物量が変動した場合であっても、熱交換器３Ａ、３Ｂにおいて反応物と熱交換する第１の生成物の流量を反応物量に応じて制御しなくとも、自律的に反応物
の予熱後の温度の変動は抑制される。

また、熱交換器３Ａ、３Ｂから流出する第１の生成物量が変動した場合であっても、同様に、熱交換器３Ａ、３Ｂにおいて第１の生成物と熱交換する反応物の流量を第１の生成物量に応じて制御しなくとも、自律的に第１の生成物の冷却後の温度の変動は抑制される。すなわち、反応物の予熱の変動の抑制や第１の生成物の冷却の変動の抑制ための構成が不要である。また、熱交換器３Ｃにおいても同様のことが言え、第１の生成物の予熱の変動の抑制や第２の生成物の冷却の変動の抑制ための構成が不要である。

また、上記のようなメタンガス生成装置１００であれば、反応物は、熱交換器３Ａ、３Ｂにおいて、シェルアンドチューブ型熱交換器のシェル部分を通過する。よって、シェル部分の内壁３０に反応物が当たることによって反応物が拡散される。すなわち、反応物の混合撹拌が促進される。よって、熱交換器３Ａ、３Ｂにおいて予熱され、混合撹拌された反応物が流入する反応器２Ａにおいて、メタネーション反応は促進される。

また、熱交換器３Ｃにおいても、シェルアンドチューブ型熱交換器のシェル部分を第１の生成物は通過する。そして、熱交換器３Ｃは、熱交換器３Ａ、３Ｂと同タイプの熱交換器である。よって、熱交換器３Ｃのシェル部分の内壁３０に反応物があたることによって第１の生成物が拡散される。よって、第１の生成物の混合撹拌は促進される。よって、熱交換器３Ｃにおいて予熱され、混合撹拌された第１の生成物が流入する反応器２Ｂにおいて、メタネーション反応は促進される。すなわち、メタネーション反応の促進のために、熱交換器３Ａ、３Ｂ、３Ｃの他に新たな機器を設け、反応物の混合撹拌を行わずに済む。よって、メタンガスの生成効率は向上する。また、メタンガス生成装置１００のコンパクト化も実現される。

また、反応器２Ａから流出した第１の生成物は、反応器２Ａ内の圧力を受けて、夫々熱
交換器３Ａ、３Ｂのチューブ部分を通過し、反応器２Ｂから流出した第２の生成物は、反応器２Ｂ内の圧力を受けて、熱交換器３Ｃのチューブ部分を通過する。すなわち、第１の生成物及び第２の生成物が熱交換器３Ａ、３Ｂ、３Ｃを通過するためのポンプや圧縮機などの圧送手段を新たに設けずに済む。すなわち、第１の生成物及びよって、圧送に要する動力を節減でき、省エネルギー化は実現される。

また、上記のようなメタンガス生成装置１００であれば、熱交換器３Ａ、３Ｂの伝熱交換面積の合計は、チューブ部分を通過する第１の生成物に含まれる水蒸気を水へと凝縮させる値である。よって、熱交換器３Ａ、３Ｂにおいて、生成物に含まれる水蒸気の少なくとも一部は、水へと凝縮させられる。つまり、水蒸気は、容易にメタンガスから分離される。よって、メタンガスの純度を容易に高めることができる。

また、上記のようなメタンガス生成装置１００であれば、反応器２Ａから流出する第１の生成物には、未反応の反応物が含まれている。そして、メタネーション反応は、可逆反応である。つまり、第１の生成物に含まれる未反応の反応物と、第１の生成物に含まれるメタンガス及び水蒸気とは化学平衡状態の関係にある。ここで、熱交換器３Ａ又は熱交換器３Ｂにおいて水蒸気が第１の生成物から分離される場合、当該化学平衡状態の関係が変化する。つまり、第１の生成物に含まれる未反応の反応物とメタンガス及び水蒸気との関係は、水蒸気の分離により化学平衡状態の関係ではなくなっている。よって、熱交換器３Ａ、３Ｂを通過し、反応器２Ｂへ送られた第１の生成物は、それに含まれる未反応物の反応物がメタネーション反応することとなる。つまり、第１の生成物に含まれる未反応の反応物からメタンガスが再度生成されることとなる。すなわち、第１の生成物に含まれる未反応の反応物の割合が減り、第１の生成物に含まれるメタンガスの割合が増える。すなわち、上記のようなメタンガス生成装置１００であれば、生成されるメタンガスの純度は高まることとなる。

また、上記のメタンガス生成装置１００では、熱交換器３Ｃにおいて熱交換器３Ｂから流出した第１の生成物を再度予熱し、混合撹拌した後に、反応器２Ｂへ送っている。よって、反応器２Ｂにおけるメタネーション反応は促進され、メタンガス生成効率は向上することとなる。

また、熱交換器３Ａにおいて凝縮水が第１の生成物から分離され、熱交換器３Ａから排水される場合、第１の生成物全体の熱容量は低下することとなる。換言すれば、第１の生成物は、凝縮水が分離される前と比較して速やかに冷却可能となる。よって、上記のような直列に接続された熱交換器３Ａ、３Ｂでは、熱交換器３Ａの伝熱交換面積を縮小し、熱交換器３Ａをコンパクトにすることができる。

また、上記のようなメタンガス生成装置１００は、熱交換器３Ａ、３Ｂの両方において凝縮水が発生する場合、凝縮水タンク４Ａ、４Ｂにおいて温度の異なる凝縮水が貯められることとなる。そして、これら温度の異なる凝縮水を再利用すれば省エネルギー化は実現される。凝縮水の再利用の一例としては、パージ装置５０が、メタンガスを透過させ、メタンガスに含まれる不純物を透過させない膜を備える装置である場合、膜を透過する前のメタンガスを加温するために使用されることが挙げられる。このようなメタンガス生成装置１００であれば、膜に流入するメタンガスが結露することは抑制され、パージ装置５０の運用に影響が及ぶことは抑制される。

なお、上記の実施形態において反応物の供給圧力が充分であれば、圧縮機の断熱圧縮による原料物の加温などは不要である。

＜変形例１＞
上記のメタンガス生成装置１００では、熱交換器３Ａ、３Ｂにおいて凝縮水が発生する場合、発生した凝縮水は、熱交換器３Ａ、３Ｂから排水されている。しかし、熱交換器３Ａ、３Ｂにおいて凝縮水が発生した場合であっても、発生した凝縮水は熱交換器３Ａ、３Ｂから排水されなくともよい。メタンガス生成装置１００Ａは、熱交換器３Ａ、３Ｂのチューブ部分の出口の底部と連通する凝縮水タンク４Ａ、４Ｂ及び排水弁５Ａ、５Ｂを備えていない点でメタンガス生成装置１００と構成が異なる。

ここで、メタンガス生成装置１００Ａのように、凝縮水の排水手段を備えず、熱交換器を２台直列に並べる場合の反応物と生成物との熱交換効率について検証を行った。図４は、熱交換器を２つ直列に並べた場合（以下、（Ａ）という）の、反応物の流量あたりの伝熱交換面積に対する、熱交換器から流出する反応物の温度と熱交換器へ流入する反応物の温度との差が例示されている。また、図４には、熱交換器を１つ設けた場合（以下、（Ｂ）という）の、反応物の流量あたりの伝熱交換面積に対する、熱交換器から流出する反応物の温度と熱交換器へ流入する反応物の温度との差も例示されている。

また、図５は、（Ａ）の構成の概要、及び（Ｂ）の構成の概要の一例を示している。図５に示されるように、（Ａ）は、メタンガス生成装置１００Ａに設けられる熱交換器３Ａ、３Ｂ、及び反応塔１Ａから形成される。そして、熱交換器３Ａのシェル部分、及び熱交換器３Ｂのシェル部分にメタネーション反応前の反応物が流入する。そして、熱交換器３Ａのチューブ部分、及び熱交換器３Ｂのチューブ部分にメタネーション反応後の生成物が流入する。

また、図４に示される、反応物の流量あたりの伝熱交換面積は、熱交換器３Ａの伝熱交換面積と熱交換器３Ｂの伝熱交換面積との和である。また、図４に示される、熱交換器に流出入する反応物の温度差は、熱交換器３Ｂのシェル部分から流出する反応物の温度（Ｔ
１Ａ）から、熱交換器３Ａのシェル部分へ流入する反応物の温度（Ｔ２Ａ）を差し引いた値である。

一方、（Ｂ）は、１つの熱交換器３Ｅおよび反応塔１Ａから形成される。そして、熱交換器３Ｅのシェル部分にメタネーション反応前の反応物が流入する。そして、熱交換器３Ｅのチューブ部分にメタネーション反応後の生成物が流入する。また、図４に示される、反応物の流量あたりの伝熱交換面積は、熱交換器３Ｅの伝熱交換面積のことである。また、図４に示される、熱交換器に流出入する反応物の温度差は、熱交換器３Ｅのシェル部分から流出する反応物の温度（Ｔ１Ｂ）から、熱交換器３Ｅのシェル部分へ流入する前の反応物の温度（Ｔ２Ｂ）を差し引いた値である。

図４に示されるように、（Ａ）の場合は、反応物の流量あたりの熱交換器の伝熱交換面積に関わらず、（Ｂ）の場合よりも熱交換器に流出入する反応物の温度差は大きい結果となっている。すなわち、熱交換器を２台直列に並べる構成は、熱交換器が１台設けられる構成よりも熱交換効率が向上することが確認された。また、熱交換器を２台直列に並べる構成は、凝縮水を排水する排水手段を備えていなくとも熱交換効率が向上することが確認された。換言すれば、（Ａ）の場合は、熱交換器を小型化し、熱交換器の熱交換面積を縮小した場合であっても、（Ｂ）の場合と同等の、反応物の予熱効果や生成物の冷却効果を得ることができると言える。よって、（Ａ）の場合は、装置全体をコンパクトにすることができる。図４、図５の検証結果から、メタンガス生成装置１００Ａは、熱交換器３Ａ、３Ｂを小型化することにより、熱交換器が１台の構成の場合よりもメタンガス生成装置全体をコンパクトにすることができると言える。さらに、メタンガス生成装置１００Ａは、装置全体をコンパクトにしつつも、熱交換器が１台の構成の場合と同等の熱交換効率を実現することができると言える。

＜変形例２＞
また、メタンガス生成装置は、熱交換器３Ａ、３Ｂの代替として１台の熱交換器を備えてもよい。図６は、熱交換器３Ａ、３Ｂの代替として熱交換器３Ｆを備えるメタンガス生成装置１００Ｂの概要の一例を示している。熱交換器３Ｆのシェル部分には、図示しないが熱交換器３Ａと同様に、シェル部分の入口から出口へ向かって、互い違いに配置された内壁を備える。そして、熱交換器３Ｆのシェル部分には、反応器２Ａへ送られる反応物が流入する。一方、熱交換器３Ｆのチューブ部分には、反応器２Ａから流出した第１の生成物が流入する。つまり、熱交換器３Ｆにおいて反応器２Ａへ送られる反応物と第１の生成物とが熱交換する。そして、反応器２Ａへ送られる反応物が予熱され、また第１の生成物が冷却される。また、反応物は、熱交換器３Ｆのシェル部分において混合撹拌される。

上記のようなメタンガス生成装置１００であれば、熱交換器３Ｆにおいて、反応器２Ａに流入するメタネーション反応前の反応物は予熱される。また、熱交換器３Ｃにおいて、反応器２Ｂに流入する第１の生成物は予熱される。よって、反応器２Ａ、２Ｂにおいてメタネーション反応は、促進される。

また、反応器２Ａにおいて生成されたメタンガスは、熱交換器３Ｆ、３Ｃ、３Ｄにおいて冷却される。また、反応器２Ｂにおいて生成されたメタンガスは、熱交換器３Ｃ、３Ｄにおいて冷却される。そして、熱交換器３Ｆ、３Ｃ、３Ｄにおいてメタンガスに含まれる水蒸気が凝縮されて排水される場合、メタンガスの飽和蒸気圧は低下する。すなわち、メタンガスの取り扱いは容易となる。

また、熱交換器３Ｆでは、反応器２Ａにおいてメタネーション反応が行われる前の反応物と、メタネーション反応により生成されるメタンガスを含む第１の生成物とが熱交換することにより、反応物の予熱と第１の生成物の冷却が実現されている。また、熱交換器３
Ｃでは、反応器２Ｂにおいてメタネーション反応が行われる前の反応物（第１の生成物に含まれる未反応の反応物）と、メタネーション反応により生成されるメタンガスを含む第２の生成物とが熱交換することにより、反応物の予熱と第２の生成物の冷却が実現されている。つまり、上記のようなメタンガス生成装置１００Ｂは、反応物の予熱、及びメタンガスを含む生成物の冷却のために夫々別個の熱交換器を設けていない。よって、上記のようなメタンガス生成装置１００Ｂであれば、反応物の予熱、及びメタンガスの冷却のためのエネルギーを節減することができる。すなわち、上記のようなメタンガス生成装置１００Ｂは、メタンガスの生成効率を向上させることができる。また、上記のようなメタンガス生成装置１００Ｂであれば、反応物の予熱と生成物の冷却とを別々に行う場合に比べてメタンガス生成装置をコンパクトにすることができる。

また、反応物の予熱、及びメタンガスを含む生成物の冷却のために夫々別個の熱交換器が設けられる場合、反応物量が変動すると、反応物量の変動前と比較して反応物の予熱後の温度は変動することなる。よって、反応物の予熱後の温度の変動を抑制するためには、反応物と熱交換する熱媒体の流量を反応物量に応じて制御する必要がある。また、生成物量が変動した場合にも、同様に、生成物量の変動前と比較して生成物の冷却後の温度も変動することなる。よって、生成物の冷却後の温度の変動を抑制するためには、生成物と熱交換する熱媒体の流量を生成物量に応じて制御する必要がある。しかしながら、上記のようなメタンガス生成装置１００Ｂであれば、熱交換器３Ｆへ流入する反応物量が変動した場合、反応器２Ａから流出して熱交換器３Ｆへ流入し、反応物と熱交換する第１の生成物の量は、当該反応物量に従って変動することとなる。すなわち、熱交換器３Ｆへ流入する反応物量が変動した場合であっても、熱交換器３Ｆにおいて反応物と熱交換する第１の生成物の流量を反応物量に応じて制御しなくとも、反応物の予熱後の温度の変動は自律的に抑制される。

また、熱交換器３Ｆから流出する第１の生成物量が変動した場合であっても、熱交換器３Ｆにおいて第１の生成物と熱交換する反応物の流量を第１の生成物量に応じて制御しなくとも、第１の生成物の冷却後の温度の変動は自律的に抑制される。すなわち、反応物の予熱の変動の抑制や第１の生成物の冷却の変動の抑制ための構成が不要である。また、熱交換器３Ｃにおいても同様のことが言え、第１の生成物の予熱の変動の抑制や第２の生成物の冷却の変動の抑制ための構成が不要である。

また、上記のようなメタンガス生成装置１００Ｂであれば、反応物は、熱交換器３Ｆにおいて、シェルアンドチューブ型熱交換器のシェル部分を通過する。よって、シェル部分の互い違いに設けられた内壁に反応物が当たることによって反応物が拡散される。よって、反応物の混合撹拌が促進される。よって、熱交換器３Ｆにおいて予熱され、混合撹拌された反応物が流入する反応器２Ａにおいて、メタネーション反応は促進される。同様にして、熱交換器３Ｃにおいて、シェルアンドチューブ型熱交換器のシェル部分を第１の生成物は通過する。よって、第１の生成物の混合撹拌は促進される。よって、熱交換器３Ｃにおいて予熱され、混合撹拌された第１の生成物が流入する反応器２Ｂにおいて、メタネーション反応は促進される。すなわち、メタネーション反応の促進のために、熱交換器３Ｆ、３Ｃの他に新たな機器を設け、反応物の混合撹拌を行わずに済む。よって、メタンガスの生成効率は向上する。また、メタンガス生成装置１００Ｂのコンパクト化も実現される。

また、反応器２Ａ、２Ｂから流出した第１の生成物及び第２の生成物は、反応器２Ａ、２Ｂ内の圧力を受けて、夫々熱交換器３Ｆ、３Ｃのチューブ部分を通過する。すなわち、第１の生成物及び第２の生成物が熱交換器３Ｆ、３Ｃを通過するためのポンプや圧縮機などの手段を新たに設けずに済む。よって、圧送に要する動力を節減でき、省エネルギー化は実現される。

また、上記のようなメタンガス生成装置１００Ｂであれば、反応器２Ａから流出する第１の生成物には、未反応の反応物が含まれている。そして、メタネーション反応は、可逆反応である。つまり、第１の生成物に含まれる未反応の反応物と、第１の生成物に含まれるメタンガス及び水蒸気とは化学平衡状態の関係にある。ここで、熱交換器３Ｆにおいて水蒸気が第１の生成物から分離される場合、当該化学平衡状態の関係が変化する。つまり、第１の生成物に含まれる未反応の反応物とメタンガス及び水蒸気との関係は、水蒸気の分離により化学平衡状態の関係ではなくなっている。よって、熱交換器３Ｃを通過し、反応器２Ｂへ送られた第１の生成物は、それに含まれる未反応物の反応物がメタネーション反応することとなる。つまり、第１の生成物に含まれる未反応の反応物からメタンガスが再度生成されることとなる。すなわち、第１の生成物に含まれる未反応の反応物の割合が減り、第１の生成物に含まれるメタンガスの割合が増える。すなわち、上記のようなメタンガス生成装置１００Ｂであれば、生成されるメタンガスの純度は高まることとなる。

また、上記のメタンガス生成装置１００Ｂでは、熱交換器３Ｃにおいて熱交換器３Ｂから流出した第１の生成物を再度予熱し、混合撹拌した後に、反応器２Ｂへ送っている。よって、反応器２Ｂにおけるメタネーション反応は促進され、メタンガス生成効率は向上することとなる。

また、熱交換器３Ｆの伝熱交換面積は、０．００５［ｍ^２／（Ｌ／ｍｉｎ）］以上であってもよい。図７は、反応物の流量あたりの熱交換器３Ｆの伝熱交換面積に対する熱交換器３Ｆから流出した第１の生成物の温度の一例を示している。また、図７は、熱交換器３Ｆのチューブ内の圧力が、熱交換器３Ｆのチューブ内の定格圧力（０．４ＭＰａＧ）の場合、定格圧力よりも低い大気圧の場合、そして、定格圧力よりも高い０．７ＭＰａＧの計３つの異なる場合の夫々について、第１の生成物の温度がプロットされている。また、図８は、圧力に対する水の沸点の一例を示している。図７、図８より、熱交換器３Ｆの伝熱交換面積が、０．００５［ｍ^２／（Ｌ／ｍｉｎ）］以上であれば、熱交換器３Ｆのチューブ内の圧力に関わらず、水蒸気は凝縮水へと変化することが分かる。よって、上記のようなメタンガス生成装置１００Ｂであれば、多くの凝縮水が発生することとなる。よって、発生した凝縮水を熱交換器３Ｆから排出し、第１の生成物に含まれる未反応の反応物のメタネーション反応を促進させることができる。よって、メタンガスを高純度化することができる。また、得られた凝縮水をメタンガス生成装置１００のように再利用し、省エネルギー化を実現することもできる。

また、上記の熱交換器３Ａ、３Ｂでは、シェル部分を反応物が通過し、チューブ部分を第１の生成物が通過しているが、シェル部分を第１の生成物が通過し、チューブ部分を反応物が通過してもよい。そして、このような場合、凝縮水タンク４Ａ、４Ｂは、熱交換器３Ａ、３Ｂのシェル部分の底部と夫々連通するように設けられる。

また、上記のようなメタンガス生成装置では、反応塔が２つ設けられているが、反応塔の個数は何個でもよい。また、熱媒油は、水などの他の熱媒体でもよい。また、熱媒油冷却器２３へ供給される冷却水は、チラー８から供給されてもよい。

以上で開示した実施形態や変形例はそれぞれ組み合わせる事ができる。

１Ａ、１Ｂ・・反応塔；２Ａ、２Ｂ・・反応器；３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆ・・熱交換器；４Ａ、４Ｂ、４Ｃ・・凝縮水タンク；５Ａ、５Ｂ、５Ｃ・・排水弁；６Ａ、６Ｂ、６Ｃ・・調整弁；７Ａ、７Ｂ、７Ｃ・・弁制御装置；８・・チラー；９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ、９Ｅ、９Ｆ・・弁；１０Ａ、１０Ｂ・・圧力制御器；１１Ａ、１１Ｂ・・流
量制御器；１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ・・温度計；１３・・圧力指示調節器；１４・・圧力制御弁；１５Ａ、１５Ｂ・・Ｏｎ－Ｏｆｆ弁；１６・・バルブ付きダンプナー；１７Ａ、１７Ｂ・・ジャケット；１８・・熱媒油タンク；１９・・ヒータ；２０・・弁制御装置；２１・・ポンプ；２２Ａ、２２Ｂ・・温度指示調節器；２３・・熱媒油冷却器；２４・・温度制御弁；３０・・内壁；５０・・パージ装置；１００、１００Ａ、１００Ｂ・・メタンガス生成装置

Claims (5)

1. メタネーション反応によってメタンガスを生成するメタンガス生成装置であって、
   二酸化炭素と水素とを含む反応物を発熱反応させ、メタンガスと水蒸気とを含む生成物であって前記反応物よりも温度の高く、未反応の反応物を含む第１の生成物を生成させる第１の反応部と、
   前記第１の反応部へ送られる前記反応物と前記第１の反応部から流出した前記第１の生成物とを熱交換させることにより、前記第１の反応部へ送られる前記反応物を予熱し、前記第１の反応部から流出した前記第１の生成物を冷却する、複数個直列に接続される熱交換器と、
   前記第１の生成物における前記未反応の反応物をさらに発熱反応させ、前記第１の生成物と比較してメタンガスの純度がより高い生成物である第２の生成物を生成させる第２の反応部と、
   前記第２の反応部へ送られる前記第１の生成物と前記第２の反応部から流出した前記第２の生成物とを熱交換させることにより、前記第２の反応部へ送られる前記第１の生成物を予熱し、前記第２の反応部から流出した前記第２の生成物を冷却する、追加熱交換器と、を備え、
   前記複数個直列に接続される熱交換器は、前記第１の反応部へ送られる前記反応物と前記第１の反応部から流出した前記第１の生成物の水蒸気とを熱交換させることにより、前記第１の反応部から流出した前記第１の生成物の水蒸気を凝縮可能な伝熱交換面積を有する、
   メタンガス生成装置。
2. 前記複数個直列に接続される熱交換器の夫々と前記追加熱交換器は、シェルアンドチューブ型熱交換器であり、
   前記反応物は、前記複数個直列に接続される熱交換器の夫々である前記シェルアンドチューブ型熱交換器のシェル部分を通過し、
   前記未反応の反応物を含む前記第１の生成物は、前記複数個直列に接続される熱交換器の夫々である前記シェルアンドチューブ型熱交換器のチューブ部分、及び、前記追加熱交換器である前記シェルアンドチューブ型熱交換器のシェル部分を通過し、
   前記第２の生成物は、前記追加熱交換器である前記シェルアンドチューブ型熱交換器の
   チューブ部分を通過する、
   請求項１に記載のメタンガス生成装置。
3. 前記複数個直列に接続される熱交換器の夫々において凝縮させられた水分を排水する排水手段をさらに備える、
   請求項１または２に記載のメタンガス生成装置。
4. 前記複数個直列に接続される熱交換器の合計の伝熱交換面は、水蒸気を水へと凝縮させる面積を有する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のメタンガス生成装置。
5. メタネーション反応によってメタンガスを生成するメタンガス生成方法であって、
   二酸化炭素と水素とを含む反応物を発熱反応させ、メタンガスと水蒸気とを含む生成物であって前記反応物よりも温度の高く、未反応の反応物を含む第１の生成物を生成させる第１の反応工程と、
   前記第１の反応工程へ送られる前記反応物と前記第１の反応工程において生成された前記第１の生成物とを熱交換させることにより、前記第１の反応工程へ送られる前記反応物を予熱し、前記第１の反応工程において生成された前記第１の生成物を冷却する第１の熱交換工程と、
   前記第１の生成物における前記未反応の反応物をさらに発熱反応させ、前記第１の生成物と比較してメタンガスの純度がより高い生成物である第２の生成物を生成させる第２の反応工程と、
   前記第２の反応工程へ送られる前記第１の生成物と前記第２の反応工程から流出した前記第２の生成物とを熱交換させることにより、前記第２の反応工程へ送られる前記第１の生成物を予熱し、前記第２の反応工程から流出した前記第２の生成物を冷却する、第２の熱交換工程と、を含み、
   前記第１の熱交換工程において、前記第１の反応工程へ送られる前記反応物と前記第１の反応工程において生成された前記第１の生成物の水蒸気とを熱交換させることにより、前記第１の反応工程において生成された前記第１の生成物の水蒸気を凝縮可能である、
   メタンガス生成方法。

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