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JPH10298121A - Direct synthesis of methanol from methane and water - Google Patents

Direct synthesis of methanol from methane and water

Info

Publication number
JPH10298121A
JPH10298121A JP10743597A JP10743597A JPH10298121A JP H10298121 A JPH10298121 A JP H10298121A JP 10743597 A JP10743597 A JP 10743597A JP 10743597 A JP10743597 A JP 10743597A JP H10298121 A JPH10298121 A JP H10298121A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
methane
reaction
methanol
water
discharge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP10743597A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kunio Hijikata
邦夫 土方
Kenji Watanabe
健次 渡辺
Takeshi Okazaki
健 岡崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Original Assignee
Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Electric Power Co Inc filed Critical Tokyo Electric Power Co Inc
Priority to JP10743597A priority Critical patent/JPH10298121A/en
Publication of JPH10298121A publication Critical patent/JPH10298121A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 反応プロセスが簡単で(エネルギ的に有利
な)新しいメタン・水からのメタノール直接合成法を確
立すること。 【解決手段】 天然ガスと水またはメタンと水から沿面
放電により次の反応式に示す直接合成反応にしたがって
メタノールを合成する方法である。 CH4+H2O→CH3OH+H2−△H(−△G) 反応が1つの過程で済むので、反応プロセスが大幅に簡
素化され、反応の前後でモル数の変化がないので、反応
を進める上で、ガス圧力による依存性がなく、吸熱量が
△H=121.2kJ/CH41モルであり、従来の実
用化方法に比べて約半分と少ない。一方の平面連続電極
2上に平面誘電体1を載置し、平面誘電体1上に線状ま
たはスリット状の分割電極3を配し、誘電体1表面側に
天然ガスと水またはメタンと水からなる流体の流路を設
ける。この単位メタノールの直接合成装置を仕切板4を
介して複数積層しても良い。
(57) [Problem] To establish a new direct methanol synthesis method from methane and water with a simple reaction process (energy-friendly). SOLUTION: This is a method of synthesizing methanol from natural gas and water or methane and water by surface discharge according to a direct synthesis reaction shown in the following reaction formula. CH 4 + H 2 O → CH 3 OH + H 2- △ H (-△ G) Since the reaction is completed in one step, the reaction process is greatly simplified, and the number of moles does not change before and after the reaction. In proceeding, there is no dependence on gas pressure, and the endothermic amount is ΔH = 121.2 kJ / CH 4 1 mol, which is about half that of the conventional method for practical use. A planar dielectric 1 is placed on one planar continuous electrode 2, and a linear or slit-shaped split electrode 3 is disposed on the planar dielectric 1. Natural gas and water or methane and water are disposed on the surface of the dielectric 1. A fluid flow path comprising: A plurality of units for directly synthesizing unit methanol may be stacked via the partition plate 4.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、天然ガス中のメタ
ンと水からメタノールを直接合成する方法と装置に関す
る。
The present invention relates to a method and an apparatus for directly synthesizing methanol from methane and water in natural gas.

【0002】[0002]

【従来の技術】化石燃料(炭化水素系燃料)が本来持ち
得る化学エネルギーを最大限に利用するためには、化石
燃料を直接燃焼させるのではなく、より高い化学エネル
ギーを持つ燃料へ改質した後に、燃焼させることが有利
である。
2. Description of the Related Art In order to make the most of the chemical energy that fossil fuels (hydrocarbon-based fuels) originally possess, fossil fuels are reformed into fuels with higher chemical energy rather than directly burning them. It is advantageous to burn it later.

【0003】一般に、燃料の化学エネルギーは発熱量と
エクセルギとで代表される。ここでいうエクセルギと
は、その発熱量から取り出しうる最大仕事(動力エネル
ギ)量を意味している。
Generally, the chemical energy of fuel is represented by the calorific value and exergy. Exergy here means the maximum work (power energy) that can be extracted from the heat generation amount.

【0004】天然ガスの主成分であるメタン(CH4
を対象にして、メタンを改質した後の燃焼成分の持つ化
学エネルギーのうち、発熱量の比較を表1に示す。
Methane (CH 4 ), which is a main component of natural gas
Table 1 shows a comparison of calorific values among chemical energies of the combustion components after reforming methane.

【表1】 [Table 1]

【0005】なお、表1中の備考欄の反応式(1)〜
(11)とそれぞれの熱量収支を以下に示す。 (a)天然ガス(またはメタン)の直接燃焼反応 CH4+2O2→CO2+2H2O−△H(−△G) (1) -74.5 0 -393.5 -285.8×2 △H=-890.6(発熱) -50.9 0 -394.5 -237.2×2 △G=-817.9 発熱量 890.6kJ/1モルCH4
The reaction formulas (1) to (1) in the remarks column of Table 1
(11) and the calorie balance of each are shown below. (A) Direct combustion reaction of natural gas (or methane) CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O-ΔH (−ΔG) (1) -74.5 0 -393.5 -285.8 × 2 ΔH = -890.6 (heat generation) ) -50.9 0 -394.5 -237.2 × 2 △ G = -817.9 Heat value 890.6 kJ / 1 mol CH 4

【0006】 (b)天然ガス(またはメタン)の部分改質反応 CH4+H2O→CO+3H2−△H(−△G) (2) -74.5 -285.8 -110.6 0 △H=249.7(吸熱) -50.9 -237.2 -137.3 0 △G=150.8 CO+1/2O2→CO2−△H(−△G) (3) -110.6 0 -393.5 △H=-282.9(発熱) -137.3 0 -394.4 △G=-257.1 3H2+3/2O2→3H2O−△H(−△G) (4) 0 0 -285.8×3 △H=-857.4(発熱) 0 0 -237.2×3 △G=-711.6 発熱量 1143.3kJ/1モルCH4 (B) Partial reforming reaction of natural gas (or methane) CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 -ΔH (−ΔG) (2) -74.5 -285.8 -110.6 0 ΔH = 249.7 (endothermic) -50.9 -237.2 -137.3 0 △ G = 150.8 CO + 1 / 2O 2 → CO 2- △ H (-△ G) (3) -110.6 0 -393.5 △ H = -282.9 (heat generation) -137.3 0 -394.4 △ G = -257.1 3H 2 + 3 / 2O 2 → 3H 2 O- △ H (-△ G) (4) 0 -285.8 × 3 △ H = -857.4 (heat generation) 0 0 -237.2 × 3 △ G = -711.6 Heat value 1143.3 kJ / 1 mol CH 4

【0007】 (c)天然ガス(またはメタン)の完全改質反応 CH4+H2O→CO+3H2−△H(−△G) (5) -74.5 -285.8 -110.6 0 △H=249.7(吸熱) -50.9 -237.2 -137.3 0 △G=150.8 CO+H2O→CO2+H2−△H(−△G) (6) -110.6 -285.8 -393.5 0 △H=2.9(吸熱) -137.3 -237.2 -394.4 0 △G=-19.9 4H2+O2→4H2O−△H(−△G) (7) 0 0 -285.8×4 △H=-1143.2(発熱) 0 0 -237.2×4 △G=-948.8 発熱量 1143.2kJ/1モルCH4 (C) Complete reforming reaction of natural gas (or methane) CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 -ΔH (−ΔG) (5) -74.5 -285.8 -110.6 0 ΔH = 249.7 (endotherm) -50.9 -237.2 -137.3 0 △ G = 150.8 CO + H 2 O → CO 2 + H 2- △ H (-△ G) (6) -110.6 -285.8 -393.5 0 △ H = 2.9 (endothermic) -137.3 -237.2 -394.4 0 △ G = -19.9 4H 2 + O 2 → 4H 2 O- △ H (-△ G) (7) 0 0 -285.8 × 4 △ H = -1143.2 (heat generation) 0 0 -237.2 × 4 △ G = -948.8 Heat value 1143.2 kJ / 1 mol CH 4

【0008】 (d)天然ガス(またはメタン)→天然ガス(またはメタン)改質ガス化→メタ ノール合成→メタノール燃焼 CH4+H2O→CO+3H2−△H(−△G) (8) -74.5 -285.8 -110.6 0 △H=249.7(吸熱) -50.9 -237.2 -137.3 0 △G=150.8 CO+2H2→CH3OH−△H(−△G) (9) -110.6 0 -239.1 △H=-128.5(発熱) -137.3 0 -166.4 △G=-29.1 CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O−△H(−△G) (10) -239.1 0 -393.5 -285.8×2 △H=-726.1(発熱) -166.4 0 -394.4 -237.2×2 △G=-702.4 H2+1/2O2→H2O−△H(−△G) (11) 0 0 -285.8 △H=-285.8(発熱) 0 0 -237.2 △G=-237.2 発熱量 1011.8kJ/1モルCH4 (D) Natural gas (or methane) → natural gas (or methane) reforming gasification → methanol synthesis → methanol combustion CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 −ΔH (−ΔG) (8) − 74.5 -285.8 -110.6 0 △ H = 249.7 (endothermic) -50.9 -237.2 -137.3 0 △ G = 150.8 CO + 2H 2 → CH 3 OH- △ H (-△ G) (9) -110.6 0 -239.1 △ H =- 128.5 (heat generation) -137.3 0 -166.4 △ G = -29.1 CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O- △ H (-△ G) (10) -239.1 0 -393.5 -285.8 × 2 △ H =- 726.1 (heat generation) -166.4 0 -394.4 -237.2 × 2 ΔG = -702.4 H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O-ΔH (−ΔG) (11) 0 0 -285.8 ΔH = -285.8 (heat generation 0 0 -237.2 ΔG = -237.2 Calorific value 1011.8 kJ / 1 mol CH 4

【0009】(b)の反応は、一般に「メタンの水蒸気
改質」と呼ばれる方法で、式(2)にみるように、△H
>0の吸熱反応である。この吸熱量が原燃料であるメタ
ンへ付加されるので、生成されたガス(CO+3H2
の発熱量は、メタンのそれより多くなる。
The reaction (b) is carried out by a method generally referred to as "steam reforming of methane".
> 0. Since this endothermic amount is added to methane as the raw fuel, the generated gas (CO + 3H 2 )
Produces more heat than methane.

【0010】ただし、式(2)のエクセルギ変化が△G
>0であるので、改質反応を進行させるには、ある程度
高質なエネルギを付加させる必要がある。大気圧下で反
応させるには、触媒効果を利用しても700℃程度の温
度条件が必要である。高圧下ではさらに高い温度が必要
となる。
However, the exergy change in equation (2) is ΔG
Since it is> 0, it is necessary to add high-quality energy to some extent in order to advance the reforming reaction. In order to react at atmospheric pressure, a temperature condition of about 700 ° C. is required even if a catalytic effect is utilized. Higher pressures require higher temperatures.

【0011】(c)の反応は式(5)「メタンの水蒸気
改質」によって生成された一酸化炭素(CO)をさらに
式(6)に示す反応(シフト反応と言う)により水素へ
転換する。式(6)の反応が吸熱反応であるので、最終
的にメタン1モルから生成された改質ガスの発熱量は1
143.2kJへと増加される。
In the reaction of (c), carbon monoxide (CO) produced by the formula (5) “steam reforming of methane” is further converted to hydrogen by the reaction shown in the formula (6) (referred to as a shift reaction). . Since the reaction of the equation (6) is an endothermic reaction, the calorific value of the reformed gas finally generated from 1 mol of methane is 1
It is increased to 143.2 kJ.

【0012】式(6)の反応のエクセルギ変化が△G=
−19.9であり、現状の技術では、触媒効果を利用し
て200℃程度の低質なエネルギで十分反応を進行させ
ることができる。
The exergy change of the reaction of equation (6) is ΔG =
With the current technology, the reaction can be sufficiently advanced with low-quality energy of about 200 ° C. utilizing the catalytic effect.

【0013】また、(d)の反応は式(8)の「メタン
の水蒸気改質」によって生成されたCOとH2を使って
メタノールを合成するものであり、メタノール合成前と
比べて、発熱量は低下するが、輸送性が向上し、燃料利
用場所でのわずかな処理によって(c)の反応と同等の
発熱量が確保される利点がある。
The reaction (d) synthesizes methanol using CO and H 2 generated by “steam reforming of methane” in the formula (8). Although the amount is reduced, the transportability is improved, and there is an advantage that the calorific value equivalent to the reaction (c) can be secured by a slight treatment at the fuel utilization place.

【0014】一般に、大気温度、大気圧のもとでの燃料
の質は、その発熱量とエクセルギとで評価される。エク
セルギはJISでは「有効エネルギ」と呼称し、熱力学
的には「ギブスの自由エネルギ」と呼ばれている。エク
セルギは、その発熱量から取り出し得る最大仕事(動力
エネルギ)量を意味している。従って、化石燃料を改質
して、有効エネルギがより高い燃料へ変換すべきである
と言える。
In general, the quality of fuel at atmospheric temperature and atmospheric pressure is evaluated by its calorific value and exergy. Exergy is called "effective energy" in JIS, and thermodynamically called "gibbs free energy". Exergy means the maximum work (power energy) that can be extracted from the calorific value. Therefore, it can be said that fossil fuels should be reformed and converted to fuels with higher effective energy.

【0015】代表的な燃料の発熱量とエクセルギとエク
セルギ率を表2に示す。高エクセルギの燃料は、動力
(あるいは電力)エネルギへの変換効率が高くできる燃
料であり、エクセルギからみた燃料の特徴は以下の通り
である。
Table 2 shows the calorific value, exergy and exergy rate of typical fuels. A high exergy fuel is a fuel that can have high conversion efficiency to power (or electric power) energy, and the characteristics of the fuel from the viewpoint of exergy are as follows.

【表2】 [Table 2]

【0016】エクセルギ率(100×△G/△H)は、
固体燃料>液体燃料>ガス燃料の順で変わり、密度が高
い燃料は同一の発熱量の燃料をより狭い空間で燃料を燃
焼をさせることができる。したがって、燃焼による圧力
上昇率が高くなり、動力への変換量が多くなる。
The exergy rate (100 × △ G / △ H) is
It changes in the order of solid fuel> liquid fuel> gas fuel, and a fuel with a high density can burn a fuel having the same calorific value in a narrower space. Therefore, the rate of pressure rise due to combustion increases, and the amount of conversion to motive power increases.

【0017】炭素は、その分子量が水素のそれより大き
いので、炭素原子の多い燃料は密度が高く、水素原子
(H)に対して炭素原子(C)が多い燃料ほどエクセル
ギ率が高くなり、単位容積当たりの発熱量も比較的高
く、動力変換量も多く得られる。一方、水素のエクセル
ギは低く、水素は燃焼ガスが100℃以下で水となり、
動力を取り出すエネルギ源としては利用できなくなるた
め、エクセルギが低くなる。液体になると膨張しないた
めそれから動力を取り出せないからである。ここでエク
セルギとは、動力もしくは電気(エクセルギ率=100
%)へ変換できるエネルギのことである。酸素は非可燃
成分であるため、酸素原子を含む燃料はエクセルギが低
い。化石燃料の可燃成分は水素と炭素である。
Since carbon has a higher molecular weight than that of hydrogen, a fuel having many carbon atoms has a high density, and a fuel having more carbon atoms (C) relative to hydrogen atoms (H) has a higher exergy ratio. The calorific value per volume is relatively high, and a large amount of power conversion is obtained. On the other hand, the exergy of hydrogen is low, and hydrogen becomes water when the combustion gas is 100 ° C or less,
Since it cannot be used as an energy source for extracting power, exergy is reduced. This is because when it becomes a liquid, it does not expand and power cannot be taken therefrom. Here, exergy means power or electricity (exergy rate = 100
%). Since oxygen is a non-flammable component, fuels containing oxygen atoms have low exergy. The combustible components of fossil fuels are hydrogen and carbon.

【0018】以上の前提の下に化石燃料からより多くの
動力/電気エネルギを取り出すためには、化石燃料をエ
クセルギがより高い燃料へ変換することが望ましい。い
ま、天然ガスの主成分であるメタンを対象にして、これ
を改質ガス(CO+H2)またはメタノール(CH3
H)などに変換した場合、生成される燃料の発熱量とエ
クセルギを比較すると表3に示した通りである。
In order to extract more power / electrical energy from fossil fuels under the above premise, it is desirable to convert fossil fuels to fuels with higher exergy. Now, methane, which is a main component of natural gas, is subjected to reforming gas (CO + H 2 ) or methanol (CH 3 O).
H) and the like, the calorific value of the generated fuel and exergy are compared as shown in Table 3.

【表3】 [Table 3]

【0019】ここで、表3の天然ガス(またはメタン)
→天然ガス(またはメタン)改質ガス化→メタノール合
成→メタノール改質ガス化→ガス燃焼の反応式は次の通
りである。 CH4+H2O→CO+3H2−△H(−△G) (12) -74.5 -285.8 -110.6 0 △H=249.7(吸熱) -50.9 -237.2 -137.3 0 △G=150.8 CO+2H2→CH3OH−△H(−△G) (13) -110.6 0 -239.1 △H=-128.5(発熱) -137.3 0 -166.4 △G=-465.2 CH3OH+H2O→CO2+3H2−△H(−△G) (14) -239.1 -285.8 -393.5 0 △H=131.4(吸熱) -166.4 -237.2 -394.4 0 △G=9.2 4H2+2O2→4H2O−△H(−△G) (15) 0 0 -285.8×4 △H=-1143.2(発熱) 0 0 -237.2×4 △G=-948.8 発熱量 1143.2kJ/1モルCH4
Here, natural gas (or methane) shown in Table 3 is used.
→ Natural gas (or methane) reforming gasification → Methanol synthesis → Methanol reforming gasification → Gas combustion reaction formula is as follows. CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 −ΔH (−ΔG) (12) -74.5 -285.8 -110.6 0 ΔH = 249.7 (endothermic) -50.9 -237.2 -137.3 0 ΔG = 150.8 CO + 2H 2 → CH 3 OH -△ H (-△ G) (13) -110.6 0 -239.1 △ H = -128.5 (heat generation) -137.3 0 -166.4 △ G = -465.2 CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2- △ H (-△ G) (14) -239.1 -285.8 -393.5 0 △ H = 131.4 (endothermic) -166.4 -237.2 -394.4 0 △ G = 9.2 4H 2 + 2O 2 → 4H 2 O- △ H (-△ G) (15) 0 0 -285.8 × 4 △ H = -1143.2 (heat generation) 0 0 -237.2 × 4 △ G = -948.8 Heat value 1143.2 kJ / 1 mol CH 4

【0020】メタンをメタノール(CH3OH)へ変換
することで、本来、メタンが有する化学エネルギは、発
熱量が約14%増、エクセルギが約15%増、エクセル
ギ率が約1.1ポイント増となり、メタン燃料をより有
効に利用できる。この化学エネルギの増加は、突然湧い
て出たものではなく、反応時の吸熱分が改質後の燃料に
付加されたものである(反応が発熱反応であれば化学エ
ネルギは減少することになる)。
By converting methane to methanol (CH 3 OH), the chemical energy originally possessed by methane increases the calorific value by about 14%, exergy by about 15%, and exergy rate by about 1.1 points. Thus, methane fuel can be used more effectively. This increase in chemical energy is not a sudden rise, but rather an endothermic component during the reaction added to the reformed fuel (if the reaction is an exothermic reaction, the chemical energy will decrease). ).

【0021】さらに、表3の最下段に示すように、メタ
ノールを式(14)の反応によって水素へ改質すること
によって、原燃料であるメタンに比べて、発熱量が2
8.4%、エクセルギが16%増加させることができ
る。したがって、液体燃料であるメタノールの輸送性
と、燃料使用場所での簡単な水素への改質(改質反応用
の供給エネルギーとして200℃程度の排熱を使用でき
る)により発熱量とエクセルギが最大値まで高められる
ことを考えると、メタンをメタノールまで改質すること
の有効性が理解できる。
Further, as shown at the bottom of Table 3, by reforming methanol to hydrogen by the reaction of the formula (14), the calorific value is reduced by 2 compared to methane as the raw fuel.
8.4%, exergy can be increased by 16%. Therefore, the calorific value and exergy are maximized due to the transportability of methanol, which is a liquid fuel, and the simple reforming of hydrogen into hydrogen at the place where the fuel is used (the exhaust heat of about 200 ° C can be used as the supply energy for the reforming reaction) Considering that it can be increased to a value, the effectiveness of reforming methane to methanol can be understood.

【0022】ただし、メタンを改質するためには反応装
置が必要であり、改質された燃料の輸送性、燃料の質
(エクセルギ)などを考慮して、最適な改質を選択する
ことが必要である。
However, a reactor is required to reform methane, and it is necessary to select an optimum reformer in consideration of transportability of reformed fuel, fuel quality (exergy), and the like. is necessary.

【0023】そこで従来のメタノールの製造法につい
て、簡単に触れる。 [1]COの水素化法 メタノール(CH3OH)は、式(16)、式(17)
のように天然ガス、ナフサなどの炭化水素系燃料をNi
系触媒の存在下に700〜800℃で常圧〜数十気圧の
下で水蒸気改質して得た水素、一酸化炭素をZn−Cr
23触媒またはCu系触媒の存在下、高圧で合成して製
造されている。天然ガスの主成分であるメタンを対象に
した反応式と化学エネルギ変化を以下に示す。 CH4+H2O→CO+3H2−△H(−△G) (16) -74.5 -285.8 -110.6 0 △H=249.7(吸熱) -50.9 -237.2 -137.3 0 △G=150.8 CO+2H2→CH3OH−△H(−△G) (17) -110.6 0 -239.1 △H=-128.5(発熱) -137.3 0 -166.4 △G=-29.1
Therefore, a conventional method for producing methanol will be briefly described. [1] CO hydrogenation method Methanol (CH 3 OH) can be obtained by using the formulas (16) and (17)
Hydrocarbon fuels such as natural gas and naphtha
Hydrogen and carbon monoxide obtained by steam reforming at 700 to 800 ° C. under normal pressure to several tens of atmospheres in the presence of a system catalyst
It is manufactured by synthesis at high pressure in the presence of a 2 O 3 catalyst or a Cu-based catalyst. The reaction formula and chemical energy change for methane, which is the main component of natural gas, are shown below. CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 −ΔH (−ΔG) (16) -74.5 -285.8 -110.6 0 ΔH = 249.7 (endothermic) -50.9 -237.2 -137.3 0 ΔG = 150.8 CO + 2H 2 → CH 3 OH -△ H (-△ G) (17) -110.6 0 -239.1 △ H = -128.5 (heat generation) -137.3 0 -166.4 △ G = -29.1

【0024】メタノール合成は、式(17)に見るよう
に反応後のモル数が減少する反応であるため、高圧であ
る程反応が進行するが、その低圧化が課題である。その
対策の1つであるCu系触媒は、高い活性を持ち、選択
性に優れているが、改質毒と熱(温度)に弱い欠点があ
る。実用化されている従来のメタノール製造法は、水蒸
気改質工程である式(16)の反応で大量、かつ高質な
エネルギを必要としており、水蒸気改質工程が高いエク
セルギ損失比率(全工程のエクセルギ損失の65.7
%)を占めている。また、近年、Cl化学の基礎物質と
してメタノールが注目されるのにともなって、以下のよ
うに新しい触媒開発および合成法の開発が検討されてい
る。
Since the synthesis of methanol is a reaction in which the number of moles after the reaction decreases as shown in the formula (17), the higher the pressure, the more the reaction proceeds, but the problem is to reduce the pressure. As one of the measures, a Cu-based catalyst has high activity and excellent selectivity, but has a drawback that it is weak to reforming poison and heat (temperature). The conventional methanol production method that has been put into practical use requires a large amount of high-quality energy in the reaction of the formula (16), which is a steam reforming process, and the steam reforming process has a high exergy loss ratio (all processes). Exergy loss of 65.7
%). Further, in recent years, with the attention of methanol as a basic substance of Cl chemistry, development of a new catalyst and development of a synthesis method as described below are being studied.

【0025】[2]CO2の水素化によるメタノール合
成法 反応式は式(18)、式(19)の通りである。 CH4+2H2O→CO2+4H2−△H(−△G) (18) -74.5 -285.8×2 -395.5 0 △H=252.6(吸熱) -50.9 -237.2×2 -394.4 0 △G=130.9 CO+3H2→CH3OH+H2O−△H(−△G) (19) -393.5 0 -239.1 -285.8 △H=-164.6(発熱) -394.4 0 -166.4 -237.2 △G=-9.2 (反応しやすい) (H2:生成余剰水素)
[2] Methanol synthesis method by hydrogenation of CO 2 The reaction formula is as shown in formulas (18) and (19). CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2 -ΔH (−ΔG) (18) -74.5 -285.8 × 2 -395.5 0 △ H = 252.6 (endothermic) -50.9 -237.2 × 2 -394.4 0 △ G = 130.9 CO + 3H 2 → CH 3 OH + H 2 O-ΔH (−ΔG) (19) -393.5 0 -239.1 -285.8 ΔH = -164.6 (exothermic) -394.4 0 -166.4 -237.2 ΔG = -9.2 (easy to react ) (H 2 : excess hydrogen produced)

【0026】この合成法は実用化されている前記[1]
のCO(一酸化炭素)の水素化法に比べて△Gの変化が
大きいために平衡的には不利であるが、Cu/ZnO触
媒を用いると200℃付近ではかえって反応が迅速に進
むことが明らかとなっており、実用化に向けて開発が進
められている。
This synthesis method has been put to practical use [1].
Is disadvantageous in terms of equilibrium because the change in ΔG is large as compared with the method for hydrogenating CO (carbon monoxide), but the reaction proceeds rapidly at around 200 ° C. when a Cu / ZnO catalyst is used. It is clear and development is underway for practical use.

【0027】[3]部分酸化法による低温液相メタノー
ル製造法 この方法は空気による部分酸化法によるもので反応式は
下記式(20)に示す通りである。 CH4+1/2O2→CH3OH−△H(−△G) (20) -74.5 0 -239.1 △H=-164.6(発熱) -50.9 0 -166.4 △G=-115.5(反応性大)
[3] Low Temperature Liquid Phase Methanol Production Method by Partial Oxidation Method This method is based on the partial oxidation method with air, and the reaction formula is as shown in the following formula (20). CH 4 + 1 / 2O 2 → CH 3 OH- △ H (-△ G) (20) -74.5 0 -239.1 ΔH = -164.6 (exothermic) -50.9 0 -166.4 ΔG = -115.5 (large reactivity)

【0028】触媒には揮発性の液体を使用し、120
℃、12.5気圧程度の低圧で反応が進行する。[2]
の気相での反応に比べてプラント建設費が大幅に低減す
る可能性があり、現在はベンチスケールでの検討段階で
ある。
As the catalyst, a volatile liquid is used.
The reaction proceeds at a low pressure of about 12.5 atm. [2]
There is a possibility that plant construction costs may be significantly reduced as compared with the reaction in the gas phase, and it is currently under consideration on a bench scale.

【0029】この方法は、反応の容易さからみると、△
G=−1155.5kJ/モルとエクセルギ変化が少な
いので有利といえる。しかしエネルギ利用の面からなる
と、原燃料の一部を燃焼させて、メタノールを合成する
ので生成物の発熱量(−△H)が減少する欠点がある。
According to this method, from the viewpoint of easiness of the reaction,
G = -1155.5 kJ / mol, which is advantageous because the exergy change is small. However, in terms of energy utilization, a part of the raw fuel is burned to synthesize methanol, so that there is a disadvantage that the calorific value (-ΔH) of the product is reduced.

【0030】[0030]

【発明が解決しようとする課題】従来のメタンからメタ
ノールの合成法において、例えば、実用化されている従
来のメタノール製造法は、水蒸気改質工程の式(16)
で大量、かつ高質なエネルギを必要とすることが欠点で
あり、その他の式(18)〜(20)による方法は開発
が進められている段階でしかない。本発明の課題は、反
応プロセスが簡単で(エネルギ的に有利な)新しいメタ
ン・水からのメタノール直接合成法を確立することであ
る。
In the conventional method for synthesizing methanol from methane, for example, the conventional method for producing methanol which has been put into practical use is represented by the formula (16) in the steam reforming step.
It is disadvantageous that a large amount of high-quality energy is required, and the other methods according to equations (18) to (20) are only in the stage of development. An object of the present invention is to establish a new method for directly synthesizing methanol from methane and water with a simple reaction process (energy-friendly).

【0031】[0031]

【課題を解決するための手段】本発明の上記課題は次の
構成により解決される。天然ガスと水またはメタンと水
から沿面放電によりメタノールを直接合成することを特
徴とするメタンと水からのメタノールの直接合成法であ
る。
The above object of the present invention is attained by the following constitution. This is a method for directly synthesizing methanol from methane and water, which comprises synthesizing methanol directly from natural gas and water or methane and water by surface discharge.

【0032】また、本発明には、一方の平面電極上に平
面誘電体を載置し、該平面誘電体の表面もしくは表面近
傍に線状またはスリット状の分割電極を配置し、該分割
電極が配置される誘電体表面側に天然ガスと水またはメ
タンと水からなる流体の流路を設けることを特徴とする
メタンと水からのメタノールの直接合成装置が含まれ
る。
In the present invention, a planar dielectric is placed on one of the planar electrodes, and a linear or slit-shaped divided electrode is arranged on or near the surface of the planar dielectric, and the divided electrode is An apparatus for directly synthesizing methanol from methane and water is provided, wherein a flow path of a fluid composed of natural gas and water or methane and water is provided on the surface of the dielectric to be arranged.

【0033】また、一方の平面電極上に平面誘電体を載
置し、該平面誘電体の表面もしくは表面近傍に線状また
はスリット状の分割電極を配置し、該分割電極が配置さ
れる誘電体表面側に天然ガスと水またはメタンと水から
なる流体の流路を設けた単位メタノールの直接合成装置
を仕切手段を介して複数積層したことを特徴とするメタ
ンと水からのメタノールの直接合成装置も本発明の範囲
内のものである。
A planar dielectric is placed on one of the planar electrodes, and a linear or slit-shaped divided electrode is disposed on or near the surface of the planar dielectric, and the dielectric on which the divided electrode is disposed is disposed. A device for direct synthesis of methanol from methane and water, wherein a plurality of units for direct synthesis of unit methanol having a flow path of a fluid composed of natural gas and water or methane and water on the surface side are stacked via partition means. Are also within the scope of the present invention.

【0034】本発明のメタノール直接合成法の反応式
(21)とその特徴について述べる。 CH4+H2O→CH3OH+H2−△H(−△G) (21) -74.5 -285.8 -239.1 0 △H=121.2(吸熱) -50.9 -237.2 -166.4 0 △G=121.7
The reaction formula (21) of the direct methanol synthesis method of the present invention and its features will be described. CH 4 + H 2 O → CH 3 OH + H 2 −ΔH (−ΔG) (21) -74.5 -285.8 -239.1 0 ΔH = 121.2 (endothermic) -50.9 -237.2 -166.4 0 ΔG = 121.7

【0035】メタン・水からのメタノール直接合成は、
エクセルギ変化が正値(△G=121.7kJ/メタン
1モル)となっており、熱的な直接合成は実用的なプロ
セスとはなっていない。しかし、本方法が実現できれ
ば、従来の方法と比較して以下のような大きな利点があ
り、有効な技術である。 反応が1つの過程で済むので、反応プロセスが大幅に
簡素化される。従来方式は、少なくとも「天然ガスの改
質過程」と「メタノールの合成過程」の2工程が必要で
ある。 式(21)にみる通り、反応の前後でモル数の変化が
ないので、反応を進める上で、ガス圧力による依存性が
ない。
The direct synthesis of methanol from methane and water
The exergy change is a positive value (ΔG = 121.7 kJ / mole of methane), and thermal direct synthesis is not a practical process. However, if this method can be realized, it has the following significant advantages as compared with the conventional method, and is an effective technique. Since the reaction only needs to be performed in one step, the reaction process is greatly simplified. The conventional method requires at least two steps of a “natural gas reforming step” and a “methanol synthesis step”. As seen from the equation (21), there is no change in the number of moles before and after the reaction, so that there is no dependence on the gas pressure in promoting the reaction.

【0036】従来のCOの水素化によるメタノール製造
法の中で、メタンの水蒸気改質における圧力条件は、式
(16)においてモル数増加となっているので、低圧で
あるほうが望ましい。一方、メタノール合成では式(1
7)にみる通り、高圧の方が望ましい。したがって、前
者では常圧〜数十気圧、後者では数百気圧に加圧してお
り、プロセスが複雑になっている。 吸熱量が△H=121.2kJ/CH41モルであ
り、従来方式に比べて約半分と少ない。
In the conventional method for producing methanol by hydrogenation of CO, the pressure condition in steam reforming of methane is increased in the number of moles in the formula (16). On the other hand, in methanol synthesis, the formula (1)
As seen in 7), high pressure is more desirable. Accordingly, the former is pressurized to normal pressure to several tens of atmospheres, and the latter is pressurized to several hundreds of atmospheres, which complicates the process. The heat absorption is ΔH = 121.2 kJ / CH 4 1 mol, which is about half that of the conventional method.

【0037】従来の方式では、天然ガス改質過程で吸熱
(式(16))、メタノール合成過程で発熱(式(1
7))となっており、式(16)の反応では△G=15
0.8と大きな正値であるため高質(高温)エネルギが
必要であり、式(17)の反応では△G=−29.1と
低いので低質(低い温度)エネルギで済む。しかしなが
ら、式(16)と式(17)の反応の熱授受を共用でき
ないため、実機プラントでは、それぞれの反応熱を個別
に供給/除去する必要がある。 本発明の合成法と同様なメタノール直接合成という特
徴を有する式(20)に示す部分酸化法と比較して、本
発明の方法は吸熱反応であるので、合成の際に投入した
エネルギが化学エネルギ(発熱量)として反応生成物に
付加される。
In the conventional method, endothermic (Equation (16)) during the natural gas reforming process, and exothermic (Equation (1)
7)), and ΔG = 15 in the reaction of the equation (16).
Since the positive value is as large as 0.8, high-quality (high-temperature) energy is required. In the reaction of the equation (17), low-quality (low-temperature) energy is sufficient because ΔG = -29.1. However, since the heat transfer of the reactions of the formulas (16) and (17) cannot be shared, in the actual plant, it is necessary to individually supply / remove each reaction heat. Since the method of the present invention is an endothermic reaction as compared with the partial oxidation method shown in the formula (20) having the feature of direct methanol synthesis similar to the synthetic method of the present invention, the energy input during the synthesis is chemical energy. (Calorific value) is added to the reaction product.

【0038】これに対して式(20)に示す部分酸化法
は発熱反応であるので、原燃料の一部を酸化させて合成
反応を進行させている。したがって、反応生成物の化学
エネルギ(発熱量△H)が原燃料より少なくなる。ただ
し、式(20)の反応はエクセルギ変化が負値であり、
触媒反応によって直接合成が可能である利点がある。
On the other hand, since the partial oxidation method represented by the formula (20) is an exothermic reaction, a part of the raw fuel is oxidized to progress the synthesis reaction. Therefore, the chemical energy of the reaction product (calorific value ΔH) is smaller than that of the raw fuel. However, in the reaction of equation (20), the exergy change is a negative value,
There is an advantage that direct synthesis is possible by a catalytic reaction.

【0039】本発明の方法を他のメタノール製造方式と
の比較すると次のようなことが言える。 (a)他の放電方式との比較 放電による反応を進める上で、求められる要件は以下の
通りである。 実用上は、常圧の原料ガスの定常的な流動条件下で放
電反応によって連続的にメタノールが生成されることが
望ましい。 一般には、高いエネルギの非平衡状態を定常的に維持
することは難しく、金属電極ではアーク放電へと移行し
やすい。アーク放電へ移行すると、放電エネルギのほと
んどが熱エネルギへと変化してメタンの改質反応には寄
与せず、エネルギ効率が低くなる。 メタノール合成反応は、ラジカル同士の反応であり、
ラジカルの衝突頻度を高めるために圧力がより高い方が
望ましい。しかし、沿面放電(オゾナイザー放電の場合
も含む)を除くと、一般には安定な放電を維持するため
に、ガスを減圧することは不可欠な条件である。
When the method of the present invention is compared with other methanol production methods, the following can be said. (A) Comparison with other discharge methods In order to promote the reaction by discharge, the required requirements are as follows. Practically, it is desirable that methanol be continuously produced by a discharge reaction under a steady flow condition of a raw material gas at normal pressure. Generally, it is difficult to constantly maintain a high-energy non-equilibrium state, and metal electrodes tend to shift to arc discharge. When a transition is made to arc discharge, most of the discharge energy changes to heat energy and does not contribute to the reforming reaction of methane, resulting in lower energy efficiency. The methanol synthesis reaction is a reaction between radicals,
A higher pressure is desirable to increase the frequency of radical collisions. However, except for the creeping discharge (including the case of the ozonizer discharge), it is generally indispensable to reduce the pressure of the gas in order to maintain a stable discharge.

【0040】極短パルス火花放電を行うことが有効で
あり、極短パルスの火花放電とすることで、連続的なア
ークへの移行を抑えられる。それでも、大気圧以下の圧
力条件が必要である。また、極短パルス放電は放電領域
の調節ができないことが欠点である。 グロー放電は安定な連続放電形態であるが、十分な減
圧条件が必要である。また、連続放電であるため、放電
と反応速度に見合う原料ガス供給速度を十分最適化しな
いと、消費エネルギの損失が増える。また、グロー放電
は電流増加とともに放電発光領域が増加するなど、放電
領域の調節が可能であるが、火花放電の約100倍の投
入エネルギーが必要である。 オゾナイザー放電はオゾン発生器として実用化されて
いる技術であり、沿面放電はその1種であるので実用化
の研究がし易い。
It is effective to carry out an extremely short pulse spark discharge. By using an extremely short pulse spark discharge, the transition to a continuous arc can be suppressed. Still, pressure conditions below atmospheric pressure are required. Further, the short pulse discharge has a disadvantage that the discharge area cannot be adjusted. The glow discharge is a stable continuous discharge mode, but requires sufficient pressure reduction conditions. In addition, since the discharge is continuous, unless the source gas supply rate corresponding to the discharge and reaction rate is sufficiently optimized, the loss of energy consumption increases. The glow discharge can adjust the discharge region, for example, the discharge light emission region increases with an increase in current, but requires about 100 times the input energy of the spark discharge. Ozonizer discharge is a technology that has been put to practical use as an ozone generator, and creeping discharge is one of the types, and it is easy to study the practical application.

【0041】このように、本発明の沿面放電による以外
の放電方法で、アーク放電を起こさずに効果的に化学反
応を進行させる一般的な方法には、グロー放電、極短パ
ルス火花放電があるが、それぞれ上記した欠点がある。
As described above, general methods for effectively proceeding a chemical reaction without causing arc discharge by a discharge method other than the creeping discharge of the present invention include a glow discharge and an ultrashort pulse spark discharge. However, each has the disadvantages described above.

【0042】一方、本発明の沿面放電の属するオゾナイ
ザー放電は電極面を絶縁性の高い誘電体で覆うことによ
り、非定常電流は流れるが定常電流が流れないようにし
てアーク放電へ移行を抑えることができる。また、オゾ
ナイザー放電は低圧力から常圧でメタン、水素の放電が
可能であり、また分割電極とすることで放電領域を広げ
ることもできる。
On the other hand, in the ozonizer discharge to which the surface discharge according to the present invention belongs, by covering the electrode surface with a dielectric material having a high insulating property, an unsteady current flows but a steady current does not flow to suppress the transition to arc discharge. Can be. In the ozonizer discharge, methane and hydrogen can be discharged from low pressure to normal pressure, and the discharge area can be expanded by using divided electrodes.

【0043】また、本発明の方法を他のメタノールの製
造方法と前述の[1]〜[3]の化学エネルギを比較し
て、メタノール製造に伴うエクセルギ変化と、反応後に
生成された燃料(メタノール余剰水素)の発熱量を表4
にまとめる。ここで、反応に伴うエクセルギ変化は、反
応のし易さという観点からみれば小さい方が望ましい。
一方、反応生成物の発熱量は多いほど望ましい。
Further, the method of the present invention is compared with other methanol production methods and the chemical energies of the above [1] to [3], and the exergy change accompanying methanol production and the fuel (methanol) produced after the reaction are compared. Table 4 shows the calorific value of surplus hydrogen).
Put together. Here, it is desirable that the exergy change accompanying the reaction be small from the viewpoint of easiness of the reaction.
On the other hand, it is desirable that the calorific value of the reaction product be large.

【表4】 [Table 4]

【0044】このように、本発明の沿面放電による天然
ガス(またはメタン)からのメタノール直接合成法は他
の方法に比べて遜色がない。
As described above, the method for directly synthesizing methanol from natural gas (or methane) by creeping discharge according to the present invention is comparable to other methods.

【0045】[0045]

【作用】本発明のメタノール合成法の特徴は、沿面放電
によって誘電体表面に高いエネルギの非平衡状態を作り
出して、天然ガス(またはメタン)と水からメタノール
を直接合成するものである。沿面放電による本発明の化
学反応は次のように進行する。放電領域内では電子の保
有エネルギと中性粒子およびイオンの保有エネルギとに
大きな差が生ずる。一部の高エネルギとなった電子によ
って、安定した分子(CH4、H2O)から反応活性種
(ラジカル、CH3、OH)が生成され、ある種の化学
反応の反応速度が選択的に高くなる。このため、熱化学
反応では実質的に不可能なエクセルギ変化が正値となる
反応をも比較的容易に進行させることが可能となる。
The feature of the methanol synthesizing method of the present invention is that methanol is directly synthesized from natural gas (or methane) and water by creating a high-energy non-equilibrium state on the dielectric surface by creeping discharge. The chemical reaction of the present invention by creeping discharge proceeds as follows. In the discharge region, a large difference occurs between the stored energy of electrons and the stored energy of neutral particles and ions. Reactive species (radicals, CH 3 , OH) are generated from stable molecules (CH 4 , H 2 O) by some high-energy electrons, and the reaction rate of certain chemical reactions is selectively increased. Get higher. For this reason, it becomes possible to relatively easily advance the reaction in which the exergy change, which is substantially impossible by the thermochemical reaction, becomes a positive value.

【0046】メタノールの効果的な生成には放電によっ
て急速にメタン(CH4)と水(H2O)からOHラジカ
ルとCH3ラジカルを生成させ、OH+CH3→CH3
Hの反応が行われた後、直ちにクエンチングして非平衡
性の高いうちに反応を収束させる必要がある。
For effective production of methanol, OH radicals and CH 3 radicals are rapidly generated from methane (CH 4 ) and water (H 2 O) by discharge, and OH + CH 3 → CH 3 O
After the reaction of H is performed, it is necessary to quench immediately and converge the reaction while the non-equilibrium is high.

【0047】沿面放電は、オゾナイザー放電の一種であ
るが、気体中の放電に比べて、絶縁面に沿った放電の方
が生じやすいことからガス圧力が高くてもアークへ移行
することが抑制されるので放電が可能であり沿面放電と
して火花放電とは区別されている。
Creepage discharge is a kind of ozonizer discharge. However, since discharge along an insulating surface is more likely to occur than discharge in a gas, transition to an arc is suppressed even when the gas pressure is high. Therefore, discharge is possible, and is distinguished from spark discharge as creeping discharge.

【0048】図1に示すように誘電体1の表面上に電極
を設置し、一方を連続電極2、他方を線またはスリット
状の分割電極3にして、高電圧を印加すると分割電極3
と直交する方向に誘電体1の表面で放電Aが起きる。誘
電体1の表面に沿っている放電Aであるが、実質的に気
体中の放電であり、反応への影響は火花放電と同じであ
る。
As shown in FIG. 1, an electrode is provided on the surface of a dielectric 1, one of which is a continuous electrode 2, and the other is a line-shaped or slit-shaped divided electrode 3.
Discharge A occurs on the surface of the dielectric 1 in a direction perpendicular to the direction A. Although the discharge A is along the surface of the dielectric 1, it is substantially a discharge in a gas, and the effect on the reaction is the same as that of a spark discharge.

【0049】実験した結果によれば、火花放電Aにより
濃度0.5〜0.7モル%のメタノールを直接合成でき
ることを確認した。この値は、メタノールの平衡濃度よ
り4桁程大きな濃度である。放電Aを持続させるために
は、逆電圧をかけて電荷を取り除き、これを繰り返す必
要があり、供給電源には交流を使用する。
According to the experimental results, it was confirmed that methanol having a concentration of 0.5 to 0.7 mol% can be directly synthesized by spark discharge A. This value is about four orders of magnitude higher than the equilibrium concentration of methanol. In order to maintain the discharge A, it is necessary to remove a charge by applying a reverse voltage and repeat the same, and an alternating current is used as a power supply.

【0050】[0050]

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態の沿面放電に
よるメタノールの直接合成反応器の構成例を図面と共に
説明する。反応器の構造例を図2の断面図に示す。誘電
体1を平面連続電極2上に一体成形し、その表面に分割
電極3を複数個コーティング、溶射などにより成形した
ものを仕切板4を介して複数積層する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A configuration example of a reactor for direct synthesis of methanol by creeping discharge according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. An example of the structure of the reactor is shown in the sectional view of FIG. The dielectric 1 is integrally formed on the planar continuous electrode 2, and a plurality of divided electrodes 3 formed on the surface thereof by coating, thermal spraying or the like are laminated via a partition plate 4.

【0051】分割電極3の形状は放電開始電圧に影響し
ており、電界強度が高くなるような図3(a)〜(d)
の反応器の一部断面図に示すような薄くて、小さい突起
を有するような形状などにすることで、低い電圧で放電
を開始することができる。
The shape of the divided electrode 3 affects the firing voltage, and FIG. 3A to FIG.
The discharge can be started at a low voltage by making the reactor thin and having small projections as shown in a partial sectional view of the reactor.

【0052】隣接する二つの分割電極3の間隔は隣接電
極間で、放電範囲が干渉しない程度の間隔を確保する。
また、1回の放電で流せる電流は、誘電体1に蓄えられ
る電荷量に制約されるので、誘電体1の材質は誘電率が
高いものを用いることが望ましい。
The interval between two adjacent divided electrodes 3 is set to a value that does not interfere with the discharge range between the adjacent electrodes.
In addition, since the current that can flow in one discharge is limited by the amount of electric charge stored in the dielectric 1, it is desirable to use a material of the dielectric 1 having a high dielectric constant.

【0053】誘電率が高い誘電体1には、チタン酸バリ
ウム(比誘電率5000)、ニオブ酸リチウム(同8
4.6)、ガラス(同約7.0)、アルミナ(同8.
5)、マイカ(同7.0)等を用いる。
The dielectric material 1 having a high dielectric constant includes barium titanate (relative dielectric constant: 5000) and lithium niobate (8).
4.6), glass (about 7.0), alumina (8.
5) and mica (7.0).

【0054】反応器内での各ガス流路内での放電が誘導
体1表面で起きるので、ガス流路高さは低い方が体積効
率が上がる。また、平面連続電極2を共通に利用して、
積層構造とすることが可能である。また、合成されたメ
タノールのクエンチングのためのガス冷却構造、合成促
進のための誘電体1表面への触媒装置などを設置しても
良い。
Since the discharge in each gas channel in the reactor occurs on the surface of the derivative 1, the lower the gas channel height, the higher the volume efficiency. Further, by using the flat continuous electrode 2 in common,
It is possible to have a laminated structure. Further, a gas cooling structure for quenching the synthesized methanol, a catalyst device on the surface of the dielectric 1 for promoting the synthesis, and the like may be provided.

【0055】次に、小型の反応器を用いた本実施例の沿
面放電によるメタノールの直接合成のエネルギ消費につ
いて述べる。図4(図4(a)は平面図、図4(b)は
側面図)に示す小型反応器を使い、分割電極3の形状は
図3(d)のものを使用して行った放電によるメタンと
水からのメタノール直接合成のエネルギ消費は、表5に
示す通りである。円柱タイプの分割電極3は、チタン酸
バリウム(サイズ40×40mm)からなる誘電体1上
に載置され、誘電体1は平面連続電極2(サイズ40×
40mm)上に載置されている。また、誘電体1上には
仕切板4で反応ガス流路が形成されている。
Next, the energy consumption of the direct synthesis of methanol by creeping discharge in this embodiment using a small reactor will be described. FIG. 4 (FIG. 4 (a) is a plan view, FIG. 4 (b) is a side view), and the shape of the split electrode 3 is based on the discharge performed using the one shown in FIG. 3 (d). The energy consumption of direct methanol synthesis from methane and water is shown in Table 5. The columnar divided electrode 3 is mounted on a dielectric 1 made of barium titanate (size 40 × 40 mm), and the dielectric 1 is a planar continuous electrode 2 (size 40 × 40 mm).
40 mm). Further, a reactive gas flow path is formed on the dielectric 1 by the partition plate 4.

【0056】表5に示すように放電の種類として沿面放
電の他にグロー放電と火花放電も図5(図5(a)は平
面図、図5(b)は側面図)に示す小型反応器を使って
行い、沿面放電と比較した。仕切板4で形成される反応
ガス流路内に平面連続電極2(サイズ40×40mm)
上に互いに隣接する位置に所定の間隔をあけて複数個の
絶縁体6が配置され、前記間隔の上方に円柱タイプの分
割電極3を配置する。前記絶縁体6の間隔は分割電極3
と平面連続電極2との間での火花放電Bの位置を特定化
するためのものである。
As shown in Table 5, in addition to the surface discharge, glow discharge and spark discharge are the small reactors shown in FIG. 5 (FIG. 5 (a) is a plan view and FIG. 5 (b) is a side view). And compared with creeping discharge. A flat continuous electrode 2 (size 40 × 40 mm) in a reaction gas flow path formed by the partition plate 4
A plurality of insulators 6 are arranged at predetermined intervals at positions adjacent to each other, and a columnar split electrode 3 is arranged above the intervals. The interval between the insulators 6 is divided electrode 3
This is for specifying the position of the spark discharge B between the electrode and the flat continuous electrode 2.

【0057】[0057]

【表5】 [Table 5]

【0058】なお、表5の説明中で、放電仕事率とはメ
タノール生成量(モル数)に対する消費エネルギー(k
J/CH3OH1モル)の割合を言い、放電割合とは放
電した時間の割合を言う。
In the description of Table 5, the term “discharge power” means the energy consumption (k) with respect to the amount of methanol produced (mole number).
J / CH 3 OH (1 mol), and the discharge ratio refers to the ratio of the discharge time.

【0059】表5に示すように、沿面放電を採用した場
合には、ガス圧力を大気圧(760torr)もしくは
それ以上でも安定放電させることが可能であり、ラジカ
ルの衝突頻度が上がるためメタノール合成反応が進行し
やすい。また、電極形状の改善による放電電圧の低減、
電流と放電割合(即ち、交流周波数とパルス維持時間)
の最適化、ガス流速・ガス温度の最適化、触媒の併用な
ど反応条件の最適化によって、メタノール変換率が表5
に示す他の放電方式より高く(>0.8mol%)でき
る。この変換率は現在の大規模実用プラントでは、反応
器出口で約5〜7mol%であった。
As shown in Table 5, when creeping discharge is adopted, stable discharge can be performed even at atmospheric pressure (760 torr) or higher. Is easy to progress. In addition, the discharge voltage is reduced by improving the electrode shape,
Current and discharge rate (ie, AC frequency and pulse sustain time)
The conversion of methanol was optimized by optimizing the reaction conditions, such as optimization of gas flow rate, gas flow rate and gas temperature, and combined use of catalysts.
(> 0.8 mol%). This conversion was about 5-7 mol% at the reactor outlet in current large-scale utility plants.

【0060】また、従来から実用化されている天然ガス
(またはメタン)の改質、合成によるメタノール製造に
よるエネルギー消費は、1000トン/日級の大型メタ
ノール製造装置では、原料原単位(メタノール生産に必
要なエネルギー)が7.2×106kcal/トン(=
55kJ/CH3OH1モル)であるのに対して、上記
表5に示す本実施例の実験室レベルの沿面放電による反
応の消費エネルギーは、38kJ/CH3OH1モルで
あることから、スケール効果を考慮すれば、本発明によ
る放電方式が実用化段階では消費エネルギー的に既存の
技術より十分有利となり得る可能性を備えているもので
ある。しかも、前記実機の1000トン/日級の大型メ
タノール製造装置の原料原単位は1973年の石油ショ
ック以来の省エネルギー対策の結果達成された数値であ
り、また前記大型メタノール製造装置では、さらに圧縮
機動力は14000kw〜15400kw/1000ト
ン/日が必要であることも考え合わせると、本発明の方
法の有用性が分かる。
Further, the energy consumption of methanol production by reforming and synthesizing natural gas (or methane), which has been put to practical use, is reduced by a large-scale methanol production apparatus of 1,000 tons / day class, in terms of raw material unit (for methanol production). The required energy) is 7.2 × 10 6 kcal / ton (=
55 kJ / CH 3 OH), whereas the energy consumption of the reaction due to the surface discharge at the laboratory level shown in Table 5 above is 38 kJ / CH 3 OH. Considering this, there is a possibility that the discharge method according to the present invention can be sufficiently advantageous in terms of energy consumption at the stage of practical use over existing technologies. In addition, the unit consumption of raw materials of the actual large-scale methanol production equipment of 1000 tons / day is a numerical value achieved as a result of energy saving measures since the oil shock in 1973. Considering that 14,000 kW to 15400 kW / 1000 tons / day are required, the usefulness of the method of the present invention can be understood.

【0061】[0061]

【発明の効果】本発明によれば、実用化されているメタ
ンの水蒸気改質法に比べて、反応が一つの過程で済むの
で、反応プロセスが大幅に簡素化され、また、反応の前
後でモル数の変化が無いので、反応を進める上で、ガス
圧力による依存性がない。また吸熱量が約半分で済む。
また、反応の消費エネルギーが少ない特徴も有してい
る。
According to the present invention, the reaction is completed in one step as compared with the steam reforming method of methane which has been put into practical use, so that the reaction process is greatly simplified, and before and after the reaction. Since there is no change in the number of moles, there is no dependence on the gas pressure in promoting the reaction. In addition, the heat absorption can be reduced to about half.
It also has the characteristic of low energy consumption of the reaction.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明が適用される沿面放電の原理を説明す
る図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of creeping discharge to which the present invention is applied.

【図2】 本発明の実施の形態の沿面放電による天然ガ
スからのメタノールの直接合成反応装置の断面図であ
る。
FIG. 2 is a sectional view of a reactor for directly synthesizing methanol from natural gas by creeping discharge according to an embodiment of the present invention.

【図3】 本発明の実施の形態の沿面放電による天然ガ
スからのメタノールの直接合成反応装置の分割電極の形
状の例を示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of the shape of a split electrode of a reactor for direct synthesis of methanol from natural gas by surface discharge according to an embodiment of the present invention.

【図4】 本発明の実施の形態の沿面放電による天然ガ
スからのメタノールの直接合成反応装置の図である。
FIG. 4 is a diagram of a reactor for direct synthesis of methanol from natural gas by surface discharge according to an embodiment of the present invention.

【図5】 本発明の比較例の火花放電による天然ガスか
らのメタノールの直接合成反応装置の図である。
FIG. 5 is a diagram of a reactor for direct synthesis of methanol from natural gas by spark discharge according to a comparative example of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 誘電体 2 平面連続電極 3 分割電極 4 仕切板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Dielectric 2 Plane continuous electrode 3 Split electrode 4 Divider

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 天然ガスと水またはメタンと水から沿面
放電によりメタノールを直接合成することを特徴とする
メタンと水からのメタノールの直接合成法。
1. A method for directly synthesizing methanol from methane and water, comprising directly synthesizing methanol from natural gas and water or methane and water by surface discharge.
【請求項2】 一方の平面電極上に平面誘電体を載置
し、該平面誘電体の表面もしくは表面近傍に線状または
スリット状の分割電極を配置し、該分割電極が配置され
る誘電体表面側に天然ガスと水またはメタンと水からな
る流体の流路を設けることを特徴とするメタンと水から
のメタノールの直接合成装置。
2. A planar dielectric is placed on one planar electrode, and a linear or slit-shaped divided electrode is disposed on or near the surface of the planar dielectric, and the dielectric on which the divided electrode is disposed is disposed. An apparatus for directly synthesizing methanol from methane and water, wherein a flow path for a fluid comprising natural gas and water or methane and water is provided on the surface side.
【請求項3】 一方の平面電極上に平面誘電体を載置
し、該平面誘電体の表面もしくは表面近傍に線状または
スリット状の分割電極を配置し、該分割電極が配置され
る誘電体表面側に天然ガスと水またはメタンと水からな
る流体の流路を設けた単位メタノールの直接合成装置を
仕切手段を介して複数積層したことを特徴とするメタン
と水からのメタノールの直接合成装置。
3. A planar dielectric is placed on one planar electrode, and a linear or slit-shaped divided electrode is disposed on or near the surface of the planar dielectric, and the dielectric on which the divided electrode is disposed is disposed. A device for direct synthesis of methanol from methane and water, wherein a plurality of units for direct synthesis of unit methanol having a flow path of a fluid composed of natural gas and water or methane and water on the surface side are stacked via partition means. .
【請求項4】 分割電極の形状は低い電圧で放電が開始
し、電界強度が高くなるような形状とすることを特徴と
する請求項2または3記載のメタンと水からのメタノー
ルの直接合成装置。
4. The apparatus for directly synthesizing methanol from methane and water according to claim 2, wherein the shape of the split electrode is such that discharge starts at a low voltage and the electric field intensity increases. .
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