TWI839149B - 碳氫化合物的直接分解方法 - Google Patents

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Abstract

一種碳氫化合物的直接分解方法，係在第1反應器及第2反應器中，將碳氫化合物直接分解為碳及氫之碳氫化合物的直接分解方法，具備：使含有鐵作為觸媒成分之觸媒連續地在第1反應器中流通後，在第2反應器中流通的步驟；及使含有碳氫化合物的原料氣體連續地流通到第1反應器或第2反應器中的一方後再流通到第1反應器或第2反應器中的另一方的步驟，在第2反應器內的壓力比第1反應器內的壓力高的條件下，原料氣體與觸媒分別在第1反應器內及第2反應器內接觸。

Description

碳氫化合物的直接分解方法
本發明係關於碳氫化合物的直接分解方法。 本發明係依據2022年3月11日在向日本國特許廳申請之日本特願2022-037899號主張優先權，並在此援用其內容。
現今，各種能源的製造在很大程度上依賴於石油、煤炭、天然氣等化石燃料，但，從地球環境保護等的觀點來看，因化石燃料的燃燒而釋放的二氧化碳的排放量的新增被視為問題。在2015年達成的巴黎協定中，為了應對氣候變化問題，要求降低二氧化碳的排放量，但，在火力發電廠等，削減因化石燃料的燃燒所產生的二氧化碳的排放量成為重要的課題。一方面正在積極研究分離、回收所排出的二氧化碳的製程，另一方面也在研究使用化石燃料的替代燃料，不排出二氧化碳而製造能源的技術。
因此，作為化石燃料的替代燃料，不因燃燒而排出二氧化碳之清潔燃料亦即氫受到關注。氫例如可以藉由對天然氣中含有的甲烷進行水蒸氣改質來製造。但，在此製造方法，作為副產物生成一氧化碳，一氧化碳最終被氧化而作為二氧化碳排出。另一方面，作為不使用化石燃料而由水製造氫的方法，正在研究水電解法或光觸媒法等，但，該等方法需要大量的能源，存在有經濟上的問題。
相對於此，開發了將甲烷直接分解來製造氫及碳的方法。甲烷的直接分解的特徵在於不排出二氧化碳就能獲得氫燃料的點，及副產物的碳，由於為固體，故，可以容易地固定，並且碳本身可以有效地用於電極材料、輪胎材料、土木用途等的廣泛的用途的點。在專利文獻1，記載了使用在載體上承載有作為觸媒成分的鐵的載體觸媒，在氫或二氧化碳的至少一方的共存下直接分解碳氫化合物，用以製造氫及碳的方法。
在專利文獻1，揭示有將碳氫化合物直接分解成碳及氫的反應的活性在1小時內急劇下降的結果，此反應的活性維持為一課題。相對於此，本發明的發明者們的研究發現，若使用含有鐵的金屬製的複數個粒子的集合體之非載體觸媒，則可以長期維持碳氫化合物的直接分解反應的活性(本案申請人所申請的日本特願2021-153622號)。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第4697941號公報
[發明所欲解決之問題]
但，本發明的發明者們的研究雖發現，若使用含有鐵的金屬製的複數個粒子的集合體之非載體觸媒，則可以長期維持碳氫化合物的直接分解反應的活性，但，依然存在有使用此觸媒以適當的成本直接分解碳氫化合物的課題。再者，這不單是前述非載體觸媒特有的課題，也存在於使用將作為在載體承載有作為觸媒成分的鐵而進行碳氫化合物的直接分解的情況。
有鑒於上述情況，本發明的至少1個實施形態的目的係在於提供能够以適當的成本直接分解碳氫化合物之碳氫化合物的直接分解方法。 [解決問題之技術手段]
為了達到前述目的，本發明之碳氫化合物的直接分解方法，係分別在第1反應器及第2反應器，將碳氫化合物直接分解成碳及氫之碳氫化合物的直接分解方法，其特徵為包含： 使包含有作為觸媒成分的鐵之觸媒連續地在前述第1反應器中流通後，使其在前述第2反應器中流通的步驟；及 使含有碳氫化合物的原料氣體連續地流通於前述第1反應器或前述第2反應器中的一方後，再流通於前述第1反應器或前述第2反應器中的另一方之步驟， 在前述第2反應器內的壓力較前述第1反應器內的壓力高的條件下，前述原料氣體與前述觸媒分別在前述第1反應器內及前述第2反應器內接觸。 [發明效果]
若依據本發明的碳氫化合物的直接分解方法，在第1反應器進行觸媒的前處理後，在內部壓力較第1反應器內的壓力高的第2反應器進行碳氫化合物的直接分解，藉此，比起在1個反應器進行觸媒的前處理及碳氫化合物的直接分解的情況，可縮小第1反應器及第2反應器的容積的總量，故，能以適當的成本將碳氫化合物直接分解。
以下，針對本發明的實施形態之碳氫化合物的直接分解方法，依據圖面進行說明。在以下的說明之實施形態係為顯示本發明的一態樣，不限於此態樣，在本發明的技術思想範圍內可任意地變更。
(實施形態1) ＜用來實施本發明的實施形態1之碳氫化合物的直接分解方法的裝置之結構＞ 圖1係顯示用來實施本發明的實施形態1之碳氫化合物的直接分解方法的裝置1之結構。裝置1具備第1反應器2及第2反應器3。裝置1構成為在將後述的構成的觸媒4連續地在第1反應器2流通後，再流通於第2反應器3。為了達到這樣的結構，例如，在第1反應器2設置用來供給觸媒4的觸媒供給管路5、將從第1反應器2流出的觸媒4供給至第2反應器3的觸媒移送管路6、及將從第2反應器3使觸媒4流出的觸媒流出管路7，將該等管路能以例如密閉式皮帶式輸送機、螺旋饋送器等構成。
裝置1還具備：將如天然氣或精製天然氣等後的氣體之含有碳氫化合物的原料氣體供給至第1反應器2之氣體供給管路8；將從第1反應器2流出的原料氣體供給至第2反應器3之氣體移送管路9；及供從第2反應器3流出的流出氣體流通之氣體流出管路10。在氣體供給管路8及氣體移送管路9，分別設有將原料氣體升壓之壓縮機11及12。
雖非必要的結構，裝置1亦可具備氣體回收管路13，其從氣體流出管路10分歧，並且與氣體供給管路8連接。另外，在具備氣體回收管路13的裝置1，亦可於氣體回收管路13從氣體流出管路10分歧的分歧點，設置將流出氣體分離成富烴氣體與富氫氣體之氣體分離器14。氣體分離器14的結構未特別限定，可為例如膜分離器等。
觸媒4具備鐵製的複數個粒子。亦即，觸媒4非在載體承載有鐵的載體觸媒，而是鐵製的粒子的集合體之非載體觸媒。觸媒4的各粒子不限於僅以鐵形成，可容許不可避免地混入鐵之成分(不可避免的雜質)、鐵以外的金屬元素某種程度的混入。因此，在本發明，「鐵製」係指鐵的純度具有從下限值到100%的範圍之金屬製。
在以本發明的申請人為權利人的日本專利第7089235號公報，明確揭示藉由使含有碳氫化合物的原料氣體與作為鐵的純度為86%以上的金屬製的複數個粒子的集合體之非載體觸媒接觸，將碳氫化合物直接分解成碳及氫的反應(以下將該反應稱為「直接分解反應」)的活性維持很長時間。藉此，即使在本發明，亦將前述鐵的純度的「下限值」設為86%。
＜本發明的實施形態1之碳氫化合物的直接分解方法＞ 在裝置1，透過觸媒供給管路5，將觸媒4連續地供給至第1反應器2。流入到第1反應器2的觸媒4在第1反應器2內滯留預先設定的滯留時間後，從第1反應器2依次流出。從第1反應器2流出的觸媒4，透過觸媒移送管路6連續地流入第2反應器3。流入到第2反應器3的觸媒4也在第2反應器3內滯留預先設定的滯留時間後，透過觸媒流出管路7從第2反應器3依次流出。
另外，在裝置1，透過氣體供給管路8將原料氣體連續地供給至第1反應器2。流入到第1反應器2的原料氣體在第1反應器2內滯留預先設定的滯留時間後，從第1反應器2依次流出。從第1反應器2流出的原料氣體，透過氣體移送管路9連續地流入第2反應器3。流入到第2反應器3的原料氣體也在第2反應器3內滯留預先設定的滯留時間後，透過氣體流出管路10從第2反應器3依次流出。
藉由分別在第1反應器2及第2反應器3使原料氣體與觸媒4接觸，將原料氣體中的碳氫化合物直接分解成氫與碳。此直接分解反應，若以甲烷作為碳氫化合物為例，則下述的反應式(1)所表示的反應分別在第1反應器2內及第2反應器3內產生。 CH 4→2H 2+C　…(1)
如本案申請人的在先前的申請案中明確顯示，使用上述的非載體觸媒作為觸媒4時，碳氫化合物的直接分解反應的活性維持得較長，但直接分解反應的活性充分上升需要約5～10小時。因此，第1反應器2主要用來進行觸媒4的前處理，第2反應器3主要用來進行碳氫化合物的直接分解。在第1反應器2中的前處理中，原料氣體中的碳氫化合物直接分解為氫與碳，藉由生成的氫之氫侵蝕，觸媒4的鐵被分割成亞微米級的鐵的微粒子，高分散化為生成碳，因此，觸媒4的活性上升。在此過程中，原料氣體中的碳氫化合物的一部分直接分解為氫與碳，所以，從第1反應器2流出的原料氣體中含有氫，從第1反應器2流出的觸媒4上附著有碳。
藉由第1反應器2中的觸媒4的前處理，從第1反應器2流出的觸媒4顯示出充分的活性，因此，藉由在第2反應器3內與碳氫化合物接觸，以充分的活性將碳氫化合物直接分解為氫與碳。經由回收透過氣體流出管路10從第2反應器3流出的流出氣體，或者藉由根據流出氣體中的氫的濃度精製流出氣體，能夠獲得氫。因碳附著在透過觸媒流出管路7從第2反應器3流出的觸媒4上，所以只要從觸媒4以任意的方法去除碳，就可以回收碳，亦可在裝置1中再使用去除了碳的觸媒4。
在裝置1上設有氣體回收管路13的情況，從第2反應器3流出的流出氣體的一部分在氣體回收管路13中流通，與在氣體供給管路8中流通的原料氣體匯集而流入到第1反應器2。因流出氣體中含有未反應的碳氫化合物，故，未反應的碳氫化合物的一部分返回到第1反應器2，藉此獲得再次直接分解的機會。藉此，可提升氫的產率。另外，因流出氣體亦含有氫，所以，成為對於第1反應器2供給氫。由於第1反應器2之觸媒4的前處理需要氫，故，亦可使前處理的效率提升。
在裝置1中設有氣體分離器14的情況，因能够將流出氣體中含有的碳氫化合物供給到第1反應器2，所以，能够提高氫的產率。另外，因從流出氣體去除碳氫化合物，所以，亦可提高要回收的氫的純度。
在本案申請人的先前申請案亦得知，藉由在600℃～900℃的溫度範圍進行直接分解反應，能夠將直接分解反應的活性維持很長時間。因此，即使在本發明的碳氫化合物的直接分解方法，將第1反應器2及第2反應器3內的溫度設為前述範圍內為佳。考慮到在第1反應器2中主要進行觸媒4的前處理，而在第2反應器3中主要進行碳氫化合物的直接分解，因此，使第1反應器2內及第2反應器3內的條件適合各自的目的為佳。考慮進行觸媒4的前處理之目的，將第1反應器2內的溫度設為800℃以下為佳。考慮進行碳氫化合物的直接分解之目的，將第2反應器3內的溫度設為700℃以上為佳。
＜本發明的實施形態1之碳氫化合物的直接分解方法的作用效果＞ 為了採集用來研究本發明的實施形態1的碳氫化合物的直接分解方法的作用效果之模擬所需的基礎資料，進行了下述說明的實驗。圖2顯示用來進行此實驗的實驗裝置20的構成示意圖。
實驗裝置20具備內徑為16mm之石英製的反應器23，其在內部收容載置有前述觸媒4的多孔皿28。反應器23可藉由電爐24加熱。在反應器23上連接有用來分別供給甲烷及氬的原料供給管路25、和供藉由甲烷的直接分解反應所生成之含有氫的反應氣體從反應器23流出後流通的反應氣體流通管路26。反應氣體流通管路26連接於用來測定反応氣體的組成之氣相色層分析儀27。使用此實驗裝置20，進行將作為碳氫化合物之甲烷直接分解成氫與碳之實驗。實驗條件總結在下述表1中。
在將觸媒4設置於反應器23內後，以氬置換反應器23內。接著，在反應器23內一邊使氬流通，一邊啟動電爐24，將反應器23內升溫至800℃。若反應器23內的溫度成為800℃，則將供給至反應器23的氣體從氬切換為甲烷，使甲烷氣體流通在反應器23內。定期地用氣相色層分析儀27測定從反應器23流出的反應氣體的組成。
從藉由氣相色層分析儀27測定到的反應氣體的組成，藉由下述的式子(2)及(3)算出甲烷轉化率CR[%]及氫製造量PR[Ncc/min]。將其結果總結在下述表2中。 CR=C Me/(C Me+C H2×0.5)×100　…(2) 在此，C Me為反應氣體中的甲烷之濃度[vol％]，CH 2為反應氣體中的氫之濃度[vol％]。 PR=F Me×CR/100×2　…(3) 在此，F Me為甲烷的供給量[Ncc/min]。
將在表2總結的甲烷轉化率之隨著時間經過變化顯示於圖3。由於在實驗開始後10小時左右甲烷轉化率上升，故，可視為是觸媒4的活性上升的過程。由於在實驗開始後10至20小時之間甲烷轉化率為恆定，故，可視為是觸媒4的活性充分高的狀態被維持的過程。由於在實驗開始後20小時左右甲烷轉化率降低，故，可視為是觸媒4劣化的過程。亦即，可以說在實驗開始後10小時左右之前，主要是進行觸媒4的前處理，從實驗開始經過10小時後，主要是進行甲烷的直接分解反應。
在實施形態1的碳氫化合物的直接分解方法，在第1反應器2中進行觸媒4的前處理，使用前處理後的觸媒4在第2反應器3中進行碳氫化合物的直接分解，如果改變兩反應器中的反應條件，則可以更有效率地進行兩反應器中的反應。以下，進行2個模式的比較，亦即，使用1個反應器時(以下稱為「結構1」)和使用2個反應器時(以下稱為「結構2」)的比較。但，結構2設為2個反應器內的各別的壓力不同之條件。結構1及結構2各自的反應器的條件顯示於下述表3。
為了進行結構1與結構2的比較，需要根據表2的結果推測壓力為301.3kPa時的甲烷轉化率。已知甲烷的分解速度r(Me)可以用下述的式子(4)表示。 r(Me)=kP(Me)　…(4) 在此，k為速度常數，P(Me)為甲烷的分壓。利用該式子(4)，若設成壓力為1atm(101.3kPa)時的甲烷轉化率為45%，則可推測壓力為301.3kPa時的甲烷轉化率為80%。
結構1為在1個反應器內進行觸媒的前處理和碳氫化合物的直接分解之形態。若依據表2及圖3，前處理需要10小時，之後10小時維持充分的觸媒活性(45%的甲烷轉化率)，因此，將觸媒在反應器中的滯留時間設為20小時，20小時的氫製造量為10000Nm 3/hr的結構1的物質收支顯示於圖4。在結構1，向反應器供給的觸媒供給量為1.85m 3/hr，碳的生成量為159m 3/hr。於是，開始向反應器供給觸媒及甲烷20小時後的觸媒及碳的體積如下算出。 1.85m 3+159m 3/hr×20hr=3182m 3因此，反應器至少需要3182m 3的容積。
結構2為在第1反應器內進行觸媒的前處理，並在不同於第1反應器之第2反應器內進行碳氫化合物的直接分解之形態。將觸媒的第1反應器之滯留時間設為10小時，將在第2反應器之甲烷轉化率設為80%，氫製造量成為10000Nm 3/hr之結構2的物質收支顯示於圖5。在結構2，向第1反應器供給的觸媒供給量為1.13m 3/hr，第1反應器之碳的生成量為24.2m 3/hr。觸媒的第2反應器之滯留時間成為6.8小時，第2反應器之碳的生成量形成為96.9m 3/hr。於是，開始向第1反應器供給觸媒及甲烷10小時後的觸媒及碳的體積如以下方式算出。 1.13m 3+24.2m 3/hr×10hr=243m 3因此，第1反應器至少需要243m 3的容積。另外，第2反應器之6.8小時後的觸媒及碳的體積如以下方式算出。 1.13m 3+96.9m 3/hr×6.8hr=660m 3因此，第2反應器至少需要660m 3的容積。
比較結構1與結構2，在結構1中，反應器需要至少3182m 3的容積，在結構2中，第1反應器及第2反應器雙方合計需要至少903m 3(243m 3+660m 3)的容積。因此，在第1反應器中進行催化劑預處理後，藉由在內部壓力比第1反應器內的壓力高的第2反應器中進行碳氫化合物的直接分解，與在1個反應器中進行觸媒的前處理及碳氫化合物的直接分解的情況相比，可以縮小第1反應器及第2反應器的容積的總和，因此，能以適當的成本直接分解碳氫化合物。
因觸媒的前處理即使在大氣壓P 0[kPa]下進行也沒有問題，所以，第1反應器內的壓力大致為大氣壓，亦即P 0[kPa]～(P 0+50)kPa為佳。另一方面，由於碳氫化合物的直接分解為壓力越高分解速度變得越高，所以，第2反應器內的壓力至少比第1反應器內的壓力高，考慮到甲烷轉化率的平衡制約，理想為3MPa以下。
舉出決定考慮了甲烷轉化率的平衡制約之第2反應器內的壓力的方法的一例。若決定溫度與壓力，則亦可決定甲烷的平衡轉化率。在此，甲烷的平衡轉化率是指在甲烷的直接分解反應的化學平衡的制約下，即使提高了觸媒活性，轉化率也不會進一步提高的轉化率。例如，利用由科萊恩(Clariant AG)(瑞士、巴塞爾-蘭特準州、穆滕茨)分發的非賣品的觸媒手册中記載的各溫度下的平衡常數數據，計算某溫度範圍及某壓力範圍下的甲烷的平衡轉化率，得到下述表4的結果。若決定第2反應器中的甲烷的目標轉化率X，則可以從表4取得某溫度且某壓力下的甲烷的平衡轉化率Y，在X≤Y的條件下決定第2反應器內的壓力。例如，在決定X=45%，第2反應器內的溫度為800℃的情況，從表4可知800℃且2.0MPaG時的甲烷的平衡轉化率為45.8%，因此，可以將2.0MPaG以下的壓力決定作為第2反應器內的壓力。
(實施形態2) 其次，說明關於本發明的實施形態2之碳氫化合物的直接分解方法。實施形態2之碳氫化合物的直接分解方法，為對於實施形態1，將裝置1之觸媒4的流動與原料氣體的流動變更為相反。再者，在實施形態2，對於與實施形態1相同的構成要件，賦予相同符號並省略其詳細說明。
＜用來實施本發明的實施形態2之碳氫化合物的直接分解方法的裝置之結構＞ 圖6顯示用來實施本發明的實施形態2之碳氫化合物的直接分解方法的裝置1之結構。裝置1具備：向第2反應器3供給原料氣體的氣體供給管路8；將從第2反應器3流出的原料氣體向第1反應器2供給的氣體移送管路9；及使流出氣體從第1反應器2流出的氣體流出管路10。除了未在氣體移送管路9設置壓縮機12、不需要設置氣體回收管路13(參照圖1)及氣體分離器14(參照圖1)的點以外，其他結構與實施形態1相同。
＜本發明的實施形態2之碳氫化合物的直接分解方法＞ 透過氣體供給管路8向第2反應器3連續地供給原料氣體。流入到第2反應器3的原料氣體在第2反應器3內滯留預先設定的滯留時間後，從第2反應器3依次流出。從第2反應器3流出的原料氣體，透過氣體移送管路9連續地流入第1反應器2。流入到第1反應器2之原料氣體也在第1反應器2內滯留預先設定的滯留時間後，再從第1反應器2透過氣體流出管路10依次流出。觸媒4的流動也與實施形態1相同。
＜本發明的實施形態2之碳氫化合物的直接分解方法的作用效果＞ 在實施形態2，在第1反應器2主要進行觸媒4的前處理，在第2反應器3主要進行碳氫化合物的直接分解的點上，與實施形態1相同。因此，即使在實施形態2，也與實施形態1同樣地，可縮小第1反應器2及第2反應器3的容積之總和，因此，能以適當的成本直接分解碳氫化合物。
實施形態2，對於實施形態1，原料氣體的流動方向相反。亦即，在實施形態2，原料氣體通過第2反應器3後再通過第1反應器2。在此結構的情況，因在第2反應器3進行碳氫化合物的直接分解，所以，從第2反應器3流出的氣體含有氫。因此，因氫流入第1反應器2，所以，觸媒4的前處理在存在有氫的情形下進行。以下，檢討觸媒4的前處理藉由存在有氫的情形下進行所產生之作用效果。
使用如圖2所示的實驗裝置20，進行實施例及比較例的實驗。兩實驗均在進行觸媒4的前處理10小時後，變更條件，使用進行了前處理的觸媒4進行直接分解反應10小時。前處理及直接分解反應的條件皆與表1的條件相同。但，在前處理供給至反應器的氣體的組成(甲烷/氫的體積比)，在實施例為50/50，在比較例為100/0。也就是在實施例，存在有氫的情況下進行觸媒4的前處理，在比較例，僅以甲烷進行觸媒4的前處理，在這一點上兩者不同。
直接分解反應中之甲烷轉化率的峰值，在實施例為38.9%，在比較例為27.7%。從該結果可知，在存在有氫的情況下進行觸媒的前處理，則可稱為直接分解反應之碳氫化合物的轉化率提升。於是，在實施形態2之碳氫化合物的分解反應，從第2反應器3流出的氣體含有氫，從第2反應器3流出的氣體被供給至第1反應器2，藉此，在第1反應器2存在有氫的情況下進行觸媒4的前處理，因此，比起實施形態1，直接分解反應中的碳氫化合物之轉化率的峰值也變高。其結果，可提升碳氫化合物的轉化率。
＜實施形態1及2之變形例＞ 在實施形態1及2，使用鐵的純度為86%以上的金屬製的複數個粒子的集合體之非載體觸媒，進行碳氫化合物的直接分解，但不限於此觸媒。若為含有作為觸媒成分的鐵之觸媒，則任何結構的觸媒皆可，例如，亦可使用在載體承載有作為觸媒成分的鐵之載體觸媒。
在前述各實施形態所記載的內容，例如可如下述所揭示。
[1]一態樣之碳氫化合物的直接分解方法，係 分別在第1反應器(2)及第2反應器(3)，將碳氫化合物直接分解成碳及氫之碳氫化合物的直接分解方法，其特徵為包含： 將含有作為觸媒成分的鐵之觸媒(4)連續地流通於前述第1反應器(2)後再流通於前述第2反應器(3)的步驟；及 將含有碳氫化合物的原料氣體連續地流通於前述第1反應器(2)或前述第2反應器(3)中的其中一方後，再流通於前述第1反應器(2)或前述第2反應器(3)的另一方的步驟， 在前述第2反應器(3)內的壓力較前述第1反應器(2)內的壓力高的條件下，分別在前述第1反應器(2)內及前述第2反應器(3)內使前述原料氣體與前述觸媒(4)接觸。
若依據本發明的碳氫化合物的直接分解方法，藉由在第1反應器中進行觸媒的前處理後，在內部壓力比第1反應器內的壓力高的第2反應器中進行碳氫化合物的直接分解，比起在1個反應器中進行觸媒的前處理及碳氫化合物的直接分解的情況，可縮小第1反應器及第2反應器的容積的總計，因此，能以適當的成本直接分解碳氫化合物。
[2]其他態樣之碳氫化合物的直接分解方法，係如[1]的碳氫化合物的直接分解方法，其中， 前述觸媒係鐵的純度為86%以上的金屬製的複數個粒子的集合體之非載體觸媒。
若依據這樣的方法，在使用鐵的純度為86%以上的金屬製的複數個粒子的集合體之非載體觸媒的情況，能以適當的成本直接分解碳氫化合物。
[3]其他態樣之碳氫化合物的直接分解方法，係如[1]或[2]的碳氫化合物的直接分解方法，其中， 當將大氣壓設為P 0kPa時，則前述第1反應器(2)內的壓力為P 0kPa～(P 0+50)kPa，第2反應器(3)內的壓力為3MPa以下。
若依據此方法，能夠提高第2反應器之碳氫化合物的直接分解反應的活性，因此，能以適當的成本直接分解分碳氫化合物。
[4]其他態樣之碳氫化合物的直接分解方法，係如[3]的碳氫化合物的直接分解方法，其中， 藉由決定前述第2反應器(3)之甲烷的轉化率的目標值X(%)之步驟、 取得前述第2反應器(3)內的溫度之甲烷的平衡轉化率Y(%)之步驟、及 以成為X≦Y的條件決定前述第2反應器(3)內的壓力之步驟， 決定前述第2反應器(3)內的壓力。
若依據此方法，能夠簡單且正確地決定第2反應器內的壓力。
[5]其他態樣之碳氫化合物的直接分解方法，係如[1]至[4]中任一個的碳氫化合物的直接分解方法，其中， 分別前述第1反應器(2)內及前述第2反應器(3)內，前述原料氣體與前述觸媒(4)在600℃～900℃的溫度範圍下接觸。
若依據此方法，可將碳氫化合物的直接分解反應的活性維持很長。
[6]其他態樣之碳氫化合物的直接分解方法，係如[1]至[5]中任一個的碳氫化合物的直接分解方法，其中， 還包含將自前述第2反應器(3)流出的流出氣體的一部分供給至前述第1反應器(2)之步驟。
若依據此方法，可將未反應的碳氫化合物再次直接分解，因此，可使氫的產率提升。
[7]其他態樣之碳氫化合物的直接分解方法，係如[6]的碳氫化合物的直接分解方法，其中， 在將前述流出氣體的一部分供給至前述第1反應器(2)的步驟之前，還具備將前述流出氣體分離成碳氫化合物與氫的步驟， 將含自前述流出氣體分離的碳氫化合物之氣體供給至前述第1反應器(2)。
若依據此方法，可僅將未反應的碳氫化合物再次直接分解，因此，可提高要被回收的氫的純度，並且可使氫的產率提升。
[8]其他態樣之碳氫化合物的直接分解方法，係如[1]至[5]中任一個的碳氫化合物的直接分解方法，其中， 在使前述原料氣體連續地連通於前述第2反應器(3)後，再流通至前述第1反應器(2)。
若依據此方法，從第2反應器流出的氣體中含有氫，藉由將從第2反應器流出的氣體供給到第1反應器，在第1反應器中，在氫的存在下進行觸媒的前處理，因此，能够提高碳氫化合物的轉化率。
2:第1反應器 3:第2反應器 4:觸媒
[圖1]係用來實施本發明的實施形態1之碳氫化合物的直接分解方法的裝置之構成示意圖。 [圖2]係進行用來檢討本發明的實施形態1之碳氫化合物的直接分解方法的作用效果的實驗之實驗裝置之構成示意圖。 [圖3]係顯示在進行用來檢討本發明的實施形態1之碳氫化合物的直接分解方法的作用效果的實驗所獲得的甲烷轉化率之隨著時間經過變化的圖表。 [圖4]係用來檢討本發明的實施形態1之碳氫化合物的直接分解方法的作用效果的模式之結構1的物質收支之圖。 [圖5]係用來檢討本發明的實施形態1之碳氫化合物的直接分解方法的作用效果的模式之結構2的物質收支之圖。 [圖6]係用來實施本發明的實施形態2之碳氫化合物的直接分解方法的裝置之構成示意圖。
1:裝置
2:第1反應器
3:第2反應器
4:觸媒
5:觸媒供給管路
6:觸媒移送管路
7:觸媒流出管路
8:氣體供給管路
9:氣體移送管路
10:氣體流出管路
11:壓縮機
12:壓縮機
13:氣體回收管路
14:氣體分離器

Claims (6)

  1. 一種碳氫化合物的直接分解方法，係分別在第1反應器及第2反應器將碳氫化合物直接分解成碳及氫，其特徵為具備：使包含有作為觸媒成分的鐵之觸媒連續地在前述第1反應器中流通後，使其在前述第2反應器中流通的步驟；及將含有碳氫化合物的原料氣體連續地流通於前述第1反應器或前述第2反應器中的其中一方後，再流通於前述第1反應器或前述第2反應器的另一方的步驟，在前述第2反應器內的壓力較前述第1反應器內的壓力高的條件下，分別在前述第1反應器內及前述第2反應器內使前述原料氣體與前述觸媒接觸，前述觸媒係鐵的純度為86%以上的金屬製的複數個粒子的集合體之非載體觸媒，當將大氣壓設為P0kPa時，則前述第1反應器內的壓力為P0kPa~(P0+50)kPa，第2反應器內的壓力為3MPa以下。
  2. 如請求項1的碳氫化合物的直接分解方法，其中，藉由決定前述第2反應器之甲烷的轉化率的目標值X(%)之步驟、取得前述第2反應器內的溫度之甲烷的平衡轉化率Y(%)之步驟、及以成為X≦Y的條件決定前述第2反應器內的壓力之步驟， 決定前述第2反應器內的壓力。
  3. 如請求項1或2的碳氫化合物的直接分解方法，其中，分別在前述第1反應器內及前述第2反應器內，使前述原料氣體與前述觸媒在600℃~900℃的溫度範圍下接觸。
  4. 如請求項1或2的碳氫化合物的直接分解方法，其中，還包含將自前述第2反應器流出的流出氣體的一部分供給至前述第1反應器的步驟。
  5. 如請求項4的碳氫化合物的直接分解方法，其中，在將前述流出氣體的一部分供給至前述第1反應器的步驟之前，具備將前述流出氣體分離成碳氫化合物與氫的步驟，將包含自前述流出氣體分離的碳氫化合物之氣體供給至前述第1反應器。
  6. 如請求項1或2的碳氫化合物的直接分解方法，其中，在使前述原料氣體連續地連通於前述第2反應器後，再流通至前述第1反應器。
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