2019 Fiscal Year Annual Research Report
Increasing efficiency of carbon dioxide recycling reaction using integrated reaction system by membrane reactor
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18H03419
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| Research Institution | Gifu University |
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Principal Investigator |
上宮 成之 岐阜大学, 工学部, 教授 (60221800)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮本 学 岐阜大学, 工学部, 准教授 (60538180)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | メンブレンリアクター / プロセス強化 / 二酸化炭素 / アンモニア / 水素 / 複合化 / 触媒活性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
アンモニアの分解反応と二酸化炭素のメタン化反応との複合化に関する研究では、水素分離膜としてパラジウム／多孔質アルミナ複合膜を組み込んだ二重管型膜反応器を用いて実施した。反応の進行状況（物質収支）に関するデータは得られた。アンモニアが完全分解した組成のガスを供給したとき、二酸化炭素のメタン化反応におけるメタン収率が最も高くなった。反応速度式および水素透過速度式を文献および実験から求め、膜反応器の複合化反応のモデル作成を試みた。現状、まだパラーメータフィッティングが必要ではあるが、反応温度、SVなど反応条件を変更したときの反応結果に及ぼす影響について確認することができた。反応速度式および水素透過速度式を精度良くすることが最終年度の課題となる。
一方、アンモニア分解反応と二酸化炭素から含酸素化合物合成との複合化に関する研究では熱力学平衡計算を再度実施したところ、常圧でメタノールを合成することは困難であることが判明した。したがって平衡を生成物側にシフトするために、生成物のメタノールを二分子間脱水しDMEへ変換することを試みた。なお、200℃のときには平衡転化率が2.50%である。文献調査に加え、固定層流通式反応器を用いメタノール合成に適した銅系触媒とメタノールの二分子間脱水に適したγアルミナを混合触媒を用いて検討したところ、銅とγアルミナの混合比は2:1が適していると考えた。アンモニア分解触媒は反応温度を低くすると極端に活性が低くなったため、アンモニア分解の模擬ガス（H2:N2=3:1）をパラジウム膜を隔てて供給してパラジウム核を透過した水素でDME合成を試みたところ、メタノール＋DMEの収率は0.003％となった。二酸化炭素は逆水性ガスシフト反応によりほとんど一酸化炭素となり、反応圧力に依存せずメタノールが選択的に生成する触媒の開発が必要であることが示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
アンモニア分解反応と二酸化炭素のメタン化反応の複合化反応については、高活性な触媒を開発できたが、これらの触媒を用いたときの反応結果を再現できる反応速度式が得られていない。そのため複合化反応モデルでは既知の反応速度式を用いて速度定数等をフィッティングさせて使用しているが、実験結果を再現するには至っていない。最終年度は反応速度式の精度を上げてシミュレーションを実施し論文に纏める予定である。
反応器内の伝熱解析については、温度分布の測定が可能な反応器を新規に作製したが、予期しなかった不具合により反応器内でのパラジウム膜のガスシール材料が十分でなく、またコロナ禍で結論を得るに必要な実験を実施できず、研究の進捗にやや遅れがある。今後は、ガスシールを改良するとともに、使用可能実績のある多孔質アルミナ支持体のみを使用して研究を進めることにすることとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
反応器のガスシールの問題解決を急ぎ、反応ガスおよび生成ガスの温度および反応器内での温度分布を測定することで、反応の進行状況（物質収支）のみならず熱収支を明らかにする。新規に開発したアンモニア分解触媒および二酸化炭素メタン化触媒のそれぞれの反応速度、パラジウム複合膜での水素透過速度を解析してそれぞれ速度式を得る。それらのデータを活用して、膜反応器の複合化反応のシミュレーション解析を急ぎ実施する。なお、当初、熱伝導度の異なる金属素材を用いた多孔質管を試作する予定でいたが、コロナ禍の影響もあって新規な材料の入手が極めて困難な状況ため研究計画を変更し、多孔質セラミック支持体に担持したパラジウム複合膜を使用して、複合化反応に関する研究を進める。
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