2020 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 / メタン化 / 複合化 / 化学反応シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでの研究でNH3分解とCO2メタン化のそれぞれに高活性触媒の開発に成功し、複合化反応システムの効率が触媒の性能に依存することを実証できた。触媒活性の他にも膜性能や伝熱、触媒層配置等が影響すると考えられるが、それらの影響を定量的には検討できていない。そこで本年度は、開発した触媒の反応速度式を決定し、数値シミュレーションに導入することで、複合化システムのさらなる高効率化に向けて、必要な開発課題を抽出することにした。
数値シミュレーションにはFlex PDEを使用し、定常状態、押し出し流れを仮定し、主反応のみを解析対象とした。物質濃度や温度の半径方向の分布はないとする、一次元モデル解析を採用した。反応速度式として、NH3分解はTemkin-Phyzev式、CO2メタン化はLunde and Kester式をそれぞれ用い、NH3分解側、CO2メタン化側ともに物質収支式および熱収支式を立てた。
反応試験結果から活性化エネルギーと頻度因子を導出し反応速度式を決定した。シミュレーション値と実験値を比較したところ、パラメーターを変更したときの反応結果の傾向がほぼ一致することを確認した。反応解析結果から、触媒層のガス送入口付近でCO2転化率が低いことが分かった。これはNH3側から透過してきたH2量が入口付近では少ないためである。そこでCO2メタン化触媒層の配置を下流方向に移動してみたところ、触媒層の長さに対して1/8程度移動させたときが最も効果的であることが分かった。さらに必要な開発課題を明らかにするために、反応速度定数、H2パーミアンス、総括熱伝達係数の感度分析を実施したところ、NH3分解の反応速度定数およびH2パーミアンスを変更したときが影響が最も大きかった。すなわち高性能なNH3分解触媒、水素透過膜の開発が複合化反応システムの効率化に向けた最優先課題であることが分かった。
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| Research Progress Status |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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