JP2001146402A - 水素製造用高温シフトコンバータ及びその運転方法 - Google Patents
水素製造用高温シフトコンバータ及びその運転方法Info
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- JP2001146402A JP2001146402A JP32706099A JP32706099A JP2001146402A JP 2001146402 A JP2001146402 A JP 2001146402A JP 32706099 A JP32706099 A JP 32706099A JP 32706099 A JP32706099 A JP 32706099A JP 2001146402 A JP2001146402 A JP 2001146402A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高温シフトコンバータのシフト反応室の出口
ガス温度が高温シフト触媒の最高使用温度程度となるよ
うにする。 【解決手段】 高温シフト触媒１１を充填したシフト反
応室１２の両側に、パラジウム膜１４をコーティング又
はメッキした隔壁１５をそれぞれ配置し、その外側に、
水素ガス室１３を配置して、プレート型の高温シフトコ
ンバータ２０を構成する。諸条件を設定した後、シフト
反応室１２の出口ガス温度が高温シフト触媒１１の最高
使用温度程度となるように入口ガス温度を設定する。設
定した入口ガス温度で改質ガスＲＧをシフト反応室１２
に流入させる。
ガス温度が高温シフト触媒の最高使用温度程度となるよ
うにする。 【解決手段】 高温シフト触媒１１を充填したシフト反
応室１２の両側に、パラジウム膜１４をコーティング又
はメッキした隔壁１５をそれぞれ配置し、その外側に、
水素ガス室１３を配置して、プレート型の高温シフトコ
ンバータ２０を構成する。諸条件を設定した後、シフト
反応室１２の出口ガス温度が高温シフト触媒１１の最高
使用温度程度となるように入口ガス温度を設定する。設
定した入口ガス温度で改質ガスＲＧをシフト反応室１２
に流入させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は天然ガスやメタノー
ル等の炭化水素を改質した後の改質ガスから高純度の水
素を製造するために用いる水素製造用高温シフトコンバ
ータ及びその運転方法に関するものである。
ル等の炭化水素を改質した後の改質ガスから高純度の水
素を製造するために用いる水素製造用高温シフトコンバ
ータ及びその運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】天然ガスを水蒸気改質して得た水素リッ
チなガスから高純度の水素を精製する従来の技術とし
て、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏ
ｒｐｔｉｏｎ）が工業的に主力となっている。このＰＳ
Ａは、吸収塔内に導入した水素リッチなガスの圧力を変
化させて吸着剤への吸着と脱着を繰り返すことにより目
的のガスを分離精製する方法で、上記吸着剤としては、
カーボンモレキュラーシーブ、合成ゼオライトが分離対
象ガスに応じて使用され、これら吸着剤に吸着するガス
の性質が異なることを利用して目的のガス分離を行うも
のであり、圧力が高いほど単位吸着剤に対する吸着量が
多く、逆に圧力が低いほど吸着量が少ない特徴を有して
いる。
チなガスから高純度の水素を精製する従来の技術とし
て、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏ
ｒｐｔｉｏｎ）が工業的に主力となっている。このＰＳ
Ａは、吸収塔内に導入した水素リッチなガスの圧力を変
化させて吸着剤への吸着と脱着を繰り返すことにより目
的のガスを分離精製する方法で、上記吸着剤としては、
カーボンモレキュラーシーブ、合成ゼオライトが分離対
象ガスに応じて使用され、これら吸着剤に吸着するガス
の性質が異なることを利用して目的のガス分離を行うも
のであり、圧力が高いほど単位吸着剤に対する吸着量が
多く、逆に圧力が低いほど吸着量が少ない特徴を有して
いる。
【０００３】しかし、上記ＰＳＡによる水素製造方法の
場合は、６００Nm3 ／Hr の水素製造装置では、吸収塔
を３乃至４基設置する必要があると共に、払出しタンク
の設置も必要となって設備が大型化し、コンパクトで安
価に水素を製造する設備とすることができず、したがっ
て、水素製造装置として狭いスペースに設置して水素を
燃料とするシステムに適用することに難点がある。
場合は、６００Nm3 ／Hr の水素製造装置では、吸収塔
を３乃至４基設置する必要があると共に、払出しタンク
の設置も必要となって設備が大型化し、コンパクトで安
価に水素を製造する設備とすることができず、したがっ
て、水素製造装置として狭いスペースに設置して水素を
燃料とするシステムに適用することに難点がある。
【０００４】そのため、コンパクトな構成で高純度の水
素を製造することができるものとして、図４に一例を示
す如く、改質器１で天然ガスＮＧを水蒸気改質して得ら
れた水素リッチなガスを高温シフトコンバータ２で、水
素のみを分離させると同時にシフト反応させるようにし
た水素製造装置が提案されている。
素を製造することができるものとして、図４に一例を示
す如く、改質器１で天然ガスＮＧを水蒸気改質して得ら
れた水素リッチなガスを高温シフトコンバータ２で、水
素のみを分離させると同時にシフト反応させるようにし
た水素製造装置が提案されている。
【０００５】すなわち、改質触媒４を充填して天然ガス
ＮＧを流すようにした改質室３と伝熱促進用の充填物６
としてアルミナボールを充填して燃焼ガス１６を流すよ
うにした加熱室５とを金属製隔壁７を介して積層してな
るプレート型改質器１のほかに、金属製の隔壁８を挟ん
で、片側に伝熱促進用の充填物９としてアルミナボール
を充填した冷却室１０と、上記隔壁８の反対側に高温シ
フト触媒１１を充填してシフト反応させるようにしたシ
フト反応室１２と、凹凸により流路を形成したプレート
型の水素ガス室１３とを積層し、該水素ガス室１３と上
記シフト反応室１２との間に、水素のみを選択的に通過
させるようにする水素透過膜としてパラジウム膜又はパ
ラジウム合金膜（以下、パラジウム膜について示す。）
１４を多孔質板の片面にコーティングするか又はメッキ
してなる隔壁１５を、パラジウム膜１４がシフト反応室
１２側となるようにして積層してなるプレート型の高温
シフトコンバータ２を設けた構成としてある。上記水素
透過膜としてパラジウム膜１４を使用する場合、該パラ
ジウム膜１４は水素存在下で３００℃以下では脆化する
ので、使用温度は３００〜５００℃とされている。
ＮＧを流すようにした改質室３と伝熱促進用の充填物６
としてアルミナボールを充填して燃焼ガス１６を流すよ
うにした加熱室５とを金属製隔壁７を介して積層してな
るプレート型改質器１のほかに、金属製の隔壁８を挟ん
で、片側に伝熱促進用の充填物９としてアルミナボール
を充填した冷却室１０と、上記隔壁８の反対側に高温シ
フト触媒１１を充填してシフト反応させるようにしたシ
フト反応室１２と、凹凸により流路を形成したプレート
型の水素ガス室１３とを積層し、該水素ガス室１３と上
記シフト反応室１２との間に、水素のみを選択的に通過
させるようにする水素透過膜としてパラジウム膜又はパ
ラジウム合金膜（以下、パラジウム膜について示す。）
１４を多孔質板の片面にコーティングするか又はメッキ
してなる隔壁１５を、パラジウム膜１４がシフト反応室
１２側となるようにして積層してなるプレート型の高温
シフトコンバータ２を設けた構成としてある。上記水素
透過膜としてパラジウム膜１４を使用する場合、該パラ
ジウム膜１４は水素存在下で３００℃以下では脆化する
ので、使用温度は３００〜５００℃とされている。
【０００６】上記高温シフトコンバータ２の冷却室１０
には天然ガスライン１７より天然ガスＮＧを導入するよ
うにして発熱反応であるシフト反応時の冷却に使用する
ようにし、該冷却室１０を出た天然ガスＮＧは天然ガス
ライン１７にて改質器１の改質室３に導入されて改質さ
れるようにすると共に、該改質器１の改質室３で改質さ
れた水素リッチな改質ガスＲＧが改質ガスライン１８よ
り熱交換器１９に導かれて高温シフトコンバータ２の作
動温度（触媒１１の使用温度）である３００〜５００℃
に調整されてから高温シフトコンバータ２のシフト反応
室１２に導入され、発熱反応によりシフト反応が行わ
れ、反応熱により高温になるが、冷却室１０により冷却
されて出口ガス温度が高温シフト触媒の最高使用温度と
なるようにしてある。２７は水蒸気を示す。
には天然ガスライン１７より天然ガスＮＧを導入するよ
うにして発熱反応であるシフト反応時の冷却に使用する
ようにし、該冷却室１０を出た天然ガスＮＧは天然ガス
ライン１７にて改質器１の改質室３に導入されて改質さ
れるようにすると共に、該改質器１の改質室３で改質さ
れた水素リッチな改質ガスＲＧが改質ガスライン１８よ
り熱交換器１９に導かれて高温シフトコンバータ２の作
動温度（触媒１１の使用温度）である３００〜５００℃
に調整されてから高温シフトコンバータ２のシフト反応
室１２に導入され、発熱反応によりシフト反応が行わ
れ、反応熱により高温になるが、冷却室１０により冷却
されて出口ガス温度が高温シフト触媒の最高使用温度と
なるようにしてある。２７は水蒸気を示す。
【０００７】上記提案されている水素製造設備では、プ
レート型の高温シフトコンバータ２や改質器１で純水素
を容易に製造することができて、高温シフトコンバータ
２や改質器１を水素製造装置として小スペースに設置す
ることができるものである。
レート型の高温シフトコンバータ２や改質器１で純水素
を容易に製造することができて、高温シフトコンバータ
２や改質器１を水素製造装置として小スペースに設置す
ることができるものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記高温シ
フトコンバータ２では、反応熱による温度上昇を抑える
ために冷却室１０が片側に設けてあるため、シフト反応
室１２の両側に水素ガス室１３を配置することができな
いという問題がある。
フトコンバータ２では、反応熱による温度上昇を抑える
ために冷却室１０が片側に設けてあるため、シフト反応
室１２の両側に水素ガス室１３を配置することができな
いという問題がある。
【０００９】そこで、本発明は、シフト反応室の片側に
冷却室を置かなくても出口ガス温度を高温シフト触媒の
最高使用温度程度にできるように、反応熱によりガス温
度が上昇するのを抑えるようにした水素製造用高温シフ
トコンバータ及びその運転方法を提供しようとするもの
である。
冷却室を置かなくても出口ガス温度を高温シフト触媒の
最高使用温度程度にできるように、反応熱によりガス温
度が上昇するのを抑えるようにした水素製造用高温シフ
トコンバータ及びその運転方法を提供しようとするもの
である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、高温シフト触媒を充填して改質ガスを流
してシフト反応を行わせるようにしたシフト反応室の両
側に、水素透過膜を多孔質板にコーティング又はメッキ
してなる隔壁を、シフト反応室を挟むように配して、そ
の外側に、プレート型の水素ガス室をそれぞれ積層して
なり、上記シフト反応室に改質ガスを流入させるように
した構成を有する水素製造用高温シフトコンバータとす
る。
決するために、高温シフト触媒を充填して改質ガスを流
してシフト反応を行わせるようにしたシフト反応室の両
側に、水素透過膜を多孔質板にコーティング又はメッキ
してなる隔壁を、シフト反応室を挟むように配して、そ
の外側に、プレート型の水素ガス室をそれぞれ積層して
なり、上記シフト反応室に改質ガスを流入させるように
した構成を有する水素製造用高温シフトコンバータとす
る。
【００１１】シフト反応室を両側から水素ガス室で挟む
ようにしたことから、両側から水素を取り出すことがで
きるようにして水素製造効率を高めることができる。
ようにしたことから、両側から水素を取り出すことがで
きるようにして水素製造効率を高めることができる。
【００１２】又、高温シフト触媒を充填して改質ガスを
流すようにしたシフト反応室の両側に、水素透過膜を多
孔質板にコーティング又はメッキしてなる隔壁を介して
プレート型の水素ガス室を積層してなる水素製造用高温
シフトコンバータにおける上記隔壁の水素透過膜の厚さ
及び面積を設定すると共に、改質ガスの組成、流量、圧
力を設定して、シフト反応室の入口ガス温度を仮定し、
しかる後、シフト反応、水素透過量を考慮した計算を行
うことによりシフト反応室の出口ガス温度を解析し、反
応熱により出口ガス温度が高温シフト触媒の最高使用温
度程度になるように入口ガス温度を変化させる計算を行
ってシフト反応室の入口ガス温度を求め、該求めた入口
ガス温度で改質ガスをシフト反応室に流入させるように
することにより、シフト反応室の片側に冷却室を置かな
くても、反応熱によりガス温度が上昇するのを抑えて出
口ガス温度を高温シフト触媒の最高使用温度程度にする
ことができるようになる。
流すようにしたシフト反応室の両側に、水素透過膜を多
孔質板にコーティング又はメッキしてなる隔壁を介して
プレート型の水素ガス室を積層してなる水素製造用高温
シフトコンバータにおける上記隔壁の水素透過膜の厚さ
及び面積を設定すると共に、改質ガスの組成、流量、圧
力を設定して、シフト反応室の入口ガス温度を仮定し、
しかる後、シフト反応、水素透過量を考慮した計算を行
うことによりシフト反応室の出口ガス温度を解析し、反
応熱により出口ガス温度が高温シフト触媒の最高使用温
度程度になるように入口ガス温度を変化させる計算を行
ってシフト反応室の入口ガス温度を求め、該求めた入口
ガス温度で改質ガスをシフト反応室に流入させるように
することにより、シフト反応室の片側に冷却室を置かな
くても、反応熱によりガス温度が上昇するのを抑えて出
口ガス温度を高温シフト触媒の最高使用温度程度にする
ことができるようになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。
を参照して説明する。
【００１４】図１は本発明の特徴をなす高温シフトコン
バータ２０を組み込んだ水素製造装置の実施の一形態を
示すもので、図４に示す水素製造装置と同様に、改質器
１で天然ガスＮＧを水蒸気改質して得られた水素リッチ
な改質ガスＲＧを高温シフトコンバータ２０でシフト反
応させた後、水素のみを分離させるようにしたものであ
る。
バータ２０を組み込んだ水素製造装置の実施の一形態を
示すもので、図４に示す水素製造装置と同様に、改質器
１で天然ガスＮＧを水蒸気改質して得られた水素リッチ
な改質ガスＲＧを高温シフトコンバータ２０でシフト反
応させた後、水素のみを分離させるようにしたものであ
る。
【００１５】本発明のプレート型の高温シフトコンバー
タ２０は、図１に示す如く、高温シフト触媒１１を充填
したシフト反応室１２の両側に、水素透過膜としてのパ
ラジウム膜又はパラジウム合金膜（以下、パラジウム膜
について示す。）１４を多孔質板の片面にコーティング
するか又はメッキしてなる隔壁１５を、シフト反応室１
２を挟むように配して、その外側に、プレート型の水素
ガス室１３をそれぞれ積層配置してなる構成としてあ
り、この高温シフトコンバータ２０を運転して水素を得
るために、図４に示したと同様な構成としてある改質器
１と、熱交換器１９のほかに、空気予熱器２３、燃焼器
２４、廃熱回収ボイラ２５を設置し、天然ガスＮＧを天
然ガス供給ブロワ２１で昇圧して熱交換器１９に天然ガ
スライン１７を通して導入した後に上記改質器１の改質
室３に導入するようにし、該改質器１の改質室３で改質
された水素リッチな改質ガスＲＧを、改質ガスライン１
８より上記熱交換器１９を通して降温させてから高温シ
フトコンバータ２０のシフト反応室１２に導入するよう
にし、該シフト反応室１２でのシフト反応により生じた
水素をパラジウム膜１４を表面に有する多孔質状の隔壁
１５を通して両側の各水素ガス室１３に透過させ、該各
水素ガス室１３から高純度の水素が得られるようにす
る。又、上記空気予熱器２３には、空気ブロワ２２によ
り圧縮した空気Ａを導いて予熱した後、燃焼器２４へ導
入して、ここで上記シフト反応室１２で水素が分離され
た残りの改質ガスＲＧと共に燃焼させ、その燃焼ガス１
６を改質器１の加熱室５に供給して、改質室３で起る吸
熱による改質反応の熱源とさせるようにし、該改質器１
の加熱室５を出た燃焼ガス１６を空気予熱器２３及び廃
熱回収ボイラ２５へ導いた後、大気へ放出させるように
し、一方、水Ｗをポンプ２６により廃熱回収ボイラ２５
へ送って水蒸気２７とし、得られた水蒸気２７を天然ガ
スライン１７の天然ガスＮＧに混合させて水蒸気改質を
行わせるようにしてある。
タ２０は、図１に示す如く、高温シフト触媒１１を充填
したシフト反応室１２の両側に、水素透過膜としてのパ
ラジウム膜又はパラジウム合金膜（以下、パラジウム膜
について示す。）１４を多孔質板の片面にコーティング
するか又はメッキしてなる隔壁１５を、シフト反応室１
２を挟むように配して、その外側に、プレート型の水素
ガス室１３をそれぞれ積層配置してなる構成としてあ
り、この高温シフトコンバータ２０を運転して水素を得
るために、図４に示したと同様な構成としてある改質器
１と、熱交換器１９のほかに、空気予熱器２３、燃焼器
２４、廃熱回収ボイラ２５を設置し、天然ガスＮＧを天
然ガス供給ブロワ２１で昇圧して熱交換器１９に天然ガ
スライン１７を通して導入した後に上記改質器１の改質
室３に導入するようにし、該改質器１の改質室３で改質
された水素リッチな改質ガスＲＧを、改質ガスライン１
８より上記熱交換器１９を通して降温させてから高温シ
フトコンバータ２０のシフト反応室１２に導入するよう
にし、該シフト反応室１２でのシフト反応により生じた
水素をパラジウム膜１４を表面に有する多孔質状の隔壁
１５を通して両側の各水素ガス室１３に透過させ、該各
水素ガス室１３から高純度の水素が得られるようにす
る。又、上記空気予熱器２３には、空気ブロワ２２によ
り圧縮した空気Ａを導いて予熱した後、燃焼器２４へ導
入して、ここで上記シフト反応室１２で水素が分離され
た残りの改質ガスＲＧと共に燃焼させ、その燃焼ガス１
６を改質器１の加熱室５に供給して、改質室３で起る吸
熱による改質反応の熱源とさせるようにし、該改質器１
の加熱室５を出た燃焼ガス１６を空気予熱器２３及び廃
熱回収ボイラ２５へ導いた後、大気へ放出させるように
し、一方、水Ｗをポンプ２６により廃熱回収ボイラ２５
へ送って水蒸気２７とし、得られた水蒸気２７を天然ガ
スライン１７の天然ガスＮＧに混合させて水蒸気改質を
行わせるようにしてある。
【００１６】本発明の高温シフトコンバータ２０は、シ
フト反応室１２の出口ガス温度が高温シフト触媒１１の
最高使用温度である５００℃程度に反応熱によりガス温
度が上昇するような入口ガス温度を求めて、その入口ガ
ス温度で改質ガスをシフト反応室１２に導入して運転さ
せるようにする。そのための入口ガス温度は次のように
して求めるようにする。先ず、上記水素透過膜としての
パラジウム膜１４の厚さ及び面積を設定すると共に、改
質ガスＲＧの組成、流量、圧力を設定して、シフト反応
室１２の入口ガス温度を仮定し、しかる後、シフト反
応、水素透過量を考慮した計算を行うことによりシフト
反応室１２の出口ガス温度を解析し、該出口ガス温度が
高温シフト触媒１１の最高使用温度（５００℃）程度と
なるように入口ガス温度を変化させる計算を行ってシフ
ト反応室１２の入口ガス温度を求めるようにする。この
ようにしてシフト反応室１２の入口ガス温度が求められ
ると、求められた入口ガス温度で改質ガスＲＧをシフト
反応室１２に流入させるようにする。
フト反応室１２の出口ガス温度が高温シフト触媒１１の
最高使用温度である５００℃程度に反応熱によりガス温
度が上昇するような入口ガス温度を求めて、その入口ガ
ス温度で改質ガスをシフト反応室１２に導入して運転さ
せるようにする。そのための入口ガス温度は次のように
して求めるようにする。先ず、上記水素透過膜としての
パラジウム膜１４の厚さ及び面積を設定すると共に、改
質ガスＲＧの組成、流量、圧力を設定して、シフト反応
室１２の入口ガス温度を仮定し、しかる後、シフト反
応、水素透過量を考慮した計算を行うことによりシフト
反応室１２の出口ガス温度を解析し、該出口ガス温度が
高温シフト触媒１１の最高使用温度（５００℃）程度と
なるように入口ガス温度を変化させる計算を行ってシフ
ト反応室１２の入口ガス温度を求めるようにする。この
ようにしてシフト反応室１２の入口ガス温度が求められ
ると、求められた入口ガス温度で改質ガスＲＧをシフト
反応室１２に流入させるようにする。
【００１７】上記水素透過量は、 Ｑ＝Ａｅｘｐ（−Ｂ／ＲＴ）（１／ｔ）Ａ１（√
（Ｐ１）−√（Ｐ２）） ここで、Ｑ：水素透過量 Ａ、Ｂ：定数 Ｒ：ガス定数 Ｔ：温度 ｔ：膜厚 Ａ１：面積 Ｐ１：原料側水素分圧 Ｐ２：透過側水素分圧 として求めることができる。
（Ｐ１）−√（Ｐ２）） ここで、Ｑ：水素透過量 Ａ、Ｂ：定数 Ｒ：ガス定数 Ｔ：温度 ｔ：膜厚 Ａ１：面積 Ｐ１：原料側水素分圧 Ｐ２：透過側水素分圧 として求めることができる。
【００１８】たとえば、シフト反応室１２の出口ガス温
度を５００℃に設定した場合は、反応熱によりガス温度
の上昇分を見て入口ガス温度を４００℃とするように制
御させるようにする。この場合、各部の温度状況は図２
に一例を示す如くであり、２０℃の天然ガスＮＧを天然
ガス供給ブロワ２１で昇圧して１５７℃まで昇温させた
後、天然ガスＮＧと水蒸気２７の混合ガスにすることに
より１５２℃として熱交換器１９に導入し、４８７℃ま
で加熱してから改質器１の改質室３に供給する。改質室
３では、加熱室５に導入された７５０℃の燃焼ガス１６
の熱を隔壁７より伝熱して、 ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ の反応が行われて、一酸化炭素と水素が生成される。こ
の改質ガスＲＧの温度は７２０℃位あるが、高温シフト
コンバータ２０の作動温度は、３００〜５００℃である
ので、上記改質ガスＲＧを熱交換器１９にて４００℃位
まで冷却させるようにし、その温度で改質ガスＲＧをシ
フト反応室１２へ導入させるようにする。水素透過膜と
してのパラジウム膜１４の使用温度範囲は、前記したよ
うに３００〜５００℃であるが、高温シフトコンバータ
２０の作動温度と一致しているので、高温シフトコンバ
ータ２０は本来の作動温度で運転できてパラジウム膜１
４を劣化させることがない。シフト反応室１２では、発
熱反応により、 ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ の反応が行われ、一酸化炭素が除去されて炭酸ガスと水
素が得られるが、同時に隔壁１５表面のパラジウム膜１
４を利用して水素のみの分離が行われ、多孔質板を通り
高純度の水素Ｈ２が水素ガス室１３に流出する。
度を５００℃に設定した場合は、反応熱によりガス温度
の上昇分を見て入口ガス温度を４００℃とするように制
御させるようにする。この場合、各部の温度状況は図２
に一例を示す如くであり、２０℃の天然ガスＮＧを天然
ガス供給ブロワ２１で昇圧して１５７℃まで昇温させた
後、天然ガスＮＧと水蒸気２７の混合ガスにすることに
より１５２℃として熱交換器１９に導入し、４８７℃ま
で加熱してから改質器１の改質室３に供給する。改質室
３では、加熱室５に導入された７５０℃の燃焼ガス１６
の熱を隔壁７より伝熱して、 ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ の反応が行われて、一酸化炭素と水素が生成される。こ
の改質ガスＲＧの温度は７２０℃位あるが、高温シフト
コンバータ２０の作動温度は、３００〜５００℃である
ので、上記改質ガスＲＧを熱交換器１９にて４００℃位
まで冷却させるようにし、その温度で改質ガスＲＧをシ
フト反応室１２へ導入させるようにする。水素透過膜と
してのパラジウム膜１４の使用温度範囲は、前記したよ
うに３００〜５００℃であるが、高温シフトコンバータ
２０の作動温度と一致しているので、高温シフトコンバ
ータ２０は本来の作動温度で運転できてパラジウム膜１
４を劣化させることがない。シフト反応室１２では、発
熱反応により、 ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ の反応が行われ、一酸化炭素が除去されて炭酸ガスと水
素が得られるが、同時に隔壁１５表面のパラジウム膜１
４を利用して水素のみの分離が行われ、多孔質板を通り
高純度の水素Ｈ２が水素ガス室１３に流出する。
【００１９】高温シフトコンバータ２０のシフト反応室
１２で水素分離された残りの改質ガスは、設定温度であ
る５００℃として排出される。この際、改質ガス中に
は、Ｈ ２の他にシフト反応されなかった一部のＣＯや一
部未改質のＣＨ４が含まれるので、燃焼器２４で燃焼し
て改質器１の熱源として活用されることになる。
１２で水素分離された残りの改質ガスは、設定温度であ
る５００℃として排出される。この際、改質ガス中に
は、Ｈ ２の他にシフト反応されなかった一部のＣＯや一
部未改質のＣＨ４が含まれるので、燃焼器２４で燃焼し
て改質器１の熱源として活用されることになる。
【００２０】因に、上記シフト反応室１２でのシフト反
応で生じた水素のみがパラジウム膜１４を透過して分離
される原理は、次のようになっている。
応で生じた水素のみがパラジウム膜１４を透過して分離
される原理は、次のようになっている。
【００２１】水素分子がパラジウム膜に吸着する。 吸着水素分子が水素原子に解離する。 水素原子がイオン化し、プロトンとエレクトロンに分
かれる。 プロトンがパラジウムの表面から裏面へ拡散する。 裏面へ到達したプロトンがパラジウム膜面でエレクト
ロンと再結合して水素原子となる。 水素原子が結合して水素分子となる。 水素分子がパラジウム膜より離脱する。
かれる。 プロトンがパラジウムの表面から裏面へ拡散する。 裏面へ到達したプロトンがパラジウム膜面でエレクト
ロンと再結合して水素原子となる。 水素原子が結合して水素分子となる。 水素分子がパラジウム膜より離脱する。
【００２２】このようにプロトン状態となり得る水素の
みがパラジウム膜１４を透過するものであり、このよう
な状態となり得ない不純物はパラジウム膜１４を透過す
ることはないので、純度の高い水素を精製することがで
きる。
みがパラジウム膜１４を透過するものであり、このよう
な状態となり得ない不純物はパラジウム膜１４を透過す
ることはないので、純度の高い水素を精製することがで
きる。
【００２３】本発明では、高温シフトコンバータ２０の
シフト反応室１２の出口ガス温度が高温シフト触媒１１
の最高使用温度程度となるように入口ガス温度を求め
て、その温度でシフト反応室１２に改質ガスＲＧを流す
ようにするので、図４に示すような冷却室１０をシフト
反応室１２の片側に設置することを不要とすることがで
き、したがって、シフト反応室１２の両側に水素ガス室
１３を配置することができて水素分離効率をあげて、効
率よく水素を製造することができる。
シフト反応室１２の出口ガス温度が高温シフト触媒１１
の最高使用温度程度となるように入口ガス温度を求め
て、その温度でシフト反応室１２に改質ガスＲＧを流す
ようにするので、図４に示すような冷却室１０をシフト
反応室１２の片側に設置することを不要とすることがで
き、したがって、シフト反応室１２の両側に水素ガス室
１３を配置することができて水素分離効率をあげて、効
率よく水素を製造することができる。
【００２４】次に、図３は本発明の実施の他の形態を示
すもので、改質器１に代えて、内部に改質室３０、加熱
室３１のほかに改質ガスＲＧを冷却するための冷却室
（熱交換室）３２を設けた改質器２９を用い、天然ガス
ＮＧを天然ガスライン１７により熱交換室１９を通して
昇温させてから改質器２９の改質室３０に導入するよう
にし、該改質器２９の改質室３０で改質された改質ガス
ＲＧを冷却室３２で冷却した後に高温シフトコンバータ
２０のシフト反応室１２に導入するようにして、水素透
過とシフト反応を同時に行わせるようにし、未透過の改
質ガスは燃焼器２４によって燃焼させ、改質器２９の加
熱室３１に導入して改質反応の熱源とさせるようにし、
又、加熱室３１を出たガスは、熱交換器１９で天然ガス
ＮＧと水蒸気２７の混合ガスと熱交換させた後、空気予
熱器２３を通して空気Ａの予熱に用いてから、廃熱回収
ボイラ２５によって水蒸気発生の熱源として使用させる
ようにしたものである。なお、図１と同一部分には同一
符号が付してある。
すもので、改質器１に代えて、内部に改質室３０、加熱
室３１のほかに改質ガスＲＧを冷却するための冷却室
（熱交換室）３２を設けた改質器２９を用い、天然ガス
ＮＧを天然ガスライン１７により熱交換室１９を通して
昇温させてから改質器２９の改質室３０に導入するよう
にし、該改質器２９の改質室３０で改質された改質ガス
ＲＧを冷却室３２で冷却した後に高温シフトコンバータ
２０のシフト反応室１２に導入するようにして、水素透
過とシフト反応を同時に行わせるようにし、未透過の改
質ガスは燃焼器２４によって燃焼させ、改質器２９の加
熱室３１に導入して改質反応の熱源とさせるようにし、
又、加熱室３１を出たガスは、熱交換器１９で天然ガス
ＮＧと水蒸気２７の混合ガスと熱交換させた後、空気予
熱器２３を通して空気Ａの予熱に用いてから、廃熱回収
ボイラ２５によって水蒸気発生の熱源として使用させる
ようにしたものである。なお、図１と同一部分には同一
符号が付してある。
【００２５】図３に示す水素製造装置において高温シフ
トコンバータ２０の運転を行う場合も、図１に示したと
同様な運転方法を実施することにより、高温シフトコン
バータ２０のシフト反応室１２の片側に冷却室を置かな
くても、反応熱によりガス温度が上昇するのを抑えて出
口ガス温度を高温シフト触媒１１の最高使用温度程にす
ることができる。
トコンバータ２０の運転を行う場合も、図１に示したと
同様な運転方法を実施することにより、高温シフトコン
バータ２０のシフト反応室１２の片側に冷却室を置かな
くても、反応熱によりガス温度が上昇するのを抑えて出
口ガス温度を高温シフト触媒１１の最高使用温度程にす
ることができる。
【００２６】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明の水素製造用高
温シフトコンバータによれば、高温シフト触媒を充填し
て改質ガスを流してシフト反応を行わせるようにしたシ
フト反応室の両側に、水素透過膜を多孔質板にコーティ
ング又はメッキしてなる隔壁を、シフト反応室を挟むよ
うに配して、その外側に、プレート型の水素ガス室をそ
れぞれ積層してなり、上記シフト反応室に改質ガスを流
入させるようにした構成としてあるので、従来シフト反
応室の片側に配設してあった冷却室を不要とすることが
できて、シフト反応室の両側に水素ガス室を積層するこ
とができ、コンパクトにできると共に、水素を分離して
取り出す効率をあげることができ、又、上記シフト反応
室の出口ガス温度から入口ガス温度を求めるに際して、
先ず、水素透過膜の厚さ及び面積を設定すると共に、改
質ガスの組成、流量、圧力を設定して、シフト反応室の
入口ガス温度を仮定し、しかる後、シフト反応、水素透
過量を考慮した計算を行うことによりシフト反応室の出
口ガス温度を解析し、反応熱により出口ガス温度が高温
シフト触媒の最高使用温度程度となるように入口ガス温
度を変化させる計算を行ってシフト反応室の入口ガス温
度を求めるようにし、該求めた入口ガス温度で改質ガス
をシフト反応室に流入させるようにすることにより、シ
フト反応室の片側に冷却室を置かなくても反応熱により
ガス温度が上昇するのを抑えることができて、出口ガス
温度を高温シフト触媒の最高使用温度程度にすることが
できる、という優れた効果を発揮する。
温シフトコンバータによれば、高温シフト触媒を充填し
て改質ガスを流してシフト反応を行わせるようにしたシ
フト反応室の両側に、水素透過膜を多孔質板にコーティ
ング又はメッキしてなる隔壁を、シフト反応室を挟むよ
うに配して、その外側に、プレート型の水素ガス室をそ
れぞれ積層してなり、上記シフト反応室に改質ガスを流
入させるようにした構成としてあるので、従来シフト反
応室の片側に配設してあった冷却室を不要とすることが
できて、シフト反応室の両側に水素ガス室を積層するこ
とができ、コンパクトにできると共に、水素を分離して
取り出す効率をあげることができ、又、上記シフト反応
室の出口ガス温度から入口ガス温度を求めるに際して、
先ず、水素透過膜の厚さ及び面積を設定すると共に、改
質ガスの組成、流量、圧力を設定して、シフト反応室の
入口ガス温度を仮定し、しかる後、シフト反応、水素透
過量を考慮した計算を行うことによりシフト反応室の出
口ガス温度を解析し、反応熱により出口ガス温度が高温
シフト触媒の最高使用温度程度となるように入口ガス温
度を変化させる計算を行ってシフト反応室の入口ガス温
度を求めるようにし、該求めた入口ガス温度で改質ガス
をシフト反応室に流入させるようにすることにより、シ
フト反応室の片側に冷却室を置かなくても反応熱により
ガス温度が上昇するのを抑えることができて、出口ガス
温度を高温シフト触媒の最高使用温度程度にすることが
できる、という優れた効果を発揮する。
【図１】本発明の水素製造用高温シフトコンバータの実
施の一形態を示す水素製造装置の概要図である。
施の一形態を示す水素製造装置の概要図である。
【図２】図１の水素製造装置において高温シフトコンバ
ータを運転する際の各部の温度状況を示す一例図であ
る。
ータを運転する際の各部の温度状況を示す一例図であ
る。
【図３】本発明の他の実施の形態を示す概要図である。
【図４】水素製造装置の一例を示す概要図である。
１ 改質器 １１ 高温シフト触媒 １２ シフト反応室 １３ 水素ガス室 １４ パラジウム膜（水素透過膜） １５ 隔壁 ２０ 高温シフトコンバータ ２９ 改質器 ＮＧ 天然ガス ＲＧ 改質ガス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4D006 GA41 GA42 HA41 KE16P KE16Q MA03 MA06 MB04 MC02 MC90 PA03 PB18 PB66 PC80 4G040 EA02 EA03 EA06 EB18 EB32 EB33 EB46 FA02 FB04 FB05 FC01 FE01
Claims (2)
- 【請求項１】 高温シフト触媒を充填して改質ガスを流
してシフト反応を行わせるようにしたシフト反応室の両
側に、水素透過膜を多孔質板にコーティング又はメッキ
してなる隔壁を、シフト反応室を挟むように配して、そ
の外側に、プレート型の水素ガス室をそれぞれ積層して
なり、上記シフト反応室に改質ガスを流入させるように
したことを特徴とする水素製造用高温シフトコンバー
タ。 - 【請求項２】 高温シフト触媒を充填して改質ガスを流
すようにしたシフト反応室の両側に、水素透過膜を多孔
質板にコーティング又はメッキしてなる隔壁を介してプ
レート型の水素ガス室を積層してなる水素製造用高温シ
フトコンバータにおける上記隔壁の水素透過膜の厚さ及
び面積を設定すると共に、改質ガスの組成、流量、圧力
を設定して、シフト反応室の入口ガス温度を仮定し、し
かる後、シフト反応、水素透過量を考慮した計算を行う
ことによりシフト反応室の出口ガス温度を解析し、反応
熱により出口ガス温度が高温シフト触媒の最高使用温度
程度になるように入口ガス温度を変化させる計算を行っ
てシフト反応室の入口ガス温度を求め、該求めた入口ガ
ス温度で改質ガスをシフト反応室に流入させるようにす
ることを特徴とする水素製造用高温シフトコンバータの
運転方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32706099A JP4385456B2 (ja) | 1999-11-17 | 1999-11-17 | 水素製造用高温シフトコンバータ及びその運転方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32706099A JP4385456B2 (ja) | 1999-11-17 | 1999-11-17 | 水素製造用高温シフトコンバータ及びその運転方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001146402A true JP2001146402A (ja) | 2001-05-29 |
| JP4385456B2 JP4385456B2 (ja) | 2009-12-16 |
Family
ID=18194862
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32706099A Expired - Fee Related JP4385456B2 (ja) | 1999-11-17 | 1999-11-17 | 水素製造用高温シフトコンバータ及びその運転方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4385456B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007029780A1 (ja) * | 2005-09-07 | 2007-03-15 | Ngk Insulators, Ltd. | シフト反応用膜型反応器 |
| JP2011093719A (ja) * | 2009-10-27 | 2011-05-12 | Tokyo Gas Co Ltd | 水素製造・利用方法 |
| JP2014015341A (ja) * | 2012-07-06 | 2014-01-30 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | アンモニア及びメタノールの製造システム |
-
1999
- 1999-11-17 JP JP32706099A patent/JP4385456B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007029780A1 (ja) * | 2005-09-07 | 2007-03-15 | Ngk Insulators, Ltd. | シフト反応用膜型反応器 |
| JP2007070165A (ja) * | 2005-09-07 | 2007-03-22 | Ngk Insulators Ltd | シフト反応用膜型反応器 |
| JP2011093719A (ja) * | 2009-10-27 | 2011-05-12 | Tokyo Gas Co Ltd | 水素製造・利用方法 |
| JP2014015341A (ja) * | 2012-07-06 | 2014-01-30 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | アンモニア及びメタノールの製造システム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4385456B2 (ja) | 2009-12-16 |
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