JP2001335302A - 鎖式炭化水素のスチームリフォーミング方法及びそのための装置 - Google Patents
鎖式炭化水素のスチームリフォーミング方法及びそのための装置Info
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Abstract
が起きず、従来法よりも低温、低圧で実施することがで
き、触媒を用いなくても実施することができる、新規な
スチームリフォーミング方法を提供すること。 【解決手段】 気体状の鎖式炭化水素と水蒸気とを含む
混合ガス中で直流パルス放電を行って鎖式炭化水素と水
蒸気を反応させ、水素と一酸化炭素を生成させる。
Description
チームリフォーミング方法に関する。
とも呼ばれ、炭化水素と水蒸気の反応によって水素と一
酸化炭素を製造する方法である。スチームリフォーミン
グの一般的な化学反応式は次の通りである。
素と一酸化炭素の混合ガス(「合成ガス」と呼ばれる)
は、いわゆるC1ケミストリーと呼ばれるジャンルの基
幹をなす重要な工業原料であり、メタノール合成、ジメ
チルエーテルの合成原料として用いられ、また、ガソリ
ン製造等に利用されるフィッシャー・トロプシュ反応の
原料として用いられている。
は、アルミナを担体としてニッケル触媒を用いて、70
0〜830℃、15〜40気圧程度の高温高圧条件下で
行われている。
スチームリフォーミング方法では、一酸化炭素への選択
率(すなわち、原料の炭化水素を構成する炭素原子のう
ち、一酸化炭素中の炭素原子となるものの割合)が比較
的低く、種々の副反応が生じ、生じた副生成物によって
反応管が閉塞したり触媒が劣化したりする問題がある。
また、高温高圧で反応を行うため、高温高圧に耐え得る
堅牢な反応装置を用いる必要があり、さらに、高温高圧
条件を実現するためのエネルギーコストもかかる。
選択率が高く、雑多な副反応が起きず、従来法よりも低
温、低圧で実施することができ、触媒を用いなくても実
施することができる、新規なスチームリフォーミング方
法を提供することである。
究の結果、鎖式炭化水素と水蒸気との混合ガス中で直流
パルス放電を行うことにより、従来法よりもはるかに低
温で、常圧で、水素と一酸化炭素が生成し、しかも、一
酸化炭素への選択率が高く、雑多な副反応が起きず、か
つ、炭化水素の転化率も高いことを見出し、本発明を完
成した。
素と水蒸気とを含む混合ガス中で直流パルス放電を行っ
て鎖式炭化水素と水蒸気を反応させ、水素と一酸化炭素
を生成させることを含む鎖式炭化水素のスチームリフォ
ーミング方法を提供する。また、本発明は、反応器と、
該反応器内に収容された一対の電極と、該一対の電極に
直流電圧を印加する直流電源とを具備する、上記本発明
のスチームリフォーミング方法を行うための装置を提供
する。
方法の原料として用いられる鎖式炭化水素は、鎖式炭化
水素であれば特に限定されないが、比較的低温で気体と
なる炭素数1〜10の炭化水素、特に炭素数1〜10の
アルカンが好ましい。炭化水素は、直鎖状でも分枝状で
もよい。鎖式炭化水素は、精製又は部分精製されたもの
(例えば市販のプロパンガス(プロピレンを含んでいて
もよい)やブタンガス(ブチレンを含んでいてもよい)
等)でもよいし、メタンを多く含む天然ガスや、ペンタ
ン及びヘキサンを多く含む石油ナフサのような、鎖式炭
化水素を含む天然の原料をそのまま本発明の方法の原料
として利用することもできる。
電流を流すことであり、パルス電源を用いて行ってもよ
いが、電極間に一定の電圧をかけ、自励的にパルス放電
を行わせる自励パルス放電が好ましい。この場合、1秒
間当たりのパルス放電の回数(以下、「パルス発生頻
度」と言うことがある)は、5回〜500回程度が好ま
しく、さらには20〜200回程度が好ましい。パルス
発生頻度は、一定電圧の下では電流が高くなるほど多く
なり、また、電極間距離が長くなるほど少なくなる。従
って、好ましい電圧、電流及び電極間距離は、上記のパ
ルス発生頻度が達成されるように電圧、電流及び電極間
距離を調節することにより自ずから設定される。例とし
て、下記実施例で用いているような、内径4.0 mm程度の
小型の反応容器を用いる場合には、印加電圧は1.5 kV〜
6.0 kV程度、電極間距離は0.5 mm〜10 mm程度が好まし
い。もちろん、電極間距離や印加電圧はこの範囲に限定
されるものではなく、より製造能力の大きな大型の装置
が望まれる場合には、電極間距離を長くし、上記パルス
発生頻度を達成するためにその分、印加電圧及び電流を
大きくすることにより、装置をより大型化することが可
能である。なお、本発明の方法で、リフォーミング反応
が起きるのは、放電電流、すなわち電子線が照射される
ことによりラジカルが生じ、このラジカルが反応を引き
起こすものと考えられる。従って、放電電流を大きくす
るほど、また、電極間距離を大きくするほど、電子線と
衝突する分子の数が増えるので、反応速度が高くなり、
また、単位時間内での転化率が高くなる。
だけ低温で行う方が、エネルギーコストが安く、また、
副反応も起きにくいことから、原料となる鎖式炭化水素
及び水の両者の沸点よりも高い温度範囲内でできるだけ
低い温度が好ましい。従って、鎖式炭化水素がアルカン
の場合、炭素数7のヘプタンまでは、水の方が沸点が高
いので、常圧で反応を行う場合、反応温度は、101℃〜1
30℃程度が好ましい。原料のアルカンの沸点が水よりも
高い場合には、その沸点を少し上回る程度の温度が好ま
しく、例えば、デカンの場合には、170℃〜180℃程度が
好ましい。なお、水蒸気は、濃縮される傾向があるた
め、炭化水素の沸点が水よりも低い場合、水蒸気とを含
む混合ガスを予め130〜150℃程度の、反応温度よ
りも高い温度で前加熱した後、反応容器に供給すること
が好ましい。
ず、例えば0.1気圧〜10気圧程度で行うことができる
が、反応は常圧で十分に進行するので、堅牢な反応装置
を必要としない、常圧で行うことが産業上特に有利であ
る。また、不純物を含む天然ガスや石油ナフサ等の天然
の原料を用いる場合でも常圧で反応を行うことができ
る。水蒸気と鎖式炭化水素との混合比率は、化学量論量
でよいが、所望により、一方の物質を化学量論量の1/2
〜2倍程度に増減させることも可能である。例えば、水
蒸気の分圧を化学量論量よりも高くすると、一酸化炭素
への選択率が高くなる(ただし、原料の転化率は低下す
る)。
できるが、産業的には連続式で行うことが好ましい。連
続式で行う場合、下記実施例に記載のように、内部に放
電電極を備えた反応管に連続的に鎖式炭化水素と水蒸気
とを供給することが好ましい。連続式の場合、原料の供
給速度は、反応管の出口から排出されるガスを分析し
て、原料の転化率が所望の一定値以上、例えば60%以
上となるように適宜設定することが可能である。下記実
施例で行ったような、内径4.0 mmの反応管を用い、電極
間距離を0.5 mm〜10 mm程度、印加電圧を1.5〜6.0 kV程
度にした場合、炭化水素と水蒸気の混合ガスの供給流量
は、10〜60 ml/分程度、さらには15〜30ml/分程度が適
当である。
蒸気が反応して、上記化学反応式に従い、水素と一酸化
炭素が主として生成される。副反応としては、炭化水素
が分解されてアセチレンを主とするC2化合物と水素が
生じる反応があるが、この副反応以外にはほとんど副反
応が起きない。すなわち、純粋な鎖式炭化水素を原料と
して用いた場合、水素、一酸化炭素及びC2化合物以外
の化合物はほとんど生成されない。副反応により生じる
水素は、合成ガスの成分でもあり、水素リッチな合成ガ
スは、むしろ産業上の有用性が高いから、副反応により
生じる水素はそのまま合成ガスに含めて利用できる。ま
た、アセチレン等のC2化合物も工業原料として広く用
いられているものであり、これも工業的に利用できる。
得られた生成物ガスは別段の精製工程を行わずとも産業
上の有用性の高いものである。得られた合成ガスを副生
成物であるアセチレンから分離することが望まれる場合
には、これは、公知の方法、例えば、分子量が200程度
の炭化水素油中に吸収させることにより炭化水素のみを
吸収させるといった方法や、圧力スイング吸着をおこな
わせるPSA(Pressure Swing Adsorption)といった方法に
より行うことができる。また、水素、一酸化炭素及びC
2化合物以外の生成物がほとんど生じないので、副生成
物による反応管の閉塞等の問題が起きない。
炭素への選択率が約45%以上、とりわけ65%以上と
高く、また、炭化水素の転化率も80%以上と高い。従
って、本発明の方法は、合成ガスの製造方法として優れ
ている。さらに、上記の反応は、触媒の非存在下におい
て十分に進行するということも本発明の大きな利点の1
つである。触媒を用いないので、触媒活性の低下による
反応速度の低下の問題は起きない。また、副反応が上記
の通り、ほとんど1種類しか起きないという利点も、触
媒を用いないことにも起因するものと考えられる。もっ
とも、本発明の方法において、従来法と同様なアルミナ
を担体とするニッケル触媒等を併用することも可能であ
り、その場合にも、反応が従来法よりも遙かに低温、低
圧であるので、触媒活性の低下や副反応の発生は、従来
法に比べて遙かに少なくなると考えられる。
製造方法として優れているが、水蒸気を用いてリフォー
ミングを行っているため、生成物中の水素ガスの比率が
必然的に高くなる。従って、本発明の方法を、水素ガス
の製造に有利に適用することができる。水素ガスの製造
を目的とする場合には、生成した一酸化炭素をさらに水
蒸気と反応させて水素ガスと二酸化炭素を生成させる、
いわゆる水性ガスシフト反応をさらに行うことにより、
さらに効率を上げることができる。水性ガスシフト反応
自体はこの分野において周知であり、本発明の方法に追
加する場合でも、周知の方法で行うことができる。水性
ガスシフト反応は、低温、常圧で進行するので、例え
ば、水性ガスシフト反応用の触媒、例えば酸化亜鉛−酸
化銅系固体触媒を反応管の出口に充填することにより、
生成した一酸化炭素は水蒸気とさらに反応して二酸化炭
素と水素になり、水素の製造効率をさらに大幅に高める
ことができる。とりわけ、炭素数の多い炭化水素を用い
ると、炭化水素1分子当たりの生成水素ガス量が多くな
る。例えば、デカンの場合、デカン1分子から31倍量
の水素ガスが得られる。
水素ガスが得られ、すなわち、応答が速く、かつ、低
温、常圧で水素ガスを連続的に製造することができるの
で、本発明により、小型で可搬の水素製造装置を実現す
ることが可能になる。このような水素製造装置は、自動
車等に搭載して、燃料電池用水素供給装置として利用す
ることも可能である。
説明する。もっとも、本発明は下記実施例に限定される
ものではない。
置は、反応管となる石英管10を具備する。石英管10
は、外径6.0 mm、内径4.0 mm、長さ200mmであった。石
英管10内には1対の電極12、14が対向して設けら
れており、電極12、14間は放電領域16となる。各
電極は、石英管外にまで延びており、電極12には負高
電圧電源18が接続され、負高電圧電源18と電極12
の間にはデジタルオシロスコープ20が接続されてい
る。電極14は、石英管10の外側でアースされる。石
英管10の入口側には、三方口が接続され、側方に向い
ている2つの口には電極12が貫通しており、上方に向
いている1つの口(ガス入口)には混合ガス供給部22
が接続されている。混合ガス供給部22は、石英ウール
24が充填された管26と、管26のうち石英ウール2
4が充填されている領域を囲包するプレヒーター28
と、石英ウール24内に一端が開口し、他端が、管26
の上方外側に開口している水蒸気供給管30と、石英ウ
ール24内に一端が挿入された熱電対32と、管26の
上部で側方に枝分かれした管から成る炭化水素供給管3
4とを含む。炭化水素供給管34の入口側は、三方口が
接続され、側方に向いている2つの口には熱電対に接続
される導線が貫通しており、下側に向いている1つの口
から炭化水素が供給される。また、石英管10の出口側
にも、三方口が接続され、側方に向いている2つの口に
は電極14が貫通しており、上向きの1つの口(ガス出
口)から生成ガスが取り出される。なお、電極12と1
4の間の距離は、任意に調節可能である。
グ 実施例1で作製した反応装置の電極間距離を4.9 mmに
し、水蒸気を水蒸気供給管30から供給し、メタンガス
を炭化水素供給管34から供給した。水蒸気とメタンガ
スの供給比率は、1:1(分圧比)であった。混合ガス
をプレヒーター28で140℃に加熱し、石英管10の
入口から供給した。混合ガスの供給速度は、20 ml/分で
あった。この時の石英管10中の放電領域16の温度
(反応温度)は120℃であり、反応圧力は常圧であっ
た。負電圧電源18から2.0 kVの負電圧を電極12に印
加した。電極14は、アースされている。2.0 kVの電圧
を印加すると、電極間に自励パルス放電が起き、電流量
は7 mAであった。デジタルオシロスコープ20により、
自励パルスのパルス発生頻度を測定した。また、生成ガ
スの組成をガスクロマトグラフィーにより分析した。
酸化炭素選択率約70%で、水素/CO比4.4の合成ガス
が生成された。また、この時のパルス発生頻度は、18
0回/秒であった。
ング 供給する炭化水素ガスをプロパンガスとし、電極間距離
を3.5 mm、印加電圧を3 kVとすることを除き、実施例2
と同じ操作を行った。電流量は7.5 mAであり、パルス発
生頻度は150回/分であった。
炭素選択率45%、水素/CO比3.1で合成ガスが生成され
た。この場合の水素収率(対プロパン比)は370%であっ
た。
高く、雑多な副反応が起きず、従来法よりも低温、低圧
で実施することができ、触媒を用いなくても実施するこ
とができる、スチームリフォーミング方法が提供され
た。本発明の方法によれば、一酸化炭素への選択率が高
く、雑多な副反応が起きないので、生成された合成ガス
はそのままでも工業的に利用可能であり、副産物である
アセチレンとの分離が所望される場合でも、従来法に比
べて容易に精製可能である。さらに、触媒を用いない
か、又は触媒を併用する場合でも低温であるので、触媒
の劣化の問題も起きない。さらに、低温、常圧で反応を
実施することができるので、堅牢な反応装置が不要であ
り、小型、可搬の反応装置とすることができる。さら
に、水性ガスシフト反応を併用すれば、効率良く水素ガ
スを製造することができ、小型、可搬の水素ガス製造装
置を提供することも可能となる。
的に示す図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 気体状の鎖式炭化水素と水蒸気とを含む
混合ガス中で直流パルス放電を行って鎖式炭化水素と水
蒸気を反応させ、水素と一酸化炭素を生成させることを
含む鎖式炭化水素のスチームリフォーミング方法。 - 【請求項2】 前記直流パルス放電は、自励パルス放電
である請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 前記直流パルス放電の1秒間当たりのパ
ルス数が5回〜500回である請求項1又は2記載の方
法。 - 【請求項4】 前記混合ガス中の水蒸気と鎖式炭化水素
の分圧の比率は、水蒸気1に対して鎖式炭化水素が0.1
〜1である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方
法。 - 【請求項5】 触媒の非存在下で行う請求項1ないし4
のいずれか1項記載の方法。 - 【請求項6】 前記鎖式炭化水素と水蒸気を連続的に供
給する連続法により行う請求項1ないし5のいずれか1
項に記載の方法。 - 【請求項7】 前記鎖式炭化水素は、炭素数1ないし1
0のアルカンである請求項1ないし6のいずれか1項に
記載の方法。 - 【請求項8】 反応器と、該反応器内に収容された一対
の電極と、該一対の電極に直流電圧を印加する直流電源
とを具備する、請求項1記載のスチームリフォーミング
方法を行うための装置。 - 【請求項9】 前記反応器は、気体状の鎖式炭化水素と
水蒸気とを含む混合ガスを連続的に供給できるガス入口
と、反応生成ガスを連続的に排出できるガス出口とを具
備する請求項8記載の装置。 - 【請求項10】 前記ガス出口近傍に、水性ガスシフト
反応用触媒を具備する請求項9記載の装置。
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