JP2002003207A - 水素リッチガスを製造する方法 - Google Patents

水素リッチガスを製造する方法

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ペーター・レールマン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温、好ましくは400℃〜850℃の温度
で塩基性の金属酸化物触媒と水蒸気改質装置からの流出
ガスを接触させることによって、慣用の鉄−クロム高温
シフト反応触媒との接触で達成されるよりも炭化水素副
生成物の生成を著しく少なくして、水素リッチガスを製
造する方法の提供。 【解決手段】 この方法は、上記触媒が塩基性酸化物を
生成することのできる元素Mg、Mn、Al、Zr、L
a、Ce、PrおよびをNdの1種類以上またはそれら
の混合物を含有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、少なくとも400℃の
温度で実施される水性ガスシフト反応に関する。
【0002】
【発明の背景】水性ガスシフト反応(略して:シフト反
応)は次の気相平衡反応である: CO(g)+H2 O(g)=CO2 (g)+H2 (g) 反応平衡は、合成ガスに関連するあらゆる方法、即ち、
水蒸気改質、アンモニア合成、水素および合成ガスの製
造等にとって中心的な重要性がある。それ故に水蒸気改
質法からの流出流はシフト反応を促進させる触媒と該流
出流とを接触させることによって水素を豊富化させ得
る。
【0003】
【発明の背景】シフト反応は発熱的であり、低温がCO
−転化に有利である。それ故に、ガスが十分な活性のシ
フト触媒に接触するならば、温度が低ければ低い程、合
成ガスがCO2 +H2 の方にますます移動するであろ
う。シフト反応を300℃以下で実施する(一般に18
0〜300℃:低温シフト)のと、300℃以上で実施
する(一般に300〜500℃、高温シフト)のとで一
般に区別が行なわれている。温度が低ければ低い程、ま
すます高いCO−転化率が達成される。一方、比較的高
い温度でCOの一部を転化し、ガスが冷却された時に、
平衡に更に近づけることおよび過熱水蒸気を生じるのに
十分な高さの温度で反応熱を回収することを可能とする
のが有益である。これらの理由のために、水素を生成お
よび/または利用する多くの工業用プラントでは、大規
模なCO−転化反応および過熱水蒸気の生成のための高
温シフト反応装置に続いて更に完全なCO−転化を保証
するために低温シフト反応装置を使用して一般に実施し
ている。
【0004】水蒸気改質法の流出流が一般に該水蒸気改
質装置の出口で800℃以上の温度であるので、過熱水
蒸気を最適に生成するために、高温シフト反応装置のた
めの条件が500℃よりも高い場合であっても有利であ
り得る。しかしながらこの様な高い温度では、慣用され
る鉄−クロム−シフト反応触媒が速やかに失活し、そし
てフィッシャー・トロップ合成により選択率が低下し、
炭化水素、特にメタンが生成してしまう。
【0005】幾つかの用途のためには過熱水蒸気の生成
の代わりに、他の(吸熱)化学反応を行なうためのシフ
ト反応熱の回収が望まれる。かゝる他の反応の例には水
蒸気改質がある。これに関係する本発明の可能な用途は
いわゆる熱交換改質装置にあるだろう。
【0006】合成ガス工業における関連する非常に重要
な問題は合成ガスの水蒸気/炭素−比(S/C−比)で
ある。プロセスの経済性の観点から出来るだけ低いS/
C−比で水蒸気改質反応を行なうのが非常に望ましい。
一方、S/C比が低ければ低い程、炭化水素副生成物が
慣用の鉄/クロム触媒を用いる後続のシフト反応装置で
ますます多量に生成する。それ故に合成ガス転化に関す
る工業上のプラクティスは一定の最小限のS/C−比お
よび高温シフト反応装置を運転する一定の上限温度で決
まってきた。
【0007】依然として、別の重要な事項はシフト反応
が平衡になる温度に関する。一酸化炭素含有の熱いガス
が工業用プラントの構造材料として使用される一般的な
合金の多くに酷い腐蝕作用を示すことは周知のことであ
る。この腐蝕現象は金属ダスチング(dusting)として広
く知られており、ガスと接触する材料にピンホールの発
生を伴うことによって観察される。この金属ダスチング
問題は、500℃〜650℃の温度でCO−含有ガスと
接触する材料において最も明瞭である。それ故に650
℃以上の温度での水性ガスシフト反応を平衡状態にする
ことができれば、一酸化炭素の含有量が少ないことから
ガスの腐蝕性が低減されるであろう。
【0008】
【従来の技術】工業的な水性ガスシフト反応は幾つかの
刊行物に説明されている(例えば L.Lloyd 等、M.V.Twi
gg "Catalyst Handbook" 、Manson Publ.,1996 および
J.R.Rostrup-Nielsen & P.E.Hojlund-Nielsen,J.Oudar
& H.Wise "Deactivation andPoisoning of Catalyst",
Marcel Dekker 1985)。
【0009】工業的な高温水性ガスシフト反応のために
現在使用される触媒は活性金属成分として鉄をベースと
している。有利な調製物は、久しい以前から米国特許第
4,861,745号明細書に開示されている様な鉄−
クロム触媒であった。ヨーロッパ特許(B1)第63
4,990号明細書にはクロム不含の高温シフト反応触
媒が開示されているが、これらの触媒は未だ活性金属と
しての鉄をベースとしている。鉄をベースとした触媒は
ヨーロッパ特許第0362,410号明細書(B1)に
も示されている。
【0010】ヨーロッパ特許出願(A1)第0,18
9,701号明細書にはモリブデン、バナジウムまたは
タングステンの酸化物をベースとしそしてコバルトおよ
び/またはニッケルをベースとする助触媒およびセリウ
ム−またはジルコニウム酸化物をベースとする担体物質
を含有する耐硫黄性のシフト触媒が開示されている。こ
の触媒は200〜300℃の温度で使用することがで
き、改善された水素選択率が得られる。
【0011】この触媒を使用することがメタン生成を抑
制することは、このヨーロッパ特許文献では指摘されて
いない。更に400℃以上でこの触媒を用いることもコ
バルトまたはニッケルの存在のために過剰なメタン生成
をもたらすであろう。
【0012】ヨーロッパ特許第0,205,130号明
細書および米国特許第5,128,307号明細書に
は、低温シフト反応のための銅ベースの触媒が開示され
ている。1族およびマグネシウム、カルシウムおよびバ
リウムからの助触媒として作用する種々の塩基性金属酸
化物の存在が副生成物を抑制する。K2 Oが有利である
と記載されている。
【0013】350℃以上の温度では銅が不活性化され
るので触媒として使用できない。これはこの温度で銅の
移動度が増加するためであり、この移動度が焼結される
銅をもたらす。それ故にこの触媒が不活性化される。種
々の塩基性化合物は助触媒としての機能に言及されてい
るが、如何なる触媒活性も有していない。それ故にこれ
らは如何なる反応成分の転化にも関与することができな
い。
【0014】米国特許第4,598,062号明細書は
鉄−クロム高温シフト触媒にマグネシウム化合物を加え
て機械的強度が改善されそして炭化水素副生成物の生成
が少なくなることを開示している。しかしながらこれ
は、該米国特許が6%より多く酸化マグネシウムを含有
していない触媒組成物を特許請求していることから、原
則として鉄−クロム触媒の変性と言える。
【0015】Fe/Cr−触媒のための助触媒としての
酸化マグネシウムは米国特許第4,933,413号明
細書に開示されている。この米国特許は炭化水素副生成
物の生成を減少させることを開示している。実施例は3
60℃の温度および2.5のS/C−比で実施されてお
り、本願発明に記載した実施例よりも決して厳しい条件
ではない。
【0016】同様にアルミナも米国特許第5,021,
233号明細書および同第4,503,162号明細書
に二次的な触媒成分として開示されている。最後に銅ス
ピネルが高温シフト触媒として米国特許第3,787,
323号明細書およびヨーロッパ特許(B1)第42,
471号明細書に記載されておりそして関連する銅−鉄
混合酸化物が米国特許第4,524,058号明細書に
開示されている。
【0017】上述の各特許文献の全文をここに記載した
ものとする。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高
温、好ましくは400℃〜850℃の温度で塩基性の金
属酸化物触媒と水蒸気改質装置からの流出ガスを接触さ
せることによって、慣用の鉄−クロム高温シフト触媒と
の接触で達成されるよりも炭化水素副生成物の生成を著
しく少なくして、水素リッチガスを製造する方法を提供
することである。
【0019】
【課題を解決するための手段】本発明は特に以下の工業
的用途において有用である: i)合成ガスを生成する工業用プラントで過熱水蒸気の
生成量を増加する。 ii)例えば水素プラント、アンモニアプラントおよび/
または燃料加工装置の一部である合成ガス製造装置に、
シフト反応を平衡状態とすることによって生成される熱
の少なくとも一部を移送することによって合成ガス生成
におけるエネルギー効率を高める。 iii)後続の高温シフト反応装置中で炭化水素副生成物を
生成することなしに、水蒸気改質装置において低い水蒸
気/炭素−比で操作できる。 iv) 少なくとも500℃の温度で合成ガス中の一酸化炭
素の一部を転化することによって合成ガスと接触する構
造材料の金属ダスチングの危険を減らす。
【0020】本発明に従う方法で使用される触媒は触媒
熱交換器ハードウエアー(heat exchanger catalysed ha
rdware) でも使用することができる。触媒熱交換器ハー
ドウエアーは過度の圧力低下を生ぜずに触媒からの熱搬
出を改善するという長所を有している。
【0021】本発明の特質は、炭化水素の生成を伴うこ
となく非常に高い温度および/または小さい水蒸気/炭
素−比において、過熱水蒸気の生成を増加しおよび/ま
たはシフト反応の反応熱の回収によりエネルギー効率を
改善しそして低い腐蝕性の合成ガスで水性ガスシフト反
応を行なうことにある。
【0022】ある範囲の材料を400℃〜650℃の温
度範囲内、幾つかの場合には400℃〜750℃におい
て水性ガスシフト反応のための触媒として試験して来
た。それらの幾つかは色々な水蒸気/炭素−比および色
々な空間速度で試験した。一般に、かゝる高温では炭化
水素の生成が過度でありかつ触媒の失活が生じる。これ
は慣用の鉄−クロム高温シフト反応触媒および遷移金
属、例えば鉄、コバルト、銅等の化合物を含有する幾種
かの触媒を用いて行なった。
【0023】それ故に主グループの塩基性酸化物、結晶
質または非晶質(amorphic)の状態の希土類金属またはそ
れらの混合物を含む触媒で十分なCO−転化率が実質的
に炭化水素を生成することなく達成されそしていくつか
の触媒は失活が極めて僅かかまたは全く認められなかっ
たことは驚くべきことであった。
【0024】最も高活性の触媒の1種類はアルミナ(触
媒B)で安定化された酸化マグネシウムを含む触媒であ
った。非常に低い水蒸気/炭素−比でも検出可能な量の
炭化水素が650℃で24時間の間、流れの中に生じな
かった。比較するための慣用の鉄−クロム高温シフト触
媒では同じ条件で流出ガス中のメタン含有量は約3.5
%までと測定された。触媒Bも750℃の温度で測定し
て炭化水素が検出されなかった。
【0025】この触媒が750℃で流れ中で17時間後
にも顕著な失活が起こる気配がないことも更に驚くべき
ことである。
【0026】炭化水素を生成することなくシフト反応を
促進するために活性化作用をすることが判った触媒は、
後記の例(実施例)1〜19および32で実証する通
り、マグネシウム、マンガン、アルミニウム、ジルコニ
ウム、ランタン、セリウム、プラセオジウムおよびネオ
ジウムおよびこれら金属の混合物の酸化物である。これ
らの酸化物に共通することは、これらが塩基性であるこ
とおよびこれらが族番号よりも低い酸化状態の遷移元素
を含有していないことである。比較するために、例20
において酸性サイトしか有していないことが周知の触媒
(ゼオライトH−ZSM5)が全く不活性であることを
実証しており、一方、例21ではカリウムイオン交換さ
れたゼオライトK−ZSM5(従って更に塩基性の触媒
に変えられている)が触媒として活性であることを実証
している。活性が低い(おそらく、触媒のスチーミング
のために表面積が損失することに起因する)にもかかわ
らず、イオン交換ZSM5は結果的に活性な触媒の製造
を可能とする。それ故に、本発明を如何なる特別な理論
にも結び付けることは望まないが、本発明者はシフト反
応を平衡状態とするための非遷移金属触媒の活性が触媒
の塩基性サイトによるものであることが判った。
【0027】この塩基性酸化物触媒は、亜硫酸水素およ
び有機硫化物として天然ガス中にしばしば見られる元素
である硫黄に対して耐性があるという長所を有してい
る。
【0028】比較するために、遷移金属をベースとする
沢山の触媒を同様な条件のもとで試験した。例22〜3
1は、ある程度高い転化率にもかかわらず、特に比較的
低い温度において遷移金属、例えばCu、Fe、Cr、
MnおよびCoを含有する触媒ではメタン生成が常に認
められることを実証している。工業的に使用される代表
的な鉄−クロム高温シフト触媒もこれらの例に含まれて
いる。
【0029】これらの遷移金属をベースとする触媒のう
ちでは、Mnを含有する触媒Nはメタンの量が非常に制
限されるので有利である(例30)。
【0030】水蒸気/炭素−比を減らすことの効果は例
33〜35で実証されている。
【0031】GHSVを増やすことの効果は例36〜3
8で実証している。
【0032】以下の例において水性ガスシフト反応用触
媒として使用した材料の概略を表1および表2に示す。
触媒は触媒A(スピネル、MgAl2 4 )、触媒B
(マグネシア、アルミナで安定化されたMgO)、触媒
C(ジルコニア)、触媒D(1重量%のMgが担持され
たMgAl2 4 )、触媒E(10%のLaが担持され
たMgAl2 4 )、触媒F(5%のLaが担持された
MgAl2 4 )、触媒G(H−ZSN5)、触媒H
(K−ZSM5)、触媒I(クロムで安定化したZn
O)、触媒J(クロムで安定化されたFe3 4 、工業
用鉄−クロム高温シフト反応触媒)、触媒K(1%のW
が担持されたMgAl2 4 )、触媒L(1%のCuが
担持されたMgAl2 4 )、触媒M(1%のCoが担
持されたMgAl2 4 )、触媒N(1%のMnが担持
されたMgAl2 4 )、触媒O(1%のFeが担持さ
れたMgAl2 4 )、触媒P(3重量%のMgが担持
されたジルコニア)および触媒Q(10%の希土類金属
混合物が担持されたMgAl2 4 :この混合物は約
5.2%のCe、77.8%のLa、7.0%のNd、
8.8%のPrを含有している)がある。触媒D、E、
F、K、L、M、N、O、PおよびQは、乾燥含浸法に
従って金属硝酸塩の水溶液をスピネルに始めに湿潤含浸
処理し、120℃で8時間乾燥しそして680℃で2時
間か焼することによって製造した。
【0033】全ての触媒は乳鉢で粒状化しそして篩分け
した。いずれの場合にも0.85〜1.70mmのフラ
クションを使用した。
【0034】
【実施例】例1 加熱装置に取り囲まれた銅裏張りのある管状反応器(外
径9.53mm、内径4.6mm)中で、1.00gの
触媒A(床容積1.45mL)を固定床法で配置する。
反応器に導入する前に、乾燥ガスおよび流れを200℃
の温度および25bar(barg)の圧力で混合し
た。反応器のこの寸法は、ガスを触媒に到達する前に所
望の温度に更に加熱することを可能とする。温度は外部
から制御しそして反応器の外側で熱電対によって触媒床
の中心を監視した。触媒領域の後の場所で出口ガスを冷
却しそして周囲の条件まで放圧した。出口ガス中の水は
分離容器中で凝縮させ、残りの乾燥ガスはBINOS赤
外線センサーによってCOおよびCO2 について連続的
に分析し、加熱時および冷却時におけるガス組成への触
媒の影響を監視した。乾燥出口ガスは、CO、CO2
2 、CH4 、より高級な炭化水素およびArを測定で
きるガスクロマトグラフィー(GC)によって規則的に
分析した。Arは内部標準として使用した。反応器の温
度は4℃/分の速度で200℃〜300℃から開始し、
約650℃の温度が達成されるまで高めた。この加熱時
間の間に乾燥出口ガス中のCOの含有量(BINOS装
置によって連続的に測定する)は温度の関数としてCO
−転化率を得るために使用した。乾燥供給ガスは10N
L/時の速度で74.4%H2 、12.6%CO、1
0.0%CO2 、3.0%Arの組成で導入し、一方、
水は3.96g/時の速度で導入した。それ故にこの実
験での気体の単位時間当たり空間速度(GHSV)は乾
燥ガス流に換算して6900/時になる。500℃での
CO−転化率は22.9%であった。この温度およびガ
ス組成での平衡状態での理論転化率は50.9%であっ
た。575℃では転化率は29.6%でありそして最大
転化率は34.2%であった。650℃の温度に達した
後(CO−転化率=19.1%、平衡状態)では温度を
安定にしそして流出ガスをGCによって規則的に分析し
た。650℃で1時間の間に得られる最初のGC−分析
値で、H2 、COおよびCO2 に関するガスの平衡組成
および57ppmのメタン含有量が確認された。更に高
級な炭化水素は認められなかった。GC−サンプルは2
4時間の間、温度、流れおよび供給ガス組成を維持しな
がら規則的に採取した。この期間の後にメタン含有量は
GC装置の検出限界(15ppm)以下であった。24
時間後に流れのCO転化率は未だ19.1%であった。
これは平衡値に等しい。結果を表1に総括掲載する。
【0035】例2 この実験は4.00g/時の僅かに高い水流であること
を除いて、新しい触媒サンプルを使用して例1を正確に
繰り返した。500℃でのCO転化率は22.3%(平
衡状態では51.2%)と測定されそして575℃では
29.6%(平衡状態では34.5%)であり、従って
実験の間、例1と同じ転化率は不確実である。650℃
での初期のメタン生成は60ppmであった。温度およ
び供給流は21時間の間維持し、その運転時間(TO
S)の後にメタン濃度は121ppmと測定された。
【0036】例3 この実験は同じ触媒サンプルを使用して例2を継続す
る。温度は300℃まで下げそして例1に記載された様
に再び直ちに加熱した。温度が上昇する間、500℃お
よび575℃での転化率を測定した。結果を表1に示
す。失活は相当にあるが、650℃では19.5%の平
衡状態CO−転化率が達成された。メタン濃度は最初に
119ppmであったが、この値は全部で48時間の運
転時間(TOS)の後に102ppmに低下した。
【0037】平衡状態転化率での一つの実験からのもう
一つの実験の僅かな差は、使用される装置での±3%の
偏差のある一定の水準に維持することが困難であった水
流の僅かな変化による。それ故に水蒸気/炭素(S/
C)−比は表1の各例から報告される。
【0038】例4(実施例) この例は同じ触媒サンプルを使用して例3を継続する。
温度を下げそして例3に記載された様に再び上げた。表
1から判る通り、追加的な41時間の運転時間では僅か
な低下しか生じなかった。平衡状態転化率は650℃に
達した。メタン濃度は最初に69ppmであったが、8
9時間の運転時間の後には63ppmと測定された。よ
り高級な炭化水素は観察されなかった。
【0039】例5(比較例) この例は例1に記載した通り実施したが、触媒を使用し
なかった。表1に示した通り、CO転化が行なわれず、
メタンの生成もなかった。
【0040】例6〜31 これらの例は異なる触媒を使用することを除いて前述の
例で略述した通り実施した。例えば工業用の鉄−クロム
触媒(触媒J)、銅含有触媒(触媒L)および種々の遷
移金属を含有する触媒(触媒I、K、M、NおよびO)
を用いた比較例も含まれる。結果を表1に報告する。こ
れら全ての触媒では650℃またはそれ以下の温度で平
衡状態が達成された。400℃の比較的に低い温度で
は、僅かであるが相当なCO転化率が観察された。要す
るに触媒B(例7)では転化率は5.2%と測定され
(平衡値75.1%)そして触媒N(例30)ではCO
転化率は8.5%(平衡値75.1%)と測定された。
【0041】例32 この例は前述の例で概略示した通り実施したが、触媒P
(ジリコニアに3%Mgを担持したもの)を使用した。
結果を表1に示す。この触媒では平衡は600℃より僅
か下で達成された。
【0042】例33〜38 これらの例は、表1に示した水蒸気/炭素−比およびG
HSVが相違することを除いて上述の例で説明した通り
実施した。
【0043】例39〜41 これらの例は約750℃の温度に達するまで反応器の温
度を高めたことを除いて上述の例で説明した通り実施し
た。結果を表2に報告する。これらの例で試験した触媒
は触媒Bおよび触媒Q(10%の希土類金属混合物が担
持されたMgAl2 4 :この混合物は約5.2%のC
e、77.8%のLa、7.0%のNd、8.8%のP
rを含有している)である。
【0044】
【表1】 (*) ガス混合物(i):74.4%のH2 、12.6%のC
O、10.0%のCO2および3.0%のAr。
【0045】#:MgAl2 4 に含浸させた。
【0046】##:ZrO2 に含浸させた。
【0047】###n.m.:未測定。
【0048】
【表2】 (*) ガス混合物(i):74.4%のH2 、12.6%のC
O、10.0%のCO2および3.0%のAr。 □: MgAl2 4 にランタニド類の混合物を担持させ
たもの。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B01J 23/30 B01J 23/30 M 23/34 23/34 M 23/72 23/72 M 23/745 23/86 M 23/75 29/40 M 23/86 C01B 3/16 29/40 B01J 23/74 311M C01B 3/16 301M (72)発明者 ポウル・エリック・ヒヨイルント・ニール セン デンマーク国、3480フレデンスボルク、ロ ーランツベエイ、3 (72)発明者 ペーター・レールマン デンマーク国、3460ビルケリョード、ホー ベドガーデン、47デー、2テー・ファウ (72)発明者 キム・アースベルク−ペーターセン デンマーク国、2840ホルテ、ルーデ・ヴア ング、51 Fターム(参考) 4G040 EA06 EA09 EB32 EC01 EC05 4G069 AA03 BA05A BA05B BB06A BB06B BC10A BC10B BC16A BC16B BC42A BC42B BC43A BC43B BC44A BC44B BC62A CC26 DA06

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一酸化炭素および水蒸気を含有するガス
    を触媒の存在下に400〜850℃の温度で水性ガスシ
    フト転化することを含む、炭化水素を生じることなしに
    水素リッチガスを製造する方法において、上記触媒が塩
    基性酸化物を生成することのできる元素Mg、Mn、A
    l、Zr、La、Ce、PrおよびをNdの1種類以上
    またはそれらの混合物を含有することを特徴とする、上
    記方法。
  2. 【請求項2】 上記元素がMg、Mn、Al、La、Z
    rの1種類以上の金属から選択される請求項1に記載の
    方法。
  3. 【請求項3】 上記触媒が更にアルカリ金属を含有する
    請求項1に記載の方法。
  4. 【請求項4】 上記の元素がMg、Mn、Al、La、
    Zrの群から選択される請求項1に記載の方法。
  5. 【請求項5】 一酸化炭素および水蒸気含有ガスがガス
    化法からの流出水蒸気である請求項1に記載の方法。
  6. 【請求項6】 上記触媒が単結晶の状態で存在する請求
    項1に記載の方法。
  7. 【請求項7】 上記触媒が、供給ガスが搬送される管の
    内部表面の少なくとも一部で生成される請求項1に記載
    の方法。
  8. 【請求項8】 上記触媒を、供給ガスが搬送される熱交
    換器の内部表面の少なくとも一部で生成する請求項1に
    記載の方法。
  9. 【請求項9】 上記触媒が更にアルカリ金属を含有して
    いる請求項1〜8のいずれか一つに記載の方法。
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