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Info
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Abstract
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
温度で実施される水性ガスシフト反応に関する。
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。
−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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
ものとする。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
33〜35で実証されている。
8で実証している。
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 O4 )、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 O4 )、触媒E(10%のLaが担持され
たMgAl2 O4 )、触媒F(5%のLaが担持された
MgAl2 O4 )、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 O4 、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 O4 )、触媒L(1%のCuが
担持されたMgAl2 O4 )、触媒M(1%のCoが担
持されたMgAl2 O4 )、触媒N(1%のMnが担持
されたMgAl2 O4 )、触媒O(1%のFeが担持さ
れたMgAl2 O4 )、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 O 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。
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。
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 、
H2 、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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 O4 :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。
O、10.0%のCO2および3.0%のAr。
O、10.0%のCO2および3.0%のAr。 □: MgAl2 O4 にランタニド類の混合物を担持させ
たもの。
Claims (9)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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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