JP2005270895A - Oxidation reaction apparatus and its use - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸化物イオンを選択的に透過させる酸化物イオン伝導体を利用して酸化対象ガス(例えば炭化水素ガス)を酸化する酸化反応装置に関する。また本発明は、酸化物イオン伝導体を利用して被酸化ガスを酸化する酸化反応方法に関する。 The present invention relates to an oxidation reaction apparatus that oxidizes a gas to be oxidized (for example, hydrocarbon gas) using an oxide ion conductor that selectively transmits oxide ions. The present invention also relates to an oxidation reaction method for oxidizing an oxidizable gas using an oxide ion conductor.
高温(例えば500℃以上)において酸化物イオン(酸素イオンともいう。)を選択的に透過させる性質を有するセラミック(酸化物イオン伝導体)が知られている。このような酸化物イオン伝導体からなるセラミック体(酸化物イオン伝導性セラミック体)は、酸素を含有する混合ガスから酸素を分離する等の目的に利用することができる。例えば、酸化物イオン伝導体として酸化ジルコニウムを用いる酸素分離方法が知られている。
一方、酸化物イオン伝導体のなかには、酸化物イオン伝導性とともに電子伝導性(ホール伝導性を含む意味である。)を示すものがある。このような酸化物イオン伝導体は、電子−酸化物イオン混合伝導体(以下、単に「混合伝導体」ともいう。)と呼ばれることもある。かかる混合伝導体からなる膜状のセラミック体は、このセラミック体自体が電子伝導性を有することから、両面を短絡させるための外部電極や外部回路等を用いることなく、一方の面から他方の面へと連続して酸化物イオンを透過させることができる。
A ceramic (oxide ion conductor) having a property of selectively transmitting oxide ions (also referred to as oxygen ions) at a high temperature (for example, 500 ° C. or higher) is known. A ceramic body (oxide ion conductive ceramic body) made of such an oxide ion conductor can be used for the purpose of separating oxygen from a mixed gas containing oxygen. For example, an oxygen separation method using zirconium oxide as an oxide ion conductor is known.
On the other hand, some oxide ion conductors exhibit electronic conductivity (meaning including hole conductivity) as well as oxide ion conductivity. Such an oxide ion conductor is sometimes called an electron-oxide ion mixed conductor (hereinafter also simply referred to as “mixed conductor”). A film-like ceramic body composed of such a mixed conductor has an electronic conductivity, so that the ceramic body itself has an electronic conductivity. Oxide ions can be transmitted continuously.
このような酸化物イオン伝導体は、炭化水素の部分酸化反応等を行う酸化用反応装置の構成要素として好適に使用することができる。例えば、この酸化物イオン伝導体を膜状(薄い層状のものを包含する。)に形成し、その膜状セラミック体の一方の表面を酸素源ガスに接触させ、他方の表面を炭化水素(メタン等)を含むガスに接触させる。これにより、膜状セラミック体の一方の表面からこのセラミック体を透過して供給される酸化物イオンによって、セラミック体の他方の表面に接触した炭化水素を酸化することができる。この酸化反応の効率を高めるため、通常は、該セラミック体の他方の表面(被酸化ガスとしての炭化水素が接触する側の表面)に、酸化反応を促進する触媒(典型的には、金属ロジウム触媒、金属ニッケル触媒、金属コバルト触媒等の金属触媒)を付着させる。 Such an oxide ion conductor can be suitably used as a component of an oxidation reaction apparatus that performs a partial oxidation reaction of hydrocarbons or the like. For example, this oxide ion conductor is formed into a film (including a thin layer), one surface of the film ceramic body is brought into contact with an oxygen source gas, and the other surface is hydrocarbon (methane). Etc.). Thereby, the hydrocarbon which contacted the other surface of the ceramic body can be oxidized by the oxide ion which permeate | transmits and supplies this ceramic body from one surface of a film-form ceramic body. In order to increase the efficiency of this oxidation reaction, a catalyst for promoting the oxidation reaction (typically, rhodium metal) is usually provided on the other surface of the ceramic body (the surface on the side in contact with the hydrocarbon as the gas to be oxidized). A metal catalyst such as a catalyst, a metal nickel catalyst, and a metal cobalt catalyst).
また、上述のような炭化水素の酸化反応を効率よく進行させるためには、膜状セラミック体を透過して供給される酸化物イオンの量を多くすることが有効である。酸化物イオンの供給量(酸素透過量)を高める方策の一つとして、使用する膜状セラミック体の厚みを小さくすることが考えられる。これにより酸化物イオンの透過距離が短縮されるため、酸素透過量(酸素分離能)を向上させることができる。しかし、膜状セラミック体の厚みをある程度以下とすると、一般にセラミック体の機械的強度が低下傾向となり、その使用時等においてクラックを生じやすくなる。クラックの入った膜状セラミック体は、もはや本来の性能(酸化物イオンを選択的に透過させる性能等)を発揮することができない。
なお、酸化物イオン伝導性を有する膜状セラミック体を酸化反応装置の構成要素として用いる場合には、この膜状セラミック体を単なる酸素分離に用いる場合(酸素分離装置の構成要素として用いる場合)に比べて、膜状セラミック体の薄膜化がさらに困難となる傾向にある。このことは、炭化水素等の被酸化ガスに接触する側のセラミック体表面が還元性雰囲気に曝されることから伝導体が還元されやすく、伝導体の結晶構造が変化して強度が低下しやすくなることに関連していると考えられる。
Moreover, in order to advance the hydrocarbon oxidation reaction as described above efficiently, it is effective to increase the amount of oxide ions that are supplied through the membranous ceramic body. One way to increase the supply amount of oxide ions (oxygen permeation amount) is to reduce the thickness of the membrane-like ceramic body to be used. Accordingly, the permeation distance of oxide ions is shortened, so that the oxygen permeation amount (oxygen separation ability) can be improved. However, if the thickness of the film-like ceramic body is set to a certain level or less, generally the mechanical strength of the ceramic body tends to be lowered, and cracks are likely to occur during its use. The cracked membranous ceramic body can no longer exhibit its original performance (performance of selectively transmitting oxide ions, etc.).
When a membrane ceramic body having oxide ion conductivity is used as a component of an oxidation reaction device, when this membrane ceramic body is used for simple oxygen separation (when used as a component of an oxygen separator). In comparison, it tends to be more difficult to reduce the thickness of the film-like ceramic body. This is because the surface of the ceramic body in contact with the oxidizable gas such as hydrocarbon is exposed to a reducing atmosphere, so that the conductor is easily reduced, and the crystal structure of the conductor is changed to easily reduce the strength. Is considered to be related to
そこで、酸化物イオン伝導体を多孔質支持体で支持してその強度を確保することが提案されている。例えば特許文献1には、Sr,FeおよびCoを主成分とする混合伝導体を、マグネシウムを主成分とする酸化物多孔質体で支持した構成のセラミック複合材料が記載されている。この文献に記載された実施例では、上記セラミック複合材料を用いてメタンガスの部分酸化を行う際、上記酸化促進触媒として金属ロジウム(Rh)触媒、金属ニッケル(Ni)触媒等の金属触媒を用いている。
しかし、膜状セラミック体が多孔質支持体で支持された構成の酸素分離エレメントを用いた従来の酸化反応装置においても、実用上十分な酸化効率を実現することは困難であった。また、そのような酸化反応装置は、酸化効率が不安定となる(例えば、運転を継続すると効率が低下する)ことがあった。
そこで本発明は、酸化物イオン伝導性を有する膜状セラミック体が多孔質支持体で支持された構成の酸素分離エレメントを有する酸化反応装置であって、被酸化ガス(炭化水素等)の酸化効率のよい酸化反応装置を提供することを目的とする。本発明の他の目的は、そのような酸素分離エレメントを用いて被酸化ガスを効率よく酸化する酸化反応方法を提供することである。関連する他の目的は、かかる酸化反応装置または酸化反応方法において好適に用いられる酸素分離エレメントを提供することである。
However, even in a conventional oxidation reaction apparatus using an oxygen separation element having a structure in which a membranous ceramic body is supported by a porous support, it has been difficult to achieve practically sufficient oxidation efficiency. In addition, such an oxidation reaction apparatus may have an unstable oxidation efficiency (for example, the efficiency decreases when the operation is continued).
Accordingly, the present invention provides an oxidation reaction apparatus having an oxygen separation element having a structure in which a membrane-like ceramic body having oxide ion conductivity is supported by a porous support, and the oxidation efficiency of a gas to be oxidized (hydrocarbon etc.) An object of the present invention is to provide an oxidation reaction apparatus with good quality. Another object of the present invention is to provide an oxidation reaction method for efficiently oxidizing a gas to be oxidized using such an oxygen separation element. Another related object is to provide an oxygen separation element suitably used in such an oxidation reaction apparatus or an oxidation reaction method.
従来の一般的な酸化反応方法では、上述のように、膜状セラミック体の酸化反応室側(炭化水素等の被酸化ガスが接触する側)表面に金属Ni触媒、金属Rh触媒、金属Co触媒等の金属触媒を付着させることにより酸化反応の促進を図っている。膜状セラミック体が多孔質支持体で支持された構成の酸素分離エレメントでは、かかる金属触媒を多孔質支持体に付着させた構成とすることもある。しかし、このような金属触媒は炭化反応を誘起しやすいため、金属触媒を利用して炭素を構成元素として含む被酸化ガス(炭化水素等)を酸化すると、酸化反応の際に炭素の析出(コーキング(coking)といわれることもある。)が起こりやすいことが知られている。このため、図15に示すように、金属触媒62を付着させた多孔質支持体14によって膜状セラミック体12の一面側が支持された構成の酸素分離エレメント10を、その支持体14が酸化反応室30側(CH4等の炭化水素が流通される側。以下、「炭化水素側」ということもある。)となるように配置すると、酸化反応室30側で析出した炭素によって支持体14の細孔142が塞がれやすい。このような細孔142の閉塞(目詰まり)が進行すると、酸化反応室30に供給される炭化水素(CH4等)が膜状セラミック体12に到達しにくくなる(酸化物イオン伝導体と炭化水素との接触効率が低下する)。その結果、膜状セラミック材12を透過した酸化物イオンを炭化水素に適切に供給することができなくなり、炭化水素の酸化効率が低下する。このため、図15に示すように金属触媒62を担持した多孔質支持体14が酸化反応室30側に配置された構成のエレメント10を備える酸化反応装置は、連続運転を行うと炭化水素の酸化効率が低下しやすい。この傾向は、支持体14の気孔率が比較的低い場合や、支持体14の平均細孔径(平均気孔径)が比較的小さい場合等には特に顕著なものとなる。一方、支持体14の気孔率および/または平均細孔径を大きくしすぎると、その表面に厚みの小さい(薄い)膜状セラミック体12を適切に形成することが困難になる。
In the conventional general oxidation reaction method, as described above, a metal Ni catalyst, a metal Rh catalyst, and a metal Co catalyst are formed on the surface of the film-like ceramic body on the side of the oxidation reaction chamber (the side in contact with the gas to be oxidized such as hydrocarbon). The oxidation reaction is promoted by attaching a metal catalyst such as the above. In the oxygen separation element in which the membranous ceramic body is supported by the porous support, the metal catalyst may be attached to the porous support. However, since such a metal catalyst easily induces a carbonization reaction, if an oxidizable gas (hydrocarbon, etc.) containing carbon as a constituent element is oxidized using a metal catalyst, carbon deposition (coking) occurs during the oxidation reaction. (Sometimes called "coking"). For this reason, as shown in FIG. 15, the
このように、従来の技術では、多孔質支持体を炭化水素側(酸化反応室側)に向けて酸素分離エレメントを配置する場合、セラミック体の膜厚を小さくすることによる酸素透過性の向上と、支持体の気孔率を高めることによる炭化水素接触効率の向上(目詰まりの防止)とを両立させることは困難であった。このため従来は、例えば図10に示すように、酸素分離エレメント10のうち多孔質支持体14の形成された側が、炭化水素側(酸化反応室30側)ではなく、その反対側すなわち酸素源供給室20側(以下、「酸素側」ということもある。)に向くようにエレメント10を配置するのが一般的であった。
しかし、多孔質支持体14を酸素側に向けて酸素分離エレメント10を配置した構成においても、例えば酸素源ガスとして空気を用いた場合等において、期待したほどの酸化反応効率が得られないことがあった。また、酸化反応効率のさらなる向上を狙って多孔質支持体14の気孔率を高くしても酸素透過量が思うように向上しないことがあった。
As described above, in the conventional technique, when the oxygen separation element is arranged with the porous support facing the hydrocarbon side (oxidation reaction chamber side), the oxygen permeability is improved by reducing the thickness of the ceramic body. It has been difficult to achieve both improvement in hydrocarbon contact efficiency (prevention of clogging) by increasing the porosity of the support. Therefore, conventionally, as shown in FIG. 10, for example, the side where the
However, even in the configuration in which the
本発明者は、膜状セラミック体の一面側に多孔質支持材を有する構成の酸素分離エレメントを、その多孔質支持体が酸化反応室側(被酸化ガスに接触する側)となるように配置するとともに、これまで酸化効率向上のために用いられてきた金属触媒(炭化反応を起こす触媒の典型例である。)が支持体内部に担持されていない構成とすることにより、かかる金属触媒が少なくとも上記膜状セラミック体の炭化水素側(酸化反応室側)には存在しない構成の酸素分離エレメントとすることを試みた。その結果、意外にも、金属触媒を用いていないにも拘らず、金属触媒を用いた場合に勝る炭化水素酸化効率を達成し得ることを見出したのである。 The present inventor arranges an oxygen separation element having a porous support material on one surface side of a membranous ceramic body so that the porous support body is on the oxidation reaction chamber side (side in contact with the oxidation target gas). In addition, the metal catalyst that has been used to improve the oxidation efficiency (a typical example of a catalyst that causes a carbonization reaction) is not supported inside the support, so that the metal catalyst is at least An attempt was made to provide an oxygen separation element having a configuration that does not exist on the hydrocarbon side (oxidation reaction chamber side) of the membrane-like ceramic body. As a result, the present inventors have found that it is possible to achieve hydrocarbon oxidation efficiency superior to that obtained when a metal catalyst is used, even though a metal catalyst is not used.
すなわち、本発明により提供される酸化反応装置は、緻密な膜状に形成された酸化物イオン伝導性セラミック体(膜状セラミック体)の一面側に多孔質支持体を有する酸素分離エレメントを備える。また、その酸素分離エレメントを収容するケーシングを備えることができる。また、そのケーシング内に、前記膜状セラミック体の他面側に設けられた酸素源供給室を備えることができる。該酸素源供給室は、酸素を含む酸素源ガスを外部から供給可能に構成されている。かかる供給を行うために、前記酸素源供給室に前記酸素源ガスを供給する酸素源供給手段を備えることができる。また、そのケーシング内に、前記膜状セラミック体の前記一面側に設けられており、かつ、前記膜状セラミック体を介して前記酸素源供給室とは気密に区画されている酸化反応室を備えることができる。該酸化反応室は、被酸化ガスを含む酸化対象ガスを外部から供給可能に構成されている。かかる供給を行うために、前記酸化反応室に前記酸化対象ガスを供給する酸化対象ガス供給手段を備えることができる。そして、前記酸素源供給室側から前記膜状セラミック体を透過して供給される酸化物イオンが介在する酸化反応によって前記被酸化ガスを酸化し得るように構成されている。ここで開示される装置の好ましい態様では、前記酸素分離エレメントの支持体内部には、炭化反応を起こす触媒(特に、ロジウム(Rh)系触媒、ニッケル(Ni)系触媒、コバルト(Co)系触媒等の金属触媒)が担持されていない。 That is, the oxidation reaction apparatus provided by the present invention includes an oxygen separation element having a porous support on one surface side of an oxide ion conductive ceramic body (film-like ceramic body) formed into a dense film. Moreover, the casing which accommodates the oxygen separation element can be provided. Moreover, the oxygen source supply chamber provided in the other surface side of the said film-like ceramic body can be provided in the casing. The oxygen source supply chamber is configured to be able to supply an oxygen source gas containing oxygen from the outside. In order to perform such supply, an oxygen source supply means for supplying the oxygen source gas to the oxygen source supply chamber can be provided. The casing further includes an oxidation reaction chamber that is provided on the one surface side of the membrane-like ceramic body and that is airtightly partitioned from the oxygen source supply chamber via the membrane-like ceramic body. be able to. The oxidation reaction chamber is configured to be able to supply a gas to be oxidized including a gas to be oxidized from the outside. In order to perform such supply, an oxidation target gas supply means for supplying the oxidation target gas to the oxidation reaction chamber can be provided. And it is comprised so that the said to-be-oxidized gas can be oxidized by the oxidation reaction which the oxide ion which permeate | transmits and supplies the said film-like ceramic body from the said oxygen source supply chamber side exists. In a preferred embodiment of the apparatus disclosed herein, a catalyst that causes a carbonization reaction (in particular, a rhodium (Rh) -based catalyst, a nickel (Ni) -based catalyst, a cobalt (Co) -based catalyst) is provided inside the support of the oxygen separation element. Etc.) is not supported.
このような構成の酸化反応装置によると、酸素分離エレメントの酸素源供給室側(酸素側)から酸化反応室側(炭化水素側)へと多くの酸化物イオンを供給し得る。すなわち、上記酸素分離エレメント(酸化物イオン伝導部品)において高い酸素透過量(酸化物イオン透過能力)を実現し得る。したがって、そのような酸素分離エレメントを用いて構築された上記酸化反応装置によると、被酸化ガスを効率よく酸化(典型的には部分酸化)することができる。換言すれば、炭化水素等の被酸化ガスから、その酸化物を含むガスを効率よく製造することができる。例えば、メタン(CH4)からCOx(主として一酸化炭素であることが好ましい)および水素(H2)を含む混合ガスを効率よく製造することができる。また、ここで開示される装置は、メタンまたは天然ガス等の原料ガスから合成ガス(H2およびCOを2:1の体積比で含有するガス)を生じさせる反応、飽和または不飽和の低分子量炭化水素(例えばエタン、プロパン、エチルベンゼン等)から不飽和炭化水素(オレフィン等)を生じさせる反応等の炭化水素部分酸化反応を行う装置として好適である。 According to the oxidation reaction device having such a configuration, a large amount of oxide ions can be supplied from the oxygen source supply chamber side (oxygen side) of the oxygen separation element to the oxidation reaction chamber side (hydrocarbon side). That is, a high oxygen permeation amount (oxide ion permeation ability) can be realized in the oxygen separation element (oxide ion conducting component). Therefore, according to the oxidation reaction apparatus constructed using such an oxygen separation element, the gas to be oxidized can be efficiently oxidized (typically partially oxidized). In other words, a gas containing the oxide can be efficiently produced from the gas to be oxidized such as hydrocarbon. For example, a mixed gas containing COx (preferably mainly carbon monoxide) and hydrogen (H 2 ) can be efficiently produced from methane (CH 4 ). In addition, the apparatus disclosed herein is a reaction that produces syngas (a gas containing H 2 and CO in a volume ratio of 2: 1) from a raw material gas such as methane or natural gas, and a saturated or unsaturated low molecular weight. It is suitable as an apparatus for performing a hydrocarbon partial oxidation reaction such as a reaction for producing an unsaturated hydrocarbon (olefin, etc.) from a hydrocarbon (eg, ethane, propane, ethylbenzene, etc.).
ここで開示される装置の酸素源ガスは、純酸素(実質的に酸素のみからなるガスをいう。)であってもよく、酸素および他のガス成分(例えば、窒素等の不活性ガス)を含む混合ガスであってもよい。酸素源ガスとして混合ガスを用いる場合には、従来技術に対する本発明の適用効果が特によく発揮される。例えば、酸素含有率が凡そ80体積%以下(典型的には、凡そ5〜80体積%)の混合ガスを用いることが好ましく、凡そ50体積%以下(典型的には、凡そ5〜50体積%)の混合ガスを用いることがより好ましい。本発明の装置によると、酸素源ガスとしてこのような混合ガス(典型的には空気)を用いる場合にも、良好な酸化効率(酸素分離エレメントにおける高い酸素透過量)を実現し得る。 The oxygen source gas of the apparatus disclosed herein may be pure oxygen (refers to a gas consisting essentially of oxygen), and oxygen and other gas components (for example, an inert gas such as nitrogen). A mixed gas may be included. In the case of using a mixed gas as the oxygen source gas, the effect of applying the present invention to the prior art is particularly well exhibited. For example, it is preferable to use a mixed gas having an oxygen content of about 80% by volume or less (typically about 5 to 80% by volume), and about 50% by volume or less (typically about 5 to 50% by volume). It is more preferable to use a mixed gas of According to the apparatus of the present invention, even when such a mixed gas (typically air) is used as the oxygen source gas, good oxidation efficiency (high oxygen permeation amount in the oxygen separation element) can be realized.
酸素分離エレメントを構成する多孔質支持体の気孔率は、例えば凡そ80体積%以下(典型的には、凡そ5〜80体積%)とすることができる。通常は、この気孔率を凡そ60体積%以下(典型的には、凡そ5〜60体積%)とすることが適当である。多孔質支持体の気孔率が凡そ5〜60体積%(より好ましくは10〜50体積%)の範囲にある場合には、本発明の適用効果が特によく発揮される。本発明の装置によると、気孔率が上記範囲にある多孔質支持体を用いた場合にも、所望の酸素透過量(ひいては被酸化ガスの酸化効率)を確保し得る。 The porosity of the porous support constituting the oxygen separation element can be, for example, about 80% by volume or less (typically about 5 to 80% by volume). Usually, it is appropriate to set the porosity to about 60% by volume or less (typically, about 5 to 60% by volume). When the porosity of the porous support is in the range of about 5 to 60% by volume (more preferably 10 to 50% by volume), the effect of applying the present invention is particularly well exhibited. According to the apparatus of the present invention, even when a porous support having a porosity in the above range is used, a desired oxygen permeation amount (and hence the oxidation efficiency of the oxidant gas) can be ensured.
ここで開示される装置の好ましい態様では、前記膜状セラミック体がペロブスカイト型の結晶構造を有する。例えば、ペロブスカイト型の結晶構造を有し、一般式Ln1−xAexMO3で表される組成をもつ膜状セラミック体が好ましい。ここで、上記一般式中のLnはランタノイドから選択される一種または二種以上である。AeはSr,CaおよびBaからなる群から選択される一種または二種以上である。MはFe,Mn,Ga,Ti,Co,Ni,Al,In,Sn,Zr,V,Cr,Zn,Ge,Sc,Yからなる群から選択される一種または二種以上である。xは0≦x≦1を満たす数である。Lnの好適例はLaである。また、Aeの好適例はSrである。
かかる組成の膜状セラミック体は、良好な酸化物イオン伝導性を示すとともに、良好な電子伝導性を示すものであり得る。したがって、かかる膜状セラミック体を有する酸素分離エレメントを用いて構築された酸化反応装置は、その膜状セラミック体の酸素源供給室側表面と酸化反応室側表面とを短絡させる外部電極を用いない構成とすることができる。また、外部電極を用いた構成としてもよい。
In a preferred embodiment of the device disclosed herein, the film-like ceramic body has a perovskite crystal structure. For example, a film-like ceramic body having a perovskite type crystal structure and a composition represented by the general formula Ln 1-x Ae x MO 3 is preferable. Here, Ln in the above general formula is one or more selected from lanthanoids. Ae is one or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Ba. M is one or more selected from the group consisting of Fe, Mn, Ga, Ti, Co, Ni, Al, In, Sn, Zr, V, Cr, Zn, Ge, Sc, and Y. x is a number satisfying 0 ≦ x ≦ 1. A preferred example of Ln is La. A suitable example of Ae is Sr.
A film-like ceramic body having such a composition can exhibit good oxide ion conductivity and good electron conductivity. Therefore, an oxidation reaction device constructed using an oxygen separation element having such a membrane-like ceramic body does not use an external electrode that short-circuits the oxygen source supply chamber side surface and the oxidation reaction chamber-side surface of the membrane-like ceramic body. It can be configured. Moreover, it is good also as a structure using an external electrode.
なお、前記一般式において酸素原子数は3であるように表示されているが、実際には酸素原子の数は3以下(典型的には3未満)である。ただし、この酸素原子数はペロブスカイト構造の一部を置き換える原子(例えばAe)の種類および置換割合その他の条件により変動するため、正確に表示することは困難である。そこで、本明細書中においてペロブスカイト型材料を示す一般式では酸素原子の数を便宜的に3として表示するが、ここで教示する発明の技術的範囲を限定することを意図したものではない。したがって、この酸素原子の数を例えば3−δと書く(例えば、上記一般式をLn1−xAexMO3−δと表示する)こともできる。ここでδは、典型的には1を超えない正の数(0<δ<1)である。
上記膜状セラミック体の好ましい例として、一般式(Ln1−xAex)(Bm1−yFey)O3で表される組成をもつものが挙げられる。ここで、上記一般式中のLnは、ランタノイドから選択される一種または二種以上である。AeはSr,CaおよびBaからなる群から選択される一種または二種以上である。xは0.2≦x≦0.8を満たす数である。BmはGaおよび/またはTiである。yは0.5≦y≦0.9を満たす数である。Lnの好適例はLaである。また、Aeの好適例はSrである。
In the above general formula, the number of oxygen atoms is indicated as 3, but in reality, the number of oxygen atoms is 3 or less (typically less than 3). However, since the number of oxygen atoms varies depending on the type of atom (for example, Ae) that replaces a part of the perovskite structure, the substitution ratio, and other conditions, it is difficult to display accurately. Therefore, in the present specification, in the general formula showing the perovskite type material, the number of oxygen atoms is indicated as 3 for convenience, but it is not intended to limit the technical scope of the invention taught here. Therefore, the number of oxygen atoms can be written as, for example, 3-δ (for example, the above general formula is expressed as Ln 1-x Ae x MO 3-δ ). Here, δ is typically a positive number not exceeding 1 (0 <δ <1).
Preferred examples of the film-like ceramic body include those having a composition represented by the general formula (Ln 1-x Ae x) (Bm 1-y Fe y)
ここで開示される装置の他の好ましい態様では、前記酸素分離エレメントを構成する多孔質支持体が、ペロブスカイト型の結晶構造を有するセラミック多孔体である。このようなセラミック体として好ましいものは、一般式Ln1−xAexMO3(ただし、Lnはランタノイドから選択される一種または二種以上であり、AeはSr,CaおよびBaからなる群から選択される一種または二種以上であり、MはFe,Mn,Ga,Ti,,Co,Ni,Al,In,Sn,Zr,V,Cr,Zn,Ge,Sc,Yからなる群から選択される一種または二種以上であり、xは0≦x≦1を満たす数である。)で表される組成のペロブスカイト型結晶構造を有する複合酸化物;安定化ジルコニア;酸化セリウム;酸化アルミニウム;窒化珪素;および、酸化マグネシウム;からなる群から選択される一種または二種以上の酸化物を有する。一般式(Ln1−xAex)(Bm1−yFey)O3で表される組成の複合酸化物を主体に構成されたセラミック多孔体が好ましい。ここで、上記一般式中のLnはランタノイドから選択される一種または二種以上である。AeはSr,CaおよびBaからなる群から選択される一種または二種以上である。xは0.2≦x≦0.8を満たす数である。BmはGaおよび/またはTiである。yは0.5≦y≦0.9を満たす数である。Lnの好適例はLaである。Mの好適例はSrである。
In another preferred embodiment of the apparatus disclosed herein, the porous support constituting the oxygen separation element is a ceramic porous body having a perovskite crystal structure. Select Such preferred as the ceramic body, the general formula Ln 1-x Ae x MO 3 ( however, Ln is at one or more selected from lanthanoids, Ae from the group consisting of Sr, Ca and Ba And M is selected from the group consisting of Fe, Mn, Ga, Ti, Co, Ni, Al, In, Sn, Zr, V, Cr, Zn, Ge, Sc, and Y. X is a number satisfying 0 ≦ x ≦ 1)) Composite oxide having a perovskite type crystal structure with a composition represented by: stabilized zirconia; cerium oxide; aluminum oxide; One or more oxides selected from the group consisting of silicon; and magnesium oxide. Formula (Ln 1-x Ae x) (Bm 1-y Fe y)
ここで開示される装置のさらに他の好ましい態様では、膜状セラミック体の酸素源供給室側表面(支持体とは反対側)に、一般式Ln1−xAexMO3(ただし、Lnはランタノイドから選択される一種または二種以上であり、AeはSr,CaおよびBaからなる群から選択される一種または二種以上であり、MはFe,Mn,Ga,Ti,,Co,Ni,Al,In,Sn,Zr,V,Cr,Zn,Ge,Sc,Yからなる群から選択される一種または二種以上であり、xは0≦x≦1を満たす数である。)で表される組成のペロブスカイト型結晶構造を有する複合酸化物、および/または、周期表4族から13族に属する金属元素から選択される一種または二種以上の金属を有する。このような複合酸化物および/または金属は、酸化物イオンの透過を促進する触媒(酸化物イオン透過促進触媒)として機能し得る。したがって、かかる複合酸化物および/または金属が膜状セラミック体を酸素源供給室側表面に有する(典型的には付着している)構成とすることにより、さらに良好な酸素透過性能を示す酸素分離エレメントを備えた酸化反応装置となり得る。上記酸化物イオン透過促進触媒は、膜状セラミック体の酸素側の表面に設けられており、また実質的に炭化反応を起こさないことから、この触媒によってコーキング等の問題が生じることはない。 In still another preferred embodiment of the apparatus disclosed herein, a general formula Ln 1-x Ae x MO 3 (where Ln is the same) is provided on the oxygen source supply chamber side surface (the side opposite to the support) of the membranous ceramic body. One or more selected from lanthanoids, Ae is one or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Ba, and M is Fe, Mn, Ga, Ti, Co, Ni, 1 or 2 or more types selected from the group consisting of Al, In, Sn, Zr, V, Cr, Zn, Ge, Sc, and Y, and x is a number that satisfies 0 ≦ x ≦ 1. And / or a composite oxide having a perovskite crystal structure and / or one or more metals selected from metal elements belonging to Groups 4 to 13 of the periodic table. Such a composite oxide and / or metal can function as a catalyst for promoting permeation of oxide ions (oxide ion permeation promoting catalyst). Therefore, oxygen separation which shows further better oxygen permeation performance by adopting a structure in which such a complex oxide and / or metal has a film-like ceramic body on the oxygen source supply chamber side surface (typically attached). It can be an oxidation reactor equipped with an element. The oxide ion permeation promoting catalyst is provided on the oxygen-side surface of the film-like ceramic body and does not substantially cause a carbonization reaction, so that the catalyst does not cause problems such as coking.
上述したいずれかの装置は、炭化水素の酸化反応装置(典型的には、炭化水素の部分酸化反応装置)として好適に用いることができる。この場合には、炭化水素を主成分とする被酸化ガスを含む酸化対象ガスを酸化反応室に供給するとよい。例えば、上記酸素源供給室に酸素を含むガスを流通させて上記セラミック体の酸素源供給室側表面と接触させる工程と、上記酸化反応室に炭化水素(例えばメタン)を含む酸化対象ガスを流通させて上記セラミック体の酸化反応室側表面と接触させる工程と、を包含する炭化水素の酸化反応方法(典型的には、炭化水素の部分酸化方法)を実施するための装置として好適である。また、炭化水素(天然ガス、メタン等)からその酸化物(典型的には、一酸化炭素のような部分酸化物)およびH2を含む混合ガス(例えば、H2およびCOを2:1の体積比で含有する合成ガス)を製造する混合ガス製造方法を実施するための装置として好適である。
ここで開示される装置はまた、オレフィン合成反応、選択的酸化反応、酸化的脱水素反応等にも利用することができる。例えば、ここで開示される装置を用いて、飽和または不飽和の低分子量炭化水素(例えばエタン、プロパン、エチルベンゼン等)から不飽和炭化水素(オレフィン等)を生じさせる反応、イソブタンからイソブテンおよび/またはメタクリル酸を生じさせる反応、アルカンからアルケンおよび/またはアルキン(例えば、エタンからエチレンおよび/またはアセチレン)を生じさせる反応等を実施することができる。このような反応を行う場合には、酸素分離エレメントとして、膜状セラミック体の酸化反応室側表面および/または多孔質支持体に、酸化反応を促進する触媒であって実質的に炭化反応を起こさない触媒を担持している触媒を備える酸化反応装置を用いることが適している。そのような酸化反応促進触媒としては、金属/Mg−Al系(例えば、金属/MgAlO4)、金属/MgO系(例えば、金属/MgO)、金属/LaO系(例えば、金属/La2O3)、周期表4族から13族に属する金属元素(ただし、Ni,Co,RhおよびPtを除く)から選択される一種または二種以上の金属、等を例示することができる。また、上述した炭化水素酸化反応方法(典型的には、炭化水素の部分酸化方法)や、混合ガス製造方法等を実施するための装置においても、かかる酸化反応促進触媒(実質的に炭化反応を起こさない触媒)を担持した酸素分離エレメントを備える構成を好ましく採用することができる。
Any of the above-described apparatuses can be suitably used as a hydrocarbon oxidation reaction apparatus (typically, a hydrocarbon partial oxidation reaction apparatus). In this case, an oxidation target gas containing an oxidizable gas containing hydrocarbon as a main component may be supplied to the oxidation reaction chamber. For example, a step of circulating a gas containing oxygen in the oxygen source supply chamber and bringing it into contact with the surface of the ceramic body on the oxygen source supply chamber side, and a flow of an oxidation target gas containing hydrocarbon (for example, methane) in the oxidation reaction chamber It is suitable as an apparatus for carrying out a hydrocarbon oxidation reaction method (typically a hydrocarbon partial oxidation method) including a step of contacting the surface of the ceramic body with the oxidation reaction chamber side surface. Also, a mixed gas (for example, H 2 and CO of 2: 1) containing an oxide thereof (typically a partial oxide such as carbon monoxide) and H 2 from a hydrocarbon (natural gas, methane, etc.) It is suitable as an apparatus for carrying out a mixed gas production method for producing a synthesis gas contained in a volume ratio.
The apparatus disclosed here can also be used for olefin synthesis reaction, selective oxidation reaction, oxidative dehydrogenation reaction and the like. For example, using the apparatus disclosed herein, a reaction that produces unsaturated hydrocarbons (olefins, etc.) from saturated or unsaturated low molecular weight hydrocarbons (eg ethane, propane, ethylbenzene, etc.), isobutane to isobutene and / or Reactions that produce methacrylic acid, reactions that produce alkenes and / or alkynes from alkanes (eg, ethylene and / or acetylene from ethane), and the like can be performed. When performing such a reaction, the oxygen separation element is a catalyst that promotes the oxidation reaction on the oxidation reaction chamber side surface of the membranous ceramic body and / or the porous support, and substantially causes a carbonization reaction. It is suitable to use an oxidation reactor comprising a catalyst carrying no catalyst. As such an oxidation reaction promoting catalyst, metal / Mg—Al (for example, metal / MgAlO 4 ), metal / MgO (for example, metal / MgO), metal / LaO (for example, metal / La 2 O 3). ), One or two or more metals selected from metal elements belonging to Group 4 to Group 13 of the periodic table (excluding Ni, Co, Rh, and Pt), and the like. Also, in the apparatus for carrying out the above-described hydrocarbon oxidation reaction method (typically, a hydrocarbon partial oxidation method), a mixed gas production method, etc., such an oxidation reaction promoting catalyst (substantially the carbonization reaction is performed). A configuration including an oxygen separation element carrying a catalyst that does not occur can be preferably employed.
本発明によると、緻密な膜状に形成された酸化物イオン伝導性セラミック体(膜状セラミック体)の一面側に多孔質支持体を有する酸素分離エレメントを用いて、炭化水素等の被酸化ガスを酸化する方法が提供される。ここで、上記酸素分離エレメントとしては、前記一面側よりも支持体側の部分には炭化反応を起こす触媒(典型的には金属触媒)が担持されていないものを用いる。そして、酸素を含む酸素源ガス(例えば空気)を、前記膜状セラミック体の他面側に供給する。また、被酸化ガス(例えば、メタン等の炭化水素)を含む酸化対象ガスを、前記膜状セラミック体の一面側(支持体側)に供給する。この方法によると、酸素分離エレメント(酸化物イオン伝導部品)の酸素源供給室側から酸化反応室側へと多くの酸化物イオンを供給し得る。したがって炭化水素等の被酸化ガスを効率よく酸化(典型的には部分酸化)することができる。この方法は、炭化水素からその酸化物(典型的には部分酸化物)およびH2を含む混合ガス(上記合成ガス等)を効率よく製造する混合ガス製造方法に好ましく適用し得る。上記膜状セラミック体としては、ペロブスカイト型の結晶構造を有するものを好ましく使用することができる。 According to the present invention, using an oxygen separation element having a porous support on one surface side of an oxide ion conductive ceramic body (film-like ceramic body) formed into a dense film, an oxidizable gas such as a hydrocarbon. A method is provided for oxidizing. Here, as the oxygen separation element, an element in which a catalyst (typically a metal catalyst) causing a carbonization reaction is not supported on a portion closer to the support than the one surface side is used. And oxygen source gas (for example, air) containing oxygen is supplied to the other surface side of the film-like ceramic body. In addition, an oxidation target gas containing a gas to be oxidized (for example, a hydrocarbon such as methane) is supplied to one surface side (support side) of the film-like ceramic body. According to this method, a large amount of oxide ions can be supplied from the oxygen source supply chamber side of the oxygen separation element (oxide ion conducting component) to the oxidation reaction chamber side. Therefore, the gas to be oxidized such as hydrocarbon can be efficiently oxidized (typically partially oxidized). This method can be preferably applied to a mixed gas production method for efficiently producing a mixed gas (such as the above-mentioned synthesis gas) containing an oxide (typically a partial oxide) and H 2 from a hydrocarbon. As the film-like ceramic body, those having a perovskite crystal structure can be preferably used.
かかる方法の好適な態様では、炭化水素を主成分とする被酸化ガスを用い、前記他面側の酸素源ガスから前記膜状セラミック体を透過して供給される酸化物イオンが介在する酸化反応により、前記一面側において前記炭化水素を酸化する。例えば、メタンを主成分とする被酸化ガスを用い、前記他面側の酸素源ガスから前記膜状セラミック体を透過して供給される酸化物イオンが介在する酸化反応により、前記一面側において前記メタンからCOxを生じさせる。この方法は、例えば、メタンからCOx(主として一酸化炭素であることが好ましい)および水素(H2)を含む混合ガスを製造する方法として好適である。 In a preferred embodiment of such a method, an oxidation reaction is performed in which an oxidizable gas mainly composed of hydrocarbon is used, and oxide ions supplied from the oxygen source gas on the other surface side through the film-like ceramic body are supplied. Thus, the hydrocarbon is oxidized on the one surface side. For example, by using an oxidizable gas mainly composed of methane, an oxidation reaction mediated by oxide ions that are supplied from the oxygen source gas on the other surface side through the film-like ceramic body causes the one surface side to CO x is generated from methane. This method is suitable, for example, as a method of producing a mixed gas containing COx (preferably mainly carbon monoxide) and hydrogen (H 2 ) from methane.
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書において特に言及している内容以外の技術的事項であって本発明の実施に必要な事項は、従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている技術内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. It should be noted that technical matters other than the contents particularly mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters for those skilled in the art based on the prior art. The present invention can be carried out based on the technical contents disclosed in the present specification and the common general technical knowledge in the field.
ここで開示される酸化反応装置または酸化反応方法は、所定の酸素分離エレメント(酸化物イオン伝導部品)を用いて実施される。その酸素分離エレメントは、酸化物イオン伝導体が緻密な膜状に形成された酸化物イオン伝導性セラミック体(膜状セラミック体)を有する。また、その膜状セラミック体の一面側を支持する多孔質支持体を有する。
かかる酸素分離エレメントを構成する膜状セラミック体は、少なくとも酸化物イオン伝導性を示すセラミック(酸化物イオン伝導体)から形成される。酸化物イオン伝導性および電子伝導性を示すセラミック(混合伝導体)から形成されることが好ましい。かかる混合伝導体から形成された膜状セラミック体(酸素分離膜)は、膜の両面を短絡させるための電極および外部回路を用いることなく、当該セラミック体の一方の面から他方の面へと連続して酸化物イオンを透過させることができる。したがって、かかる膜状セラミック体を有する酸素分離エレメントを用いて構築された反応装置は、該セラミック体の両面を短絡させる外部電極を用いない構成とすることができる。また、外部電極を用いた構成としてもよい。
The oxidation reaction apparatus or the oxidation reaction method disclosed herein is carried out using a predetermined oxygen separation element (oxide ion conductive component). The oxygen separation element has an oxide ion conductive ceramic body (film ceramic body) in which an oxide ion conductor is formed into a dense film. Moreover, it has the porous support body which supports the one surface side of the membranous ceramic body.
The membranous ceramic body constituting the oxygen separation element is formed of at least a ceramic exhibiting oxide ion conductivity (oxide ion conductor). It is preferably formed from a ceramic (mixed conductor) exhibiting oxide ion conductivity and electronic conductivity. A membrane-like ceramic body (oxygen separation membrane) formed from such a mixed conductor is continuous from one surface of the ceramic body to the other without using an electrode and an external circuit for short-circuiting both surfaces of the membrane. Thus, oxide ions can be transmitted. Therefore, a reactor constructed using an oxygen separation element having such a membrane-like ceramic body can be configured not to use external electrodes that short-circuit both surfaces of the ceramic body. Moreover, it is good also as a structure using an external electrode.
上記膜状セラミック体としては、ペロブスカイト型の結晶構造を有するものが好ましい。例えば、一般式Ln1−xAexMO3で表される組成をもつ膜状セラミック体を好ましく使用することができる。ここで、上記一般式中のLnは、ランタノイドから選択される一種または二種以上であり、好ましくはLnである。上記一般式中のAeは、Sr,CaおよびBaからなる群から選択される一種または二種以上であり、好ましくはSrである。また、上記一般式中のMは、Fe,Mn,Ga,Ti,Co,Ni,Al,In,Sn,Zr,V,Cr,Zn,Ge,Sc,Yからなる群から選択される一種または二種以上であり、例えばTiおよび/またはFeである。上記一般式における「x」は、上記一般式で表される組成のペロブスカイト型構造においてLnがAeによって置き換えられた割合を示す値である。このxの値は0≦x≦1の範囲であり得る。 The film-like ceramic body preferably has a perovskite crystal structure. For example, a film-like ceramic body having a composition represented by the general formula Ln 1-x Ae x MO 3 can be preferably used. Here, Ln in the above general formula is one or more selected from lanthanoids, preferably Ln. Ae in the above general formula is one or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Ba, and is preferably Sr. M in the above general formula is one selected from the group consisting of Fe, Mn, Ga, Ti, Co, Ni, Al, In, Sn, Zr, V, Cr, Zn, Ge, Sc, and Y. Two or more kinds, for example, Ti and / or Fe. “X” in the above general formula is a value indicating the ratio of Ln replaced by Ae in the perovskite structure having the composition represented by the above general formula. The value of x can be in the range of 0 ≦ x ≦ 1.
本発明にとり好ましい膜状セラミック体として、ペロブスカイト型の結晶構造を有し、一般式(Ln1−xAex)(Bm1−yFey)O3で表される組成をもつものが挙げられる。上記一般式中のLnは、ランタノイドから選択される一種または二種以上であり、好ましくはLaである。上記一般式中のAeは、Sr,CaおよびBaからなる群から選択される一種または二種以上であり、好ましくはSrである。また、Bmは、Gaおよび/またはTiである。xの値は、例えば0.2≦x≦0.8の範囲とすることができる。酸化物イオン伝導性を高めるという観点からはxの値が大きいほうが好ましい。一方、xの値が大きすぎるとセラミック材にクラックが発生しやすくなることがある。耐久性と酸化物イオン伝導性とを高度にバランスさせるという観点から好ましいxの範囲は、例えば0.2≦x≦0.6であり、より好ましい範囲は0.3≦x≦0.5である。また、前記一般式における「y」は、このペロブスカイト型構造においてBmがFeによって置き換えられた割合を示す値である。このyの値は、0.5≦y≦0.9(より好ましくは、0.6≦y≦0.8)の範囲とすることができる。yの値が小さすぎると(Bmの割合が多すぎると)、酸化物イオンの伝導性が低下傾向となる場合がある。一方、yの値が大きすぎるとクラックが発生しやすくなることがある。
Preferred film-like ceramic body taken present invention has a perovskite crystal structure, include those having a composition represented by the general formula (Ln 1-x Ae x) (Bm 1-y Fe y)
上記酸素分離エレメント(酸化物イオン伝導部品)を構成する多孔質支持体としては、その酸素分離エレメントの使用温度域(通常300℃以上、典型的には500℃以上)において安定な耐熱性を有する材質からなるものが好ましく用いられる。例えば、上述したいずれかの膜状セラミック体と同様の組成を有するセラミック多孔体を用いることができる。また、安定化ジルコニア、酸化セリウム、酸化アルミニウム、窒化珪素、酸化マグネシウム等のうち一種または二種以上の酸化物を主体に構成されたセラミック多孔体であってもよい。あるいはまた、金属材料を主体とする金属質多孔体、高耐熱性樹脂材料(ポリアミド、ポリアミド−イミド、ポリベンゾイミダゾール等が例示される)等を主体とする有機質多孔体等を多孔質支持体として用いてもよい。 The porous support constituting the oxygen separation element (oxide ion conducting component) has stable heat resistance in the operating temperature range of the oxygen separation element (usually 300 ° C. or higher, typically 500 ° C. or higher). A material made of a material is preferably used. For example, a porous ceramic body having the same composition as any one of the above-described membrane-like ceramic bodies can be used. Moreover, the ceramic porous body comprised mainly by 1 type, or 2 or more types of oxides among stabilized zirconia, cerium oxide, aluminum oxide, silicon nitride, magnesium oxide, etc. may be sufficient. Alternatively, the porous support may be a porous metal body mainly composed of a metal porous body mainly composed of a metal material, a high heat resistant resin material (polyamide, polyamide-imide, polybenzimidazole, etc.). It may be used.
上記セラミック多孔体の好適例として、一般式Ln1−xAexMO3で表される組成のペロブスカイト型結晶構造を有する複合酸化物を主体に構成されたものが挙げられる。ここで、上記一般式中のLnは、ランタノイドから選択される一種または二種以上であり、好ましくはLnである。上記一般式中のAeは、Sr,CaおよびBaからなる群から選択される一種または二種以上であり、好ましくはSrである。また、上記一般式中のMは、Fe,Mn,Ga,Ti,Co,Ni,Al,In,Sn,Zr,V,Cr,Zn,Ge,Sc,Yからなる群から選択される一種または二種以上であり、例えばTiおよび/またはFeである。例えば、膜状セラミック体と同種の金属元素から構成される(すなわち、LnおよびAeの種類が同じである)セラミック多孔体を好ましく用いることができる。好ましい一つの態様では、膜状セラミック体とセラミック多孔体(支持体)とが実質的に同組成である。かかる場合には、膜状セラミック体のみならず支持体も酸化物イオン伝導性を有することから、酸化物イオンがより効率よく被酸化ガス(炭化水素等)に供給され得る。また、一般式(Ln1−xAex)(Bm1−yFey)O3で表される組成のペロブスカイト型結晶構造を有し、膜状セラミック体と同種の金属元素から構成される(すなわち、Ln,AeおよびBmの種類が同じである)セラミック多孔体を好ましく使用することができる。このように膜状セラミック体と支持体とが実質的に同組成である場合には、上記一般式中のBmがTiであることが特に好ましい。
かかるセラミック多孔体を膜状セラミック体の酸化反応室側(炭化水素側)に備える酸素分離エレメントは、特に良好な酸化性能を示すものとなり得る。例えば、そのような酸素分離エレメントを用いて構築した酸化反応装置に炭化水素(被酸化ガス)を含む酸化対象ガスを供給して長時間(例えば3時間以上、より好ましくは6時間以上)の連続運転を行った場合にも、炭化水素の酸化効率を良好な状態に維持する(すなわち、炭化水素の酸化効率およびその安定性に優れた)ものとなり得る。
Preferable examples of the ceramic porous body include those composed mainly of a composite oxide having a perovskite crystal structure having a composition represented by the general formula Ln 1-x Ae x MO 3 . Here, Ln in the above general formula is one or more selected from lanthanoids, preferably Ln. Ae in the above general formula is one or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Ba, and is preferably Sr. M in the above general formula is one selected from the group consisting of Fe, Mn, Ga, Ti, Co, Ni, Al, In, Sn, Zr, V, Cr, Zn, Ge, Sc, and Y. Two or more kinds, for example, Ti and / or Fe. For example, a porous ceramic body composed of the same kind of metal element as that of the film-like ceramic body (that is, the same kind of Ln and Ae) can be preferably used. In a preferred embodiment, the membranous ceramic body and the ceramic porous body (support) have substantially the same composition. In such a case, since not only the film-like ceramic body but also the support has oxide ion conductivity, the oxide ions can be supplied to the gas to be oxidized (hydrocarbon or the like) more efficiently. Also, having the general formula (Ln 1-x Ae x) (Bm 1-y Fe y) perovskite crystal structure having a composition represented by O 3, composed of a metal element of film-like ceramic body and the same type ( That is, the ceramic porous body (the same kind of Ln, Ae and Bm) can be preferably used. Thus, when the film-like ceramic body and the support have substantially the same composition, it is particularly preferable that Bm in the above general formula is Ti.
An oxygen separation element provided with such a ceramic porous body on the oxidation reaction chamber side (hydrocarbon side) of the membranous ceramic body can exhibit particularly good oxidation performance. For example, a gas to be oxidized containing hydrocarbons (oxidized gas) is supplied to an oxidation reaction apparatus constructed using such an oxygen separation element and continuously for a long time (for example, 3 hours or more, more preferably 6 hours or more). Even when the operation is performed, the oxidation efficiency of the hydrocarbon can be maintained in a good state (that is, the oxidation efficiency of the hydrocarbon and its stability are excellent).
上記酸素分離エレメントは、板状(平面状および曲面状を含む。)、管状(両端が開口した開管状のもの、一端が開口しており一端が閉じている閉管状のもの等を含む)、ハニカム状、あるいはこれらが組み合わさった形状等の多孔質支持体を備えることができる。かかる形状を呈する支持体の一方の表面(典型的には、支持体の厚み方向と直交する表面)に膜状セラミック体が形成(積層)された構成の酸素分離エレメントを用いることができる。このような酸素分離エレメントは、厚み方向に対して非対称な積層構造の壁面を備える。以下、このような構成の酸素分離エレメントを「積層型酸化物イオン伝導部品」または「積層型セラミック部品」ということもある。板状、管状等の膜状(層状)の多孔質支持体(多孔質支持層)の一方の表面に膜状セラミック体が形成された構成の積層型セラミック部品を用いることが好ましい。ここで開示される装置の好適例では、かかる積層型セラミック部品がケーシング内に、多孔質支持体を酸化反応室側(炭化水素側)に向け、膜状セラミック体を酸素源反応室側(酸素側)に向けて配置されている。膜状セラミック体の他面側(支持体とは反対側)の表面が酸素源供給室に露出していることが好ましい。 The oxygen separation element is plate-shaped (including planar and curved surfaces), tubular (including an open tube with both ends open, a closed tube with one end open and one closed), A porous support having a honeycomb shape or a combination thereof can be provided. An oxygen separation element having a structure in which a film-like ceramic body is formed (laminated) on one surface (typically, a surface orthogonal to the thickness direction of the support) of the support having such a shape can be used. Such an oxygen separation element includes a wall surface of a laminated structure that is asymmetric with respect to the thickness direction. Hereinafter, the oxygen separation element having such a configuration may be referred to as a “laminated oxide ion conducting component” or a “laminated ceramic component”. It is preferable to use a multilayer ceramic component having a structure in which a film-like ceramic body is formed on one surface of a plate-like, tubular or other film-like (layer-like) porous support (porous support layer). In a preferred example of the apparatus disclosed herein, such a multilayer ceramic component is placed in the casing, the porous support is directed to the oxidation reaction chamber side (hydrocarbon side), and the membranous ceramic body is directed to the oxygen source reaction chamber side (oxygen). Side). It is preferable that the surface on the other surface side (opposite side of the support) of the film-like ceramic body is exposed to the oxygen source supply chamber.
このように構成された酸化反応装置の酸素源供給室に、酸素源ガスとしての空気(酸素を凡そ20体積%の割合で含有する混合ガス)を流通させる。すると、酸素源供給室に供給された空気(酸素源ガス)に含まれる酸素が酸化物イオンとなって膜状セラミック体を透過する。これにより、酸素源供給室では酸素源ガス(空気)に含まれる酸素が選択的に消費される(酸素源供給室から失われる)。このとき、図8に示すように、膜状セラミック体12の酸素側表面が酸素源供給室20に面している(露出している)ことにより、該表面近傍に新たな酸素を速やかに供給することができる。したがって膜状セラミック体12の酸素側表面近傍における酸素分圧の低下が適切に解消または緩和される。
In the oxygen source supply chamber of the oxidation reaction apparatus configured in this manner, air (a mixed gas containing oxygen at a ratio of approximately 20% by volume) as an oxygen source gas is circulated. Then, oxygen contained in the air (oxygen source gas) supplied to the oxygen source supply chamber becomes oxide ions and permeates the film-like ceramic body. Thereby, oxygen contained in the oxygen source gas (air) is selectively consumed in the oxygen source supply chamber (lost from the oxygen source supply chamber). At this time, as shown in FIG. 8, since the oxygen-side surface of the film-like
一方、図10に示すように多孔質支持体14を酸素源供給室20側に向けて酸素分離エレメント10を配置した構成では、膜状セラミック体12の酸素側表面が多孔質支持体14によって覆われている。このため、図8に示す構成とは異なり、酸素の消費(透過)により酸素分圧の低くなった雰囲気がセラミック体12の酸素側表面(支持体の細孔内)に溜まりやすい。すなわち、該表面近傍に新たな酸素が供給されるのに時間がかかる。このような場合には、セラミック組成の検討や薄膜化等によってセラミック体の酸素分離能を高くしても、そのセラミック体の性能を十分に発揮させることができない。すなわち、多孔質支持体を酸素源供給室側(酸素側)に向けた構成では、セラミック体の酸素分離能が高くなるとその表面への酸素供給が追いつかなくなる。このため、酸素側表面近傍の酸素分圧の低い条件で運転を続けることとなり、酸化物イオンの供給量が低下する。したがって、本発明に係る酸化反応装置では、図8に示すように、多孔質支持体14を酸化反応室30側(炭化水素等の被酸化ガスに接触する側)に向けて酸素分離エレメント10を配置する。
On the other hand, as shown in FIG. 10, in the configuration in which the
酸素分離エレメントを構成する膜状セラミック体は、緻密であって(例えば、理論密度に対する相対密度が95%以上であり)、実質的にガス不透性であることが好ましい。この膜状セラミック体(セラミック膜)の厚さは、例えば凡そ200μm以下(典型的には、凡そ5〜200μm)の範囲とすることができ、好ましい態様では凡そ100μm以下(典型的には、凡そ5〜100μm)の範囲とすることができる。膜状セラミック材の厚みを小さく(薄く)すると、酸化物イオンの透過距離が短縮されることにより、酸素透過量(酸素分離能)を向上させることができる。ここで、本発明に係る酸素分離エレメントは、膜状セラミック体の一面側(酸化反応室側、すなわち被酸化ガスに接触する側)が多孔質支持体によって支持されている。したがって、この膜状セラミック体を比較的薄くし、かつ酸化対象ガスに接触する条件(還元性雰囲気)で使用した場合にも、酸化物イオン透過性(伝導性)等の性能と膜状セラミック体の耐久性(クラックの発生しにくさ等)とを高度なレベルでバランスさせることができる。 The film-like ceramic body constituting the oxygen separation element is preferably dense (for example, a relative density of 95% or more with respect to the theoretical density) and substantially gas-impermeable. The thickness of the film-like ceramic body (ceramic film) can be, for example, in the range of about 200 μm or less (typically about 5 to 200 μm), and in a preferred embodiment, the thickness is about 100 μm or less (typically about 5 to 100 μm). When the thickness of the membrane ceramic material is reduced (thinned), the permeation distance of oxide ions is shortened, so that the oxygen permeation amount (oxygen separation ability) can be improved. Here, in the oxygen separation element according to the present invention, one side of the membrane-like ceramic body (the oxidation reaction chamber side, that is, the side in contact with the gas to be oxidized) is supported by the porous support. Therefore, even when this membrane-like ceramic body is made relatively thin and used under conditions (reducing atmosphere) in contact with the gas to be oxidized, performance such as oxide ion permeability (conductivity) and the membrane-like ceramic body It is possible to balance the durability (hardness of cracking, etc.) at a high level.
酸素分離エレメントを構成する多孔質支持体(例えばセラミック多孔体)の気孔率は、例えば凡そ80体積%以下(典型的には、凡そ5〜80体積%)とすることができる。酸素分離エレメントの機械的強度および/または製造容易性(例えば、多孔質支持体の表面に膜状セラミック体を適切に形成しやすいことをいう。)の観点からは、多孔質支持体の気孔率を凡そ60体積%以下(典型的には、凡そ5〜60体積%)とすることが適当である。
多孔質支持体の気孔率が凡そ5〜60体積%(より好ましくは凡そ10〜50体積%、さらに好ましくは凡そ10〜40体積%)の範囲にある場合には、本発明の適用効果が特によく発揮され得る。さらに、多孔質支持体の気孔率が凡そ10〜30体積%の範囲にある場合にも十分な酸素透過量を実現することが可能である。このように比較的気孔率の低い多孔質支持体は機械的強度が良好である。また、支持体の表面に、より薄い膜状セラミック体を適切に形成することができる。また、この支持体により支持される膜状セラミック体の厚みがより小さく(薄く)なっても、そのセラミック体のクラック発生や支持体からの剥離をよく防止または抑制することができる。これらのうち少なくとも一つの効果により、上記範囲の気孔率を有する多孔質支持体は、より薄い膜状セラミック体(例えば凡そ100μm以下)を備え、かつ耐久性に優れた酸素分離エレメントを構成するものとなり得る。
特に限定するものではないが、多孔質支持体としては、平均細孔径が例えば20μm以下(典型的には0.1〜20μm)であるものを用いることができる。平均細孔径が3μm以下(典型的には0.5〜3μm)の多孔質支持体を用いることが好ましい。このような多孔質支持体は、その表面に、より薄い膜状セラミック体を適切に形成することができる。なお、多孔質支持体の気孔率および平均細孔径は、例えば水銀圧入法により測定することができる。
多孔質支持体の厚さは特に限定されない。例えば、平面状あるいは管状の多孔質支持体にあっては、その厚さを凡そ0.5〜50mmの範囲とすることができ、より好ましい範囲は凡そ1〜20mm、より好ましい範囲は凡そ2〜10mm、さらに好ましい範囲は凡そ2〜5mmである。多孔質支持体の厚さを上記範囲内とすることにより、特に機械的強度に優れるとともに、膜状セラミック体と被酸化ガス(例えば炭化水素)との接触効率のよい酸素分離エレメントを提供することができる。
The porosity of the porous support (for example, ceramic porous body) constituting the oxygen separation element can be, for example, about 80% by volume or less (typically about 5 to 80% by volume). From the viewpoint of mechanical strength and / or ease of manufacture of the oxygen separation element (for example, it means that a membranous ceramic body is easily formed on the surface of the porous support), the porosity of the porous support is Is about 60% by volume or less (typically about 5 to 60% by volume).
When the porosity of the porous support is in the range of about 5 to 60% by volume (more preferably about 10 to 50% by volume, more preferably about 10 to 40% by volume), the application effect of the present invention is particularly effective. Can be demonstrated well. Furthermore, it is possible to realize a sufficient oxygen permeation amount even when the porosity of the porous support is in the range of about 10 to 30% by volume. Thus, the porous support having a relatively low porosity has good mechanical strength. Moreover, a thinner film-like ceramic body can be appropriately formed on the surface of the support. Further, even when the thickness of the film-like ceramic body supported by the support is smaller (thin), the generation of cracks in the ceramic body and the peeling from the support can be well prevented or suppressed. Due to at least one of these effects, the porous support having a porosity in the above-mentioned range comprises a thinner membrane-like ceramic body (for example, approximately 100 μm or less) and constitutes an oxygen separation element having excellent durability. Can be.
Although it does not specifically limit, as a porous support body, what has an average pore diameter of 20 micrometers or less (typically 0.1-20 micrometers) can be used, for example. It is preferable to use a porous support having an average pore diameter of 3 μm or less (typically 0.5 to 3 μm). Such a porous support can appropriately form a thinner membranous ceramic body on the surface thereof. The porosity and average pore diameter of the porous support can be measured by, for example, a mercury intrusion method.
The thickness of the porous support is not particularly limited. For example, in the case of a planar or tubular porous support, the thickness can be in a range of about 0.5 to 50 mm, a more preferable range is about 1 to 20 mm, and a more preferable range is about 2 to 2. 10 mm, and a more preferable range is about 2 to 5 mm. By providing the thickness of the porous support within the above range, it is possible to provide an oxygen separation element that is excellent in mechanical strength and has good contact efficiency between the membranous ceramic body and the gas to be oxidized (for example, hydrocarbon). Can do.
上記一般式Ln1−xAexMO3で表される膜状セラミック体と、該セラミック体とほぼ同じ組成の多孔質支持体とを有する酸素分離エレメントは、例えば以下のようにして製造することができる。
まず、多孔質支持体(セラミック多孔体)を製造するための粉末(多孔質体形成用粉末)を用意する。例えば、目的とするセラミック多孔体を構成する金属原子を含む化合物の粉末(原料粉末)を所定の割合(モル比)で混合する。この混合物を成形し、酸化性雰囲気(例えば大気中)または不活性ガス雰囲気で焼成し、一般式Ln1−xAexMO3で表される焼成物を得る。これを解砕して多孔体形成用粉末を用意することができる。このとき、解砕条件を調節したり、必要に応じて篩い分け(分級)等を行ったりすることによって、所望の粒径を有する多孔体形成用粉末を調製することができる。この多孔体形成用粉末の平均粒径によって、最終的に得られる酸素分離エレメントにおけるセラミック多孔体の気孔率および/または平均細孔径を制御することができる。通常は、多孔体形成用粉末の平均粒径を凡そ1〜150μmの範囲とすることが適当であり、好ましい範囲は凡そ20〜100μm、より好ましい範囲は凡そ40〜100μmである。かかる平均粒径を有する多孔体形成用粉末は、本発明により提供される炭化水素酸化反応装置の構成要素として適した酸素分離エレメントを容易に製造することができる。
An oxygen separation element having a membrane-like ceramic body represented by the above general formula Ln 1-x Ae x MO 3 and a porous support having substantially the same composition as the ceramic body is manufactured, for example, as follows. Can do.
First, a powder (porous body forming powder) for producing a porous support (ceramic porous body) is prepared. For example, a powder (raw material powder) of a compound containing metal atoms constituting the target ceramic porous body is mixed at a predetermined ratio (molar ratio). This mixture is shaped and fired in an oxidizing atmosphere (for example, in the air) or an inert gas atmosphere to obtain a fired product represented by the general formula Ln 1-x Ae x MO 3 . This can be crushed to prepare a powder for forming a porous body. At this time, the powder for forming a porous body having a desired particle diameter can be prepared by adjusting the crushing conditions or performing sieving (classification) as necessary. The porosity and / or average pore diameter of the ceramic porous body in the finally obtained oxygen separation element can be controlled by the average particle diameter of the porous body forming powder. Usually, it is appropriate that the average particle size of the porous body forming powder is in the range of about 1 to 150 μm, the preferable range is about 20 to 100 μm, and the more preferable range is about 40 to 100 μm. The porous body-forming powder having such an average particle diameter can easily produce an oxygen separation element suitable as a constituent element of the hydrocarbon oxidation reaction apparatus provided by the present invention.
なお、上記原料粉末としては、セラミック多孔体を構成する金属原子を含む酸化物あるいは加熱により酸化物となり得る化合物(当該金属原子の炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、ハロゲン化物、水酸化物、オキシハロゲン化物等)の一種または二種以上を含有するものを用いることができる。この原料粉末は、セラミック多孔体を構成する金属原子のうち二種以上の金属原子を含む化合物(複合金属酸化物、複合金属炭酸塩等)を含有してもよい。
また、上記一般式で表される組成を有する市販の酸化物粉末等をそのまま多孔体形成用粉末として用いてもよい。あるいは、そのような酸化物粉末を造粒し、仮焼して所望の粒径に成長させたものを用いてもよい。粒径を成長させる手段は特に限定されない。例えば、上記酸化物粉末を所定量のバインダ、分散剤等の添加剤と混合し、ボールミル等によりよく混練し、乾燥して凝集体を得る。この該凝集体を仮焼し、必要に応じて解砕することにより、所望の粒径の多孔体形成用粉末を得ることができる。または、上記酸化物粉末に所定量のバインダ、分散媒、分散剤等の添加剤を加えてスラリー状にした後、スプレードライヤー等により加熱乾燥及び仮焼して、所望の粒径の多孔体形成用粉末を得ることができる。
The raw material powder includes an oxide containing a metal atom constituting the ceramic porous body or a compound that can be converted into an oxide by heating (a carbonate, nitrate, sulfate, phosphate, acetate, oxalic acid of the metal atom) Salts containing one or more of salts, halides, hydroxides, oxyhalides and the like) can be used. This raw material powder may contain a compound (a composite metal oxide, a composite metal carbonate or the like) containing two or more metal atoms among the metal atoms constituting the ceramic porous body.
Moreover, you may use the commercially available oxide powder etc. which have a composition represented by the said general formula as a powder for porous body formation as it is. Or you may use what granulated such an oxide powder, and calcined and made it grow to the desired particle size. The means for growing the particle size is not particularly limited. For example, the above-mentioned oxide powder is mixed with a predetermined amount of an additive such as a binder and a dispersant, kneaded well by a ball mill or the like, and dried to obtain an aggregate. The aggregate is calcined and, if necessary, pulverized, whereby a porous body-forming powder having a desired particle size can be obtained. Alternatively, a predetermined amount of an additive such as a binder, a dispersion medium, and a dispersing agent is added to the above oxide powder to form a slurry, followed by heating and drying with a spray dryer or the like to form a porous body having a desired particle size. Powder can be obtained.
次いで、上記多孔体形成用粉末を所定形状の成形体に成形する。成形方法としては、一軸圧縮成形、静水圧プレス、押出し成形等の、従来公知の種々の方法を特に制限なく採用することができる。この成形のために従来公知のバインダ等を使用することができる。また、バインダ、分散媒、分散剤等を適宜使用して上記粉末を含むスラリーあるいは可塑性固形物を調製し、それを鋳込み法、押出し成形法、射出成形法等により所望の形状に成形してもよい。
その成形体を焼成してセラミック多孔体を得る。成形体を焼成する温度域(最高焼成温度)は、膜状セラミック体の組成(ここでは多孔質支持体とほぼ同じ組成)等に応じて適宜選択され得る。膜状セラミック体の焼成温度と同等以上の温度域で焼成することが好ましい。例えば、膜状セラミック体の焼成温度が1200〜1800℃である場合には、通常は1200〜1800℃程度で焼成することが適当であり、1300〜1700℃程度とすることが好ましく、1300〜1600℃程度とすることがより好ましく、1400〜1500℃程度とすることがさらに好ましい。好適な焼成時間は成形体の性状等に応じて異なり得る。通常は焼成時間を1〜15時間程度とすることが適当であり、3〜10時間程度とすることが好ましく、3〜5時間程度とすることがさらに好ましい。なお、有機物添加剤(例えばバインダ、分散剤等)を予め分解除去して均一な細孔を得るために、本焼成前に予め一回以上の仮焼成を行ってもよい。この仮焼成は、例えば本焼成よりも低い温度であってかつ有機物が分解可能な温度(例えば、100〜1000℃、好ましくは200〜500℃程度)で、例えば3〜15時間程度(好ましくは8〜12時間程度)行うことができる。仮焼成後に最高焼成温度まで昇温して本焼成を行う。昇温速度は特に限定されないが、通常1〜10℃/分、好ましくは1〜2℃/分である。焼成雰囲気としては、上記酸化物が焼結され得る酸化性雰囲気または不活性ガス雰囲気が好ましい。
Next, the porous body forming powder is formed into a molded body having a predetermined shape. As the molding method, various conventionally known methods such as uniaxial compression molding, isostatic pressing, and extrusion molding can be employed without particular limitation. A conventionally well-known binder etc. can be used for this shaping | molding. Also, a slurry or plastic solid containing the above powder can be prepared by appropriately using a binder, a dispersion medium, a dispersant, etc., and molded into a desired shape by a casting method, an extrusion molding method, an injection molding method, or the like. Good.
The molded body is fired to obtain a ceramic porous body. The temperature range (maximum firing temperature) at which the molded body is fired can be appropriately selected according to the composition of the membranous ceramic body (here, almost the same composition as the porous support). It is preferable to fire at a temperature range equal to or higher than the firing temperature of the film ceramic body. For example, when the firing temperature of the film-like ceramic body is 1200 to 1800 ° C., it is usually appropriate to fire at about 1200 to 1800 ° C., preferably about 1300 to 1700 ° C., preferably 1300 to 1600 ° C. More preferably, the temperature is about 1 ° C, and more preferably about 1400 to 1500 ° C. A suitable firing time may vary depending on the properties of the molded body. Usually, the firing time is suitably about 1 to 15 hours, preferably about 3 to 10 hours, and more preferably about 3 to 5 hours. In addition, in order to decompose and remove organic additives (for example, a binder, a dispersant, etc.) in advance and obtain uniform pores, one or more preliminary firings may be performed in advance before the main firing. This preliminary calcination is, for example, a temperature lower than that of the main calcination and capable of decomposing organic matter (for example, 100 to 1000 ° C., preferably about 200 to 500 ° C.), for example, for about 3 to 15 hours (preferably 8 About 12 hours). After the preliminary firing, the main firing is performed by raising the temperature to the maximum firing temperature. The rate of temperature increase is not particularly limited, but is usually 1 to 10 ° C / min, preferably 1 to 2 ° C / min. The firing atmosphere is preferably an oxidizing atmosphere or an inert gas atmosphere in which the oxide can be sintered.
また、得られたセラミック多孔体の表面に膜状セラミック体を形成(成膜)するための粉末(膜状セラミック体形成用粉末)を用意する。例えば、目的とする膜状セラミック体を構成する金属原子を含む化合物の粉末(原料粉末)を所定の割合(モル比)で混合する。この混合物を成形し、酸化性雰囲気(例えば大気中)または不活性ガス雰囲気で焼成し、一般式Ln1−xAexMO3で表される焼成物を得る。これを解砕して膜状セラミック体形成用粉末を用意することができる。通常は、該粉末の平均粒径を凡そ1〜30μmの範囲とすることが好ましく、凡そ1〜15μm範囲とすることがより好ましい。平均粒径が上記範囲にある粉末は、セラミック多孔体の表面に緻密な膜状セラミック体を形成するのに適している。したがって、かかる平均粒径を有する膜状セラミック体形成用粉末によると、本発明により提供される酸化反応装置の構成要素として適した酸素分離エレメントを容易に製造することができる。
なお、セラミック多孔体を製造する場合と同様に、上記原料粉末としては、膜状セラミック体を構成する金属原子(一種または二種以上)を含む酸化物あるいは加熱により酸化物となり得る化合物の一種または二種以上を含有するものを用いることができる。また、上記一般式で表される組成を有する市販の酸化物粉末等をそのまま用いてもよい。あるいは、そのような酸化物粉末等の粒径を調節したものを用いてもよい。例えば、市販の酸化物粉末を所定の粒径に成長させたもの、所定の粒径に粉砕したもの等を用いることができる。
In addition, powder (film-forming ceramic body forming powder) for forming (film-forming) a film-shaped ceramic body on the surface of the obtained ceramic porous body is prepared. For example, a compound powder (raw material powder) containing metal atoms constituting the target membranous ceramic body is mixed at a predetermined ratio (molar ratio). This mixture is shaped and fired in an oxidizing atmosphere (for example, in the air) or an inert gas atmosphere to obtain a fired product represented by the general formula Ln 1-x Ae x MO 3 . This can be crushed to prepare a powder for forming a film-like ceramic body. Usually, the average particle diameter of the powder is preferably in the range of about 1 to 30 μm, and more preferably in the range of about 1 to 15 μm. The powder having an average particle size in the above range is suitable for forming a dense film-like ceramic body on the surface of the ceramic porous body. Therefore, according to the powder for forming a film-like ceramic body having such an average particle size, an oxygen separation element suitable as a component of the oxidation reaction apparatus provided by the present invention can be easily produced.
As in the case of producing a ceramic porous body, the raw material powder is an oxide containing a metal atom (one or two or more) constituting a membranous ceramic body, or a compound that can be converted into an oxide by heating, or What contains 2 or more types can be used. Moreover, you may use the commercially available oxide powder etc. which have a composition represented by the said general formula as it is. Or what adjusted the particle size, such as such oxide powder, may be used. For example, commercially available oxide powders grown to a predetermined particle size, those pulverized to a predetermined particle size, and the like can be used.
次いで、上記膜状セラミック体形成用粉末を多孔質支持体に付与する。付与方法としては、従来公知の薄膜形成プロセスに用いられる各種の方法を採用することができる。例えば、上記粉末を有機溶剤等のバインダに分散させたスラリー状形成材料を用いたディップコーティング法、スピンコーティング法、スクリーン印刷法、スプレー法を用いることができる。これらのうち好ましいものとしてディップコーティング法が挙げられる。形成する膜状セラミック体の厚さは、コーティング液における膜状セラミック体形成用粉末の濃度、分散剤、分散媒、可塑剤等の添加剤の種類、コーティング液の粘度、製膜条件、乾燥条件等を適宜調節することにより制御することが可能である。その後、上記粉末を焼成して多孔質支持体上に膜状セラミック体を形成する。好ましい焼成条件は膜状セラミック体の組成等に応じて異なり得る。緻密な酸化物膜を形成するという観点から、通常は1200〜1800℃の酸化性雰囲気または不活性ガス雰囲気下にて焼成することが適当である。上述した多孔質支持体の焼成温度と同等以下の温度で焼成することが好ましい。これにより、最終的に得られる酸素分離エレメントにおける多孔質支持体の性状(気孔率、平均細孔径等)をよりよく制御することができる。
なお、上述したセラミック多孔体の製造と同様の手法により、使用する原料粉末の組成に応じて安定化ジルコニア、酸化セリウム、酸化アルミニウム、窒化珪素、酸化マグネシウム等から選択される一種または二種以上の酸化物を含むセラミック多孔体や、このような酸化物の一種または二種以上と一般式Ln1−xAexMO3で表される複合酸化物とを含むセラミック多孔体を製造することができる。このようなセラミック多孔体の上に、同様にして一般式Ln1−xAexMO3で表される膜状セラミック体を形成し、酸素分離エレメントを製造することができる。
Next, the film-form ceramic body-forming powder is applied to the porous support. As the application method, various methods used in conventionally known thin film forming processes can be employed. For example, a dip coating method, a spin coating method, a screen printing method, or a spray method using a slurry-like forming material in which the above powder is dispersed in a binder such as an organic solvent can be used. Among these, a dip coating method is preferable. The thickness of the film-shaped ceramic body to be formed is the concentration of the powder for forming the film-shaped ceramic body in the coating liquid, the type of additives such as a dispersant, a dispersion medium, and a plasticizer, the viscosity of the coating liquid, film-forming conditions, and drying conditions It is possible to control by adjusting these appropriately. Thereafter, the powder is fired to form a membranous ceramic body on the porous support. Preferred firing conditions may vary depending on the composition of the film-like ceramic body. From the viewpoint of forming a dense oxide film, it is usually appropriate to fire in an oxidizing atmosphere or an inert gas atmosphere at 1200 to 1800 ° C. Baking is preferably performed at a temperature equal to or lower than the baking temperature of the porous support described above. Thereby, the properties (porosity, average pore diameter, etc.) of the porous support in the finally obtained oxygen separation element can be better controlled.
In addition, one or two or more kinds selected from stabilized zirconia, cerium oxide, aluminum oxide, silicon nitride, magnesium oxide and the like according to the composition of the raw material powder to be used, by the same method as in the production of the ceramic porous body described above A ceramic porous body containing an oxide, or a ceramic porous body containing one or more of such oxides and a composite oxide represented by the general formula Ln 1-x Ae x MO 3 can be produced. . A membrane-like ceramic body represented by the general formula Ln 1-x Ae x MO 3 can be similarly formed on such a ceramic porous body to produce an oxygen separation element.
ここで開示される装置に備えられる酸素分離エレメントは、支持体の内部に、炭化反応を起こす触媒(典型的には、ニッケル系触媒、ロジウム系触媒、コバルト系触媒等の金属触媒)が実質的に存在しない。これにより、例えば図15に示すように金属触媒62等を付着させた多孔質支持体14を酸化反応室30側に向けてエレメント10を配置した構成とは異なり、本発明に係る装置によるとコーキングによる支持体の目詰まりを回避することができる。したがって、長時間(例えば3時間以上、好ましくは6時間以上)の連続運転においても良好な酸化効率を安定的に維持できる(酸化効率の顕著な低下がみられない)装置となり得る。例えば、6時間の連続運転後においても、運転開始直後の凡そ80%以上に相当する酸化効率を維持することが可能である。
In the oxygen separation element provided in the apparatus disclosed herein, a catalyst that causes a carbonization reaction (typically, a metal catalyst such as a nickel-based catalyst, a rhodium-based catalyst, or a cobalt-based catalyst) is substantially included in the support. Does not exist. Accordingly, for example, as shown in FIG. 15, the structure according to the present invention is different from the configuration in which the
この酸素分離エレメントは、「酸化物イオンの透過を促進する触媒」を有する構成とすることができる。かかる酸化物イオン透過促進触媒(以下、単に「透過促進触媒」ということもある。)としては、LaSrCoO3系、LaSrFeO3系、LaSrCoFeO3系、LaCoO3系、LaBaCo系、SeFeO3系、SmSrCo系、CaTiO3系等のような、従来公知の酸化物イオン伝導体の一種または二種以上を用いることができる。これらのうち好ましく用いられる透過促進触媒は、CaTiO3またはLn1−xAexMO3(ただし、Lnはランタノイドから選択される一種または二種以上であり、AeはSr,CaおよびBaからなる群から選択される一種または二種以上であり、MはFe,Mn,Ga,Ti,,Co,Ni,Al,In,Sn,Zr,V,Cr,Zn,Ge,Sc,Yからなる群から選択される一種または二種以上であり、xは0≦x≦1を満たす数である。)で表される組成のペロブスカイト型複合酸化物を含むものである。特に好ましい触媒は(LazSr1−z)CoO3(ただし、0.1≦z<1である。)を含むものである。 This oxygen separation element can be configured to have a “catalyst that promotes permeation of oxide ions”. Examples of the oxide ion permeation promoting catalyst (hereinafter sometimes simply referred to as “permeation promoting catalyst”) include LaSrCoO 3 , LaSrFeO 3 , LaSrCoFeO 3 , LaCoO 3 , LaBaCo, SeFeO 3 , and SmSrCo. One kind or two or more kinds of conventionally known oxide ion conductors such as CaTiO 3 can be used. Among these, a permeation promoting catalyst preferably used is CaTiO 3 or Ln 1-x Ae x MO 3 (where Ln is one or more selected from lanthanoids, and Ae is a group consisting of Sr, Ca and Ba). And M is selected from the group consisting of Fe, Mn, Ga, Ti, Co, Ni, Al, In, Sn, Zr, V, Cr, Zn, Ge, Sc, and Y. 1 or 2 or more selected, and x is a number satisfying 0 ≦ x ≦ 1)). Particularly preferred catalysts include (La z Sr 1-z ) CoO 3 (where 0.1 ≦ z <1).
このような透過促進触媒は、膜状セラミック体の酸素側表面、炭化水素側表面、多孔質支持体等から選択される任意の箇所に配置することができる。膜状セラミック体の酸素側(酸素源供給室側)表面に透過促進触媒を担持した(付着させた)構成とすることが特に好ましい。この酸素側表面のほぼ全体を覆うように上記透過促進触媒が付着(コート)されているものを好ましく用いることができる。あるいは、一部領域のみに(例えば点状、ストライプ状、格子状等に)触媒が付着されていてもよい。セラミック材の表面に触媒を付着させる方法は特に限定されない。例えば、触媒粉末を含むスラリーを調整し、このスラリーをセラミック材の表面に塗布して乾燥させることにより目的の触媒を付着(コート)させることができる。その後、付着された触媒粉末をさらに焼成してもよい。
なお、Pt,Pd,Ru,Au,Ag,Bi,Ba,V,Mo,Ce,Pr,Co,RhおよびMnからなる群から選択される一種または二種以上の金属を主体とする金属触媒も、酸化物イオンの透過を促進する触媒として機能し得る。透過促進触媒としてこのような金属触媒を用いる場合には、該触媒を膜状セラミック体の酸素側表面のみに配置する(炭化水素側には配置しない)ことが特に好ましい。
Such a permeation promoting catalyst can be disposed at any location selected from the oxygen side surface, hydrocarbon side surface, porous support and the like of the membranous ceramic body. It is particularly preferable that the permeation promoting catalyst is supported (attached) on the oxygen side (oxygen source supply chamber side) surface of the membranous ceramic body. What has the said permeation | transmission acceleration | stimulation catalyst adhered (coat) so that substantially the whole oxygen side surface may be covered can be used preferably. Alternatively, the catalyst may be attached only to a partial region (for example, in the form of dots, stripes, lattices, etc.). The method for attaching the catalyst to the surface of the ceramic material is not particularly limited. For example, the target catalyst can be attached (coated) by adjusting a slurry containing catalyst powder, applying the slurry to the surface of the ceramic material, and drying the slurry. Thereafter, the attached catalyst powder may be further fired.
A metal catalyst mainly composed of one or more metals selected from the group consisting of Pt, Pd, Ru, Au, Ag, Bi, Ba, V, Mo, Ce, Pr, Co, Rh and Mn is also used. It can function as a catalyst that promotes permeation of oxide ions. When such a metal catalyst is used as the permeation promoting catalyst, it is particularly preferable to dispose the catalyst only on the oxygen side surface of the membranous ceramic body (not on the hydrocarbon side).
次に、酸化反応装置の好適な構成につき説明する。この装置は、上記酸素分離エレメントをケーシングに収容してなる一または二以上の酸化反応モジュールを備える。このケーシング内には、酸素分離エレメントを構成する膜状セラミック体を介して互いに気密に区画された酸素源供給室および酸化反応室が形成されている。一つのモジュールに収容されているエレメントの数は一つでもよく二つ以上でもよい。また、一つのモジュールに設けられている酸素源供給室および酸化反応室の数は一つでも二つ以上でもよい。一つのモジュールに設けられている酸素源供給室の数と酸化反応室の数は同じでもよく異なってもよい。かかる酸化反応モジュールに収容される酸素分離エレメントとしては、膜状セラミック体の酸素側表面に酸化物イオン透過促進触媒が付着されているものが好ましい。 Next, a preferred configuration of the oxidation reaction apparatus will be described. This apparatus includes one or more oxidation reaction modules in which the oxygen separation element is accommodated in a casing. In this casing, an oxygen source supply chamber and an oxidation reaction chamber are formed that are hermetically partitioned from each other via a membrane-like ceramic body constituting the oxygen separation element. The number of elements accommodated in one module may be one, or two or more. The number of oxygen source supply chambers and oxidation reaction chambers provided in one module may be one or two or more. The number of oxygen source supply chambers and the number of oxidation reaction chambers provided in one module may be the same or different. As the oxygen separation element accommodated in such an oxidation reaction module, an element having an oxide ion permeation promoting catalyst attached to the oxygen side surface of the membranous ceramic body is preferable.
ここで開示される装置は、上記酸素源供給室に酸素を含むガスを供給して膜状セラミック体の酸素側表面と接触させる酸素源供給手段を備えることができる。この手段により供給されるガス(酸素源ガス)は、典型的には5〜100体積%の酸素を含有する。また、酸素含有率が凡そ5〜80体積%(より好ましくは凡そ5〜50体積%、さらに好ましくは凡そ10〜30%)のガスを供給してもよい。かかる組成の酸素源ガスを供給する場合には、本発明の適用効果が特によく発揮され得る。好ましく使用される酸素源ガスは空気である。装置使用時における酸素源供給室内の雰囲気(酸素源ガスの圧力)は、常圧(大気圧)でもよく、加圧または減圧であってもよい。典型的には常圧または加圧であり、好ましくは常圧である。
なお、上記酸素源供給手段により酸素源供給室に供給するガスの組成は上記範囲に限定されるものではなく、例えば、実質的に酸素のみからなるガス(純酸素)を供給してもよい。また、上述した範囲よりも酸素含有量の低いガスを供給してもよい。例えば、ここで開示される装置を利用して供給ガス中の酸素を取り除く場合等には、上記酸素源供給手段から酸素含有量の低いガスを供給して装置を運転することができる。
The apparatus disclosed herein can include oxygen source supply means for supplying a gas containing oxygen to the oxygen source supply chamber so as to contact the oxygen-side surface of the film-shaped ceramic body. The gas supplied by this means (oxygen source gas) typically contains 5 to 100% by volume of oxygen. A gas having an oxygen content of about 5 to 80% by volume (more preferably about 5 to 50% by volume, more preferably about 10 to 30%) may be supplied. When supplying an oxygen source gas having such a composition, the effect of applying the present invention can be exhibited particularly well. The oxygen source gas preferably used is air. The atmosphere (pressure of the oxygen source gas) in the oxygen source supply chamber when the apparatus is used may be normal pressure (atmospheric pressure), or may be pressurized or reduced pressure. Typically, it is normal pressure or pressurization, preferably normal pressure.
Note that the composition of the gas supplied to the oxygen source supply chamber by the oxygen source supply means is not limited to the above range, and for example, a gas (pure oxygen) substantially consisting of oxygen may be supplied. Moreover, you may supply the gas whose oxygen content is lower than the range mentioned above. For example, when oxygen in the supply gas is removed using the apparatus disclosed herein, the apparatus can be operated by supplying a gas having a low oxygen content from the oxygen source supply means.
また、ここで開示される装置は、上記酸化反応室に被酸化ガス(例えば炭化水素)を含む酸化対象ガスを供給して膜状セラミック体の酸化反応室側表面と接触させる酸化対象ガス供給手段を備えることができる。この被酸化ガスの組成は、目的とする酸化反応生成物の種類、組成等によって適宜選択することができる。例えば、メタン、エタン、プロパン、エチルベンゼン等の低分子量炭化水素から選択される一種または二種以上を含有する組成の酸化対象ガスを用いることができる。あるいは、被酸化ガスとして天然ガスを用いてもよい。好ましい態様では、被酸化ガスの主成分が炭化水素である。このような被酸化ガス(炭化水素等)を、例えば凡そ10体積%以上(典型的には凡そ10〜100体積%)の割合で含有する酸化対象ガスを用いることができる。被酸化ガスの含有割合が凡そ40体積%以上である酸化対象ガスを用いることが好ましく、凡そ80体積%以上であることがより好ましい。また、被酸化ガスの含有割合が実質的に100体積%である酸化対象ガス(例えばメタンガス)を好ましく用いることができる。装置使用時における酸化反応室内の雰囲気は、常圧、加圧および減圧のいずれでもよい。 Further, the apparatus disclosed herein supplies an oxidation target gas supply means for supplying an oxidation target gas containing a gas to be oxidized (for example, hydrocarbon) to the oxidation reaction chamber so as to contact the oxidation reaction chamber side surface of the film-shaped ceramic body. Can be provided. The composition of the oxidizable gas can be appropriately selected depending on the kind and composition of the target oxidation reaction product. For example, an oxidation target gas having a composition containing one or more selected from low molecular weight hydrocarbons such as methane, ethane, propane, and ethylbenzene can be used. Alternatively, natural gas may be used as the gas to be oxidized. In a preferred embodiment, the main component of the gas to be oxidized is a hydrocarbon. For example, an oxidation target gas containing such an oxidizable gas (hydrocarbon or the like) at a ratio of about 10% by volume or more (typically about 10 to 100% by volume) can be used. It is preferable to use an oxidation target gas having an oxidizable gas content of about 40% by volume or more, and more preferably about 80% by volume or more. In addition, an oxidation target gas (for example, methane gas) in which the content ratio of the gas to be oxidized is substantially 100% by volume can be preferably used. The atmosphere in the oxidation reaction chamber during use of the apparatus may be any of normal pressure, pressurization, and reduced pressure.
このような構成の装置は、典型的には次のような条件で用いることができる。すなわち、炭化水素の酸化反応を行う際における膜状セラミック体の好ましい温度は、通常は300℃以上(典型的には300〜1500℃)、好ましくは500℃以上(典型的には500〜1500℃)、より好ましくは800℃以上(典型的には800〜1200℃)である。酸素源供給手段によって酸素源供給室に供給される酸素源ガスの流量は、例えば凡そ10mL〜300L/min(好ましくは凡そ50mL〜200Lml/min)の範囲とすることができる。酸素源供給室に供給される酸素源ガスのうち酸素の流量(酸素供給流量)を凡そ10mL〜150L/min(好ましくは50mL〜100L/min)の範囲とすることが好ましい。また、酸化対象ガス供給手段(例えば、炭化水素ガスのボンベとそれに連結されたバルブ)によって酸化反応室に供給される酸化対象ガスの流量は、例えば5mL〜300L/min(好ましくは5mL〜200L/min)とすることができる。酸化反応室に供給される酸化対象ガスのうち被酸化ガス(例えば、メタン等の炭化水素)の流量を5mL〜150L/min(より好ましくは5mL〜100L/min)の範囲とすることが好ましい。
上記装置によると、例えば、900℃においてセラミック材の単位面積(cm2)当たり毎分10ml以上の酸素(標準状態の酸素分子換算)を、酸素源供給室側から酸化反応室側へと透過させて、炭化水素等の被酸化ガスの酸化反応に利用することができる。より好ましい態様では、20ml/min/cm2以上の酸素を酸素源供給室側から酸化反応室側へと透過させることができる。
The apparatus having such a configuration can typically be used under the following conditions. That is, the preferable temperature of the film-like ceramic body when performing the hydrocarbon oxidation reaction is usually 300 ° C. or higher (typically 300 to 1500 ° C.), preferably 500 ° C. or higher (typically 500 to 1500 ° C.). ), More preferably 800 ° C. or higher (typically 800 to 1200 ° C.). The flow rate of the oxygen source gas supplied to the oxygen source supply chamber by the oxygen source supply means can be, for example, in the range of about 10 mL to 300 L / min (preferably about 50 mL to 200 Lml / min). Of the oxygen source gas supplied to the oxygen source supply chamber, the flow rate of oxygen (oxygen supply flow rate) is preferably in the range of about 10 mL to 150 L / min (preferably 50 mL to 100 L / min). The flow rate of the oxidation target gas supplied to the oxidation reaction chamber by the oxidation target gas supply means (for example, a hydrocarbon gas cylinder and a valve connected thereto) is, for example, 5 mL to 300 L / min (preferably 5 mL to 200 L / min). min). Of the gas to be oxidized supplied to the oxidation reaction chamber, the flow rate of the gas to be oxidized (for example, hydrocarbon such as methane) is preferably in the range of 5 mL to 150 L / min (more preferably 5 mL to 100 L / min).
According to the above apparatus, for example, at 900 ° C., oxygen of 10 ml or more per unit area (cm 2 ) of the ceramic material (in terms of oxygen molecules in a standard state) permeates from the oxygen source supply chamber side to the oxidation reaction chamber side. Thus, it can be used for an oxidation reaction of an oxidizable gas such as hydrocarbon. In a more preferred embodiment, oxygen of 20 ml / min / cm 2 or more can be permeated from the oxygen source supply chamber side to the oxidation reaction chamber side.
本発明により提供される酸化反応装置によると、メタンまたは天然ガス等の被酸化ガスからCOx(主として一酸化炭素であることが好ましい)および水素(H2)を含む混合ガス(例えば、H2およびCOを2:1の体積比で含有する合成ガス)を生じさせる反応を効率よく行うことができる。したがって、本発明の他の側面によると、メタン、天然ガス等の原料ガスから上記混合ガスを製造する製造装置および製造方法が提供される。また、この装置によると、飽和または不飽和の低分子量炭化水素(例えばエタン、プロパン、エチルベンゼン等)から不飽和炭化水素(オレフィン等)を生じさせる反応等の炭化水素部分酸化反応を効率よく進行させることができる。
このような酸化反応装置の酸化反応室に供給するガスの組成および流量、セラミック材を構成するセラミックの組成、酸化促進触媒の有無およびその種類、反応温度等が適宜設定される。
なお、上述したいずれかの装置は、酸化物イオンが介在する他の酸化反応のための反応装置等としても利用することができる。例えば、炭化水素以外の還元性ガスの酸化(水素ガスの酸化によるH2Oの生成等)、芳香族化合物の置換等の酸化反応を行うことができる。さらに、この装置を酸素分離装置として利用することも可能である。
According to the oxidation reaction apparatus provided by the present invention, a mixed gas containing COx (preferably mainly carbon monoxide) and hydrogen (H 2 ) from an oxidizable gas such as methane or natural gas (for example, H 2 and It is possible to efficiently carry out a reaction for producing a synthesis gas containing CO in a volume ratio of 2: 1. Therefore, according to the other aspect of this invention, the manufacturing apparatus and manufacturing method which manufacture the said mixed gas from raw material gas, such as methane and a natural gas, are provided. Further, according to this apparatus, a partial hydrocarbon oxidation reaction such as a reaction for generating unsaturated hydrocarbons (olefins, etc.) from saturated or unsaturated low molecular weight hydrocarbons (eg ethane, propane, ethylbenzene, etc.) can proceed efficiently. be able to.
The composition and flow rate of the gas supplied to the oxidation reaction chamber of such an oxidation reaction apparatus, the composition of the ceramic constituting the ceramic material, the presence / absence and type of the oxidation promoting catalyst, the reaction temperature, etc. are appropriately set.
Note that any of the above-described apparatuses can be used as a reaction apparatus or the like for another oxidation reaction involving oxide ions. For example, an oxidation reaction such as oxidation of a reducing gas other than hydrocarbon (generation of H 2 O by oxidation of hydrogen gas, etc.), substitution of an aromatic compound, etc. can be performed. Further, this apparatus can be used as an oxygen separation apparatus.
以下、本発明により提供される酸化反応装置のいくつかの形態につき、炭化水素を含有する酸化対象ガスを供給する場合を例として説明する。ここで例示される装置は、酸素分離エレメントと、該エレメントを収容するケーシングと、そのケーシング内に形成された酸素源供給室および酸化反応室とを備える酸化反応モジュールを含んで構成されている。
図1は、平板状に形成された酸素分離エレメントを用いた酸化反応モジュールを例示する模式図である。この酸化反応モジュール2は、酸素分離膜(膜状セラミック体)12の一面側に平板状の多孔質支持体14を有する酸素分離エレメント(積層型酸素イオン伝導部品)10と、このエレメント10を収容するケーシング3とを備える。ケーシング3は、エレメント10の一面側(多孔質支持体14側)に接続された外管36と、外管36の内部に挿入された内管34と、エレメント10の他面側(酸素分離膜12側)に接続された外管26と、外管26の内部に挿入された内管24とを有する。内管24,34および外管26,36は、いずれもアルミナ、ムライト等の緻密なセラミック(ここではアルミナ)により形成されている。エレメント10の外周部にはガラスシール11がリング状に形成されている。このガラスシール11は、外管26,36の一端をエレメント10に気密に接合するとともに、エレメント10の外周端を気密にシールしている。エレメント10の酸素分離膜側には、該エレメント10および外管26によって酸素源供給室20が区画形成されている。また、エレメント10の多孔質支持体側には、該エレメント10および外管36によって酸化反応室30が区画形成されている。エレメント10を構成する酸素分離膜12の酸素源供給室20側の表面(図2に示す表面12a)には、図示しない酸化物イオン透過促進触媒(例えばLaSrCoO3系の透過促進触媒)が付着されている。なお、このエレメント10は金属触媒をもたない。
Hereinafter, several forms of the oxidation reaction apparatus provided by the present invention will be described by taking as an example the case of supplying an oxidation target gas containing hydrocarbons. The apparatus exemplified here includes an oxidation reaction module including an oxygen separation element, a casing that accommodates the element, and an oxygen source supply chamber and an oxidation reaction chamber formed in the casing.
FIG. 1 is a schematic view illustrating an oxidation reaction module using an oxygen separation element formed in a flat plate shape. This
図2は、かかる構成のモジュール2を用いて構築された炭化水素酸化反応装置1を示す模式図である。この装置1において、モジュール2の酸素源供給室20には、この酸素源供給室20に空気を流通させて酸素分離膜12の酸素源供給室側(酸素側)の表面12aに接触させるための酸素源供給手段52が接続されている。酸素源供給手段52は、図1に示すように、内管24を通じて酸素源ガス(ここでは空気)を酸素源供給室20に供給し得るように構築されている。一方、図2に示すように、モジュール2の酸化反応室30には、この酸化反応室30に炭化水素を含むガスを流通させて酸素分離膜12の酸化反応室側(炭化水素側)の表面12bに接触させるための炭化水素ガス(酸化対象ガス)供給手段54が接続されている。炭化水素ガス供給手段54は、図1に示すように、内管34を通じて炭化水素(ここではCH4)を酸化反応室30に供給し得るように構築されている。また、図2に示す装置1は、酸素分離エレメント10(特に酸素分離膜12)を所望の温度に加熱するための加熱手段(ヒータ等)56を備える。
この加熱手段56により酸素分離膜12を所定の使用温度(例えば500℃以上)に維持しつつ、酸素源供給手段52および酸化対象ガス供給手段54によって空気(Air)およびCH4をモジュール2に流通させる。これにより、酸素源供給室20に供給された空気中の酸素が、酸素分離膜12の酸素側表面(露出面)12aにおいて電子を受容して酸化物イオンとなり、この酸化物イオンが酸素分離膜12中を拡散して炭化水素側表面12bに到達し、ここでCH4と接触してこれを酸化させ、CO,CO2,H2等の反応物を生じる。このようにして炭化水素の酸化反応(ここでは、メタンの部分酸化反応)が行われる。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a hydrocarbon oxidation reaction apparatus 1 constructed using the
While maintaining the
なお、図1に示す酸化反応モジュール1は、内管24を省略して、酸素源供給室20に酸素源ガス(例えば空気)が直接導入される構成としてもよい。同様に、内管34を省略して、酸化反応室30に酸化対象ガスが直接導入される構成としてもよい。また、図1に示す酸化反応モジュール1では平板状に形成された一つの酸素分離エレメント10を用いているが、図3に示すように、複数の平板状エレメント10を積層配置し、隣接するエレメント10の間にそれぞれ形成された流路に、空気(酸素源ガス)およびCH4(酸化対象ガス)が交互に流通されるように酸化反応モジュールを構成してもよい。このとき、各エレメント10の酸素分離膜12が空気の流路に面し、多孔質支持体14がCH4の流路側に位置するようにしてモジュール1を構築するとよい。
Note that the oxidation reaction module 1 shown in FIG. 1 may be configured such that the
図4は、管状の酸素分離エレメント10を用いた酸化反応モジュール2の例である。エレメント10は、管状に成形された多孔質支持体14と、その管の外表面に設けられた膜状セラミック体(酸素分離膜)12とを備える。このエレメント10をケーシング42に収容してモジュール2が構成されている。ケーシング42は中空な円柱状であって、ムライト、アルミナ等の緻密なセラミックにより形成されている。ケーシング42の両端面を管状(開管状)のエレメント10が軸方向に貫通している。この貫通部分において、エレメント10とケーシング42との間は、図示しないガラスシーリング等によって気密に封止されている。ケーシング42の側面には二つの貫通孔43,44が形成されている。この酸化反応モジュール2では、管状のエレメント10の内部にこのエレメント10自体によって酸化反応室30が区画形成されている。また、ケーシング42およびエレメント10(酸素分離膜12)によって筒状の酸素源供給室20が区画形成されている。この酸化反応モジュール2は、図2に示す装置1において、図1に示す酸化反応モジュールに代えて使用することができる。
なお、図4に示す酸化反応モジュール2では管状(開管状)に形成された一本のエレメント10を用いているが、図5に示すように、ケーシング42の軸方向に複数本の管状エレメント10が貫通した構造の酸化反応モジュール2としてもよい。このような構造の酸化反応モジュール2では、各エレメント10の内部が酸化反応室30として用いられ、ケーシング42とエレメント10との間が酸素源供給室20として用いられる。なお、図5では各エレメント10の外表面に形成された酸素分離膜12を省略して示している。
FIG. 4 is an example of the
In addition, in the
図4および図5に示す酸化反応モジュール2では、両端が開口したエレメント10がケーシング42を貫通しているが、図6に示すように、ケーシング42内でその一端(先端)が閉じているエレメント(閉管状エレメント)10を備える構成とすることもできる。一つのケーシング42に備えられる閉管状エレメント10の本数は一本でもよく二本以上でもよい。図6には、一本のエレメント10を備える構成を例示している。かかる構成によると、開管状のエレメント10がケーシング42を貫通する構成に比べて、エレメント10とケーシング42とのシール箇所を少なくすることができる。このためケーシング42のシール性が良好な酸化反応モジュール2とすることができる。閉管状エレメントの内部に、図6に示すように、両端が開口した内管34を配置した構成としてもよい。この内管34としては、ムライト、アルミナ等の緻密なセラミックから形成されたものを用いることができる。この内管34の先端は閉管状エレメント10の先端付近まで延びている。また、閉管状エレメント10の内周と内管34の外周との間には筒状の隙間が形成されている。内管34の内部に酸化対象ガス(CH4等の炭化水素)を供給し、内管34の先端から上記隙間を流通させる。これにより、エレメント10の外側を流通する空気から酸素分離膜12を透過して供給される酸化物イオンとCH4とを接触させることができる。あるいは、この内管34を省略した構成としてもよい。
In the
また、図7に示すように、ハニカム状に形成されたエレメント10を用いて酸素透過モジュールを構成することもできる。このエレメント10は、ハニカム状に成形され、全体として円柱状の外形を呈する多孔質支持体14を備える。該ハニカム状支持体14の内部には、多孔質の隔壁13によって互いに区画された複数の流路15が、エレメント10を軸方向に貫通して形成されている。これらの流路15は、酸素源ガスを流通させるための流路15a(酸素源供給室)と、CH4等の炭化水素を含む酸化対象ガスを流通させるための流路15b(酸化反応室)とに大別される。流路15aと15bとは交互に配置されている。そして、隔壁13のうち酸素源供給室を形成する流路15a側の表面に、図示しない酸素分離膜が設けられている。このようなエレメント10を備える酸化反応モジュールは、これらの流路15a,15bに酸素源ガスおよび酸化対象ガスがそれぞれ流通されるようにして、図2に示す装置1等の構成要素として用いることができる。
Further, as shown in FIG. 7, an oxygen permeation module can be configured by using the
以下、本発明に関するいくつかの実験例を説明するが、本発明をかかる実験例に示すものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, some experimental examples relating to the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the experimental examples.
<実験例1:多孔質支持体の製造>
市販のLa0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3粉末をバインダおよび分散剤と混合し、ボールミルを用いてよく混練した。その後、100℃にて24時間乾燥し、同組成の凝集体を得た。この凝集体を仮焼して解砕した。この解砕条件を調節することにより、平均粒径の異なる五種類の原料粉末を得た。それらの原料粉末の平均粒径は約5〜10μmの範囲にある。なお、原料粉末の粒径はレーザ回折式粒度分布計を用いて測定し、あわせて平均粒径を求めた。
次いで、得られたLa0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3原料粉末のそれぞれをバインダおよび分散剤と混合し、ボールミルを用いてよく混練した。その後、100℃にて24時間乾燥し、同組成の凝集体を得た。この凝集体をそれぞれボールミルにより解砕し、100MPaの圧力下にプレス押出機においてプレス押出しすることにより、直径約20mm、厚さ約3mmの円板状に成形した。得られた成形体を大気中においてまず200〜500℃に昇温し、同温度に10時間保持して有機物を分解除去した。その後、大気中において1500℃まで昇温し、同温度に3時間保持して成形体を焼成した。このようにして、気孔率の異なる五種類の多孔質支持体No.1〜No.5を作製した。これらの多孔質支持体の気孔率は、それぞれ約30体積%(No.1)、約20体積%(No.2)、約15体積%(No.3)、約10体積%(No.4)、約5体積%(No.5)であった。なお、これらの多孔質支持体の平均細孔径は、それぞれ約10μm(No.1)、約7μm(No.2)、約5μm(No.3)、約4μm(No.4)、約2μm(No.5)であった。
<Experimental Example 1: Production of porous support>
Commercially available La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 powder was mixed with a binder and a dispersant, and well kneaded using a ball mill. Then, it dried at 100 degreeC for 24 hours, and obtained the aggregate of the same composition. The aggregate was calcined and crushed. By adjusting the crushing conditions, five kinds of raw material powders having different average particle diameters were obtained. The average particle size of these raw material powders is in the range of about 5 to 10 μm. The particle size of the raw material powder was measured using a laser diffraction particle size distribution meter, and the average particle size was determined together.
Next, each of the obtained La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 raw material powder was mixed with a binder and a dispersant, and well kneaded using a ball mill. Then, it dried at 100 degreeC for 24 hours, and obtained the aggregate of the same composition. The agglomerates were each crushed by a ball mill and pressed into a disk shape having a diameter of about 20 mm and a thickness of about 3 mm by press extrusion under a pressure of 100 MPa using a press extruder. The obtained molded body was first heated to 200 to 500 ° C. in the air and kept at the same temperature for 10 hours to decompose and remove organic substances. Thereafter, the temperature was raised to 1500 ° C. in the atmosphere, and the compact was fired by maintaining the same temperature for 3 hours. In this manner, five types of porous support Nos. Having different porosities were used. 1-No. 5 was produced. The porosity of these porous supports is about 30% by volume (No. 1), about 20% by volume (No. 2), about 15% by volume (No. 3), and about 10% by volume (No. 4). ), About 5% by volume (No. 5). The average pore diameters of these porous supports are about 10 μm (No. 1), about 7 μm (No. 2), about 5 μm (No. 3), about 4 μm (No. 4), and about 2 μm, respectively. No. 5).
<実験例2:酸素分離膜の形成>
実験例1で作製した多孔質支持体No.1(気孔率;約30体積%)の一方の表面上に、該支持体と同組成(La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3)の酸素分離膜を形成した。
すなわち、膜状セラミック体(酸素分離膜)形成用粉末として、平均粒径が約1μmである市販のLa0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3粉末を用意した。この粉末を、分散媒としての水、バインダおよび分散剤とともに、ボールミルを用いてよく混練した。これによりLa0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3粉末を含む成膜用スラリーを調製した。得られたスラリー中に、実験例1で作製した多孔質支持体No.1の一面側を20秒間ディップ(浸漬)した。これにより、多孔質支持体の表面部にスラリーを均等に積層した。その後、スラリーから多孔質支持体を引き上げ、60℃で4時間乾燥した。これを大気中においてまず200〜500℃に昇温し、同温度に10時間保持して有機物を分解除去した。さらに、大気中において1500℃まで昇温し、同温度に3時間保持してスラリーを焼成した。これを放冷して、多孔質支持体の一面側の表面部に酸素分離膜(La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3膜)を有する酸素分離エレメントNo.1を得た。
また、支持体No.1に代えて支持体No.2〜5を用いた点以外は上記と同様にして、多孔質支持体の一面側の表面部に酸素分離膜(La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3膜)を有する酸素分離エレメントNo.2〜5を得た。
なお、これらのエレメントNo.1〜5を構成する酸素分離膜の厚さは、電子顕微鏡(SEM)観察により測定したところ、いずれも凡そ60μmであった。
<Experimental example 2: Formation of oxygen separation membrane>
Porous support No. 1 prepared in Experimental Example 1 An oxygen separation membrane having the same composition as that of the support (La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 ) was formed on one surface of 1 (porosity; about 30% by volume). .
That is, a commercially available La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 powder having an average particle size of about 1 μm was prepared as a powder for forming a membrane-like ceramic body (oxygen separation membrane). This powder was well kneaded using a ball mill together with water, a binder and a dispersant as a dispersion medium. As a result, a film-forming slurry containing La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 powder was prepared. In the obtained slurry, the porous support No. 1 prepared in Experimental Example 1 was used. One side of 1 was dipped (immersed) for 20 seconds. Thereby, the slurry was uniformly laminated on the surface portion of the porous support. Thereafter, the porous support was pulled up from the slurry and dried at 60 ° C. for 4 hours. This was first heated to 200 to 500 ° C. in the atmosphere, and kept at the same temperature for 10 hours to decompose and remove organic substances. Furthermore, the temperature was raised to 1500 ° C. in the atmosphere, and the slurry was fired while maintaining the same temperature for 3 hours. This was allowed to cool, and an oxygen separation element No. 1 having an oxygen separation membrane (La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 membrane) on the surface portion on one side of the porous support. 1 was obtained.
In addition, the support No. In place of support No. 1 In the same manner as described above except that 2 to 5 were used, an oxygen separation membrane (La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 membrane) was formed on the surface portion on one side of the porous support. Oxygen separation element No. 2 to 5 were obtained.
These element Nos. The thicknesses of the oxygen separation membranes constituting 1 to 5 were all about 60 μm as measured by electron microscope (SEM) observation.
<実験例3:酸化物イオン透過促進触媒の担持>
実験例2により得られたエレメントNo.1〜5(触媒なし)につき、それらの酸素分離膜の露出面側(すなわち、多孔質支持体に支持されている側とは反対側)に酸化物イオン透過促進触媒を担持した。すなわち、市販のLa0.8Sr0.2CoO3粉末(粒径;約2μm)に、分散媒としての水、バインダおよび分散剤を添加して混合し、ボールミルを用いてよく混練してスラリーを調製した。次いで、エレメントNo.1〜5を構成する酸素分離膜の露出面に上記スラリーを均等に塗布し、乾燥させた。さらに、大気雰囲気中、電気炉を用いて1℃/分の昇温速度にて1000℃まで昇温し、この温度にて1時間保持することによりスラリーを焼成した。
このようにして得られた触媒付酸素分離エレメントNo.1A〜5Aの構成を図8に模式的に示す。このエレメント10は、酸素分離膜12の一面12b側が多孔質支持体14によって支持された構成を有する。酸素分離膜12の露出面12aに酸化物イオン透過促進触媒64が担持されている。一方、多孔質支持体14および酸素分離膜12の支持体側表面12bには触媒が担持されていない。
<Experimental Example 3: Support of oxide ion permeation promoting catalyst>
Element No. obtained in Experimental Example 2 For 1 to 5 (no catalyst), an oxide ion permeation promoting catalyst was supported on the exposed surface side of the oxygen separation membrane (that is, the side opposite to the side supported by the porous support). That is, a commercially available La 0.8 Sr 0.2 CoO 3 powder (particle size: about 2 μm) was mixed by adding water, a binder and a dispersant as a dispersion medium, and kneaded well using a ball mill. Was prepared. Then, element No. The slurry was evenly applied to the exposed surfaces of the oxygen separation membranes 1 to 5 and dried. Furthermore, in an air atmosphere, the temperature was raised to 1000 ° C. at a rate of 1 ° C./min using an electric furnace, and the slurry was fired by holding at this temperature for 1 hour.
Thus obtained oxygen separation element with catalyst No. 1 was obtained. The configuration of 1A to 5A is schematically shown in FIG. This
<実験例4:酸素透過性能の評価>
実験例3により得られた触媒付エレメントNo.1A〜5Aをそれぞれ酸素分離エレメントとして使用し、図1に示す構成の酸化反応モジュール2を作製した。これらのモジュール2を用いて図2に示すような炭化水素酸化反応装置1を構築した。そして、酸素分離エレメント10(酸素分離膜12)を約900℃に加熱し、酸素源供給室20には酸素源ガスとしての空気を約200ml/minの流量で供給し、酸化反応室30には酸化対象ガスとしてのメタンガス(CH4)を約100ml/minの流量で供給した。すなわち、図8に示すように、エレメント10の酸素分離膜12側に空気を供給し、多孔質支持体14側にCH4を供給した。
上記の条件で3時間の連続運転を行った。この間に酸化反応室30から排出されたガスの組成をガスクロマトグラフにより測定した。そのうち酸素を含む化学種(ここでは実質的にCO,CO2およびO2)の量と、エレメント10を構成する酸素分離膜12の酸素透過部の面積とから、900℃における酸素透過量(標準状態の酸素分子換算;ml/min/cm2)を算出した。その結果を図9に示す。
この図から判るように、例えば酸素透過性能(酸素透過量)の目標レベルを10ml/min/cm2とした場合、本実験例の装置構成および運転条件によると、支持体の気孔率が10体積%程度と比較的低いエレメント(No.4A)によっても上記目標レベルを達成することができた。より高い気孔率(例えば15体積%以上)を有する支持体を備えるエレメントNo.1A〜3Aを用いた場合にはさらに良好な結果が得られた。
<Experimental Example 4: Evaluation of oxygen permeation performance>
Element No. with catalyst obtained in Experimental Example 3 1A to 5A were used as oxygen separation elements, respectively, to produce an
A continuous operation for 3 hours was performed under the above conditions. During this time, the composition of the gas discharged from the
As can be seen from this figure, for example, when the target level of oxygen permeation performance (oxygen permeation amount) is 10 ml / min / cm 2 , according to the apparatus configuration and operating conditions of this experimental example, the porosity of the support is 10 volumes. The target level could be achieved even with a relatively low element (No. 4A) of about%. Element No. provided with a support having a higher porosity (for example, 15% by volume or more). Even better results were obtained when 1A-3A was used.
<実験例5:酸化物イオン透過促進触媒および酸化促進触媒の担持>
実験例2により得られたエレメントNo.1〜5(触媒なし)の多孔質支持体に酸化物イオン透過促進触媒を担持した。すなわち、市販のLa0.8Sr0.2CoO3粉末(粒径;約2μm)に、分散媒としての水、バインダおよび分散剤を添加して混合し、ボールミルを用いてよく混練してスラリーを調製した。次いで、エレメントNo.1〜5を構成する多孔質支持体に上記スラリーを3時間含浸させた後、100℃で5時間乾燥した。さらに、大気雰囲気中、電気炉を用いて1℃/分の昇温速度にて1000℃まで昇温し、この温度にて1時間保持することによりスラリーを焼成した。
さらに、酸素分離膜の露出面側に酸化促進触媒としての金属触媒(ここではニッケル触媒)を担持した。すなわち、平均粒径約5μmの酸化ニッケル粉末を水に分散してスラリーを調製した。酸素分離膜の表面部に上記スラリーを均等に塗布し、乾燥させた。さらに、大気雰囲気中、電気炉を用いて1℃/分の昇温速度にて1000℃まで昇温し、この温度にて1時間保持することによりスラリーを焼成した。
このようにして得られた触媒付酸素分離エレメントNo.1B〜5Bの構成を図10に模式的に示す。このエレメント10は、酸素分離膜12の一面12b側が多孔質支持体14によって支持された構成を有する。この多孔質支持体14に酸化物イオン透過促進触媒64が担持されている。また、酸素分離膜12の露出面12aには金属触媒62が担持されている。
<Experimental Example 5: Loading of oxide ion permeation promoting catalyst and oxidation promoting catalyst>
Element No. obtained in Experimental Example 2 An oxide ion permeation promoting catalyst was supported on 1 to 5 (no catalyst) porous support. That is, a commercially available La 0.8 Sr 0.2 CoO 3 powder (particle size: about 2 μm) was mixed by adding water, a binder and a dispersant as a dispersion medium, and kneaded well using a ball mill. Was prepared. Then, element No. The slurry was impregnated with the porous support constituting 1 to 5 for 3 hours and then dried at 100 ° C. for 5 hours. Furthermore, in an air atmosphere, the temperature was raised to 1000 ° C. at a rate of 1 ° C./min using an electric furnace, and the slurry was fired by holding at this temperature for 1 hour.
Furthermore, a metal catalyst (in this case, a nickel catalyst) as an oxidation promotion catalyst was supported on the exposed surface side of the oxygen separation membrane. That is, nickel oxide powder having an average particle size of about 5 μm was dispersed in water to prepare a slurry. The slurry was evenly applied to the surface of the oxygen separation membrane and dried. Furthermore, in an air atmosphere, the temperature was raised to 1000 ° C. at a rate of 1 ° C./min using an electric furnace, and the slurry was fired by holding at this temperature for 1 hour.
Thus obtained oxygen separation element with catalyst No. 1 was obtained. The configuration of 1B to 5B is schematically shown in FIG. This
<実験例6:酸素透過性能の評価>
実験例5により得られた触媒付エレメントNo.1B〜5Bを用い、図10に示すように、それらのエレメント10を、支持体14が酸素源供給室20側、酸素分離膜12が酸化反応室30側となるように配置して炭化水素酸化反応装置を構築した。そして、エレメント10(酸素分離膜12)を約900℃に加熱し、その多孔質支持体14側に空気を約200ml/minの流量で供給し、酸素分離膜12側にCH4を約100ml/minの流量で供給した。この条件で3時間の連続運転を行い、実験例4と同様にして酸素透過量を算出した。その結果を図11に示す。
この図11から判るように、本実験例の装置構成および運転条件では(図9に示す実験例4とは異なり)、エレメントを構成する支持体の気孔率を増加させても、そのことが酸素透過性能にはあまり反映されなかった。このため、今回実験した範囲(支持体の気孔率が30体積%以下)では上記目標レベルを達成することができなかった。
<Experimental Example 6: Evaluation of oxygen permeation performance>
Element No. with catalyst obtained in Experimental Example 5 1B to 5B, as shown in FIG. 10, the
As can be seen from FIG. 11, in the apparatus configuration and operating conditions of this experimental example (unlike Experimental example 4 shown in FIG. 9), even if the porosity of the support constituting the element is increased, this is not the case. The transmission performance was not reflected much. For this reason, the above target level could not be achieved in the range tested this time (the porosity of the support is 30% by volume or less).
<実験例7:酸素透過性能の評価>
実験例6では多孔質支持体14側(酸素源供給室20)に空気を供給したが、本実験例では、図12に示すように、多孔質支持体14側に純酸素を約200ml/minの流量で供給した。その他の点については実験例6と同様にして酸素透過量を算出した。その結果を図13に示す。
この図13から判るように、本実験例の装置構成および運転条件では(図11に示す実験例6とは異なり)、支持体の気孔率を高くすることにより酸素透過性能が順調に向上した。この結果は、実験例6において酸素透過性能の向上が鈍かったのは酸素源ガスとして混合ガス(空気)を用いたことに関連しているということを示唆している。すなわち、実験例6の装置では、図10に示すように多孔質支持体14が酸素源供給室20側となるようにエレメント10を配置しているため、酸素分離膜12の酸素側の表面12bで消費された酸素を十分に補給することができず、これにより表面12b近傍の酸素濃度が低下することにより酸素透過性能の向上が妨げられていたものと考えられる。
<Experimental Example 7: Evaluation of oxygen permeation performance>
In Experimental Example 6, air was supplied to the
As can be seen from FIG. 13, in the apparatus configuration and operating conditions of this experimental example (unlike Experimental example 6 shown in FIG. 11), the oxygen permeation performance improved smoothly by increasing the porosity of the support. This result suggests that the improvement in oxygen permeation performance in Experimental Example 6 is related to the use of a mixed gas (air) as the oxygen source gas. That is, in the apparatus of Experimental Example 6, since the
多孔質支持体の気孔率が約30体積%である触媒付エレメントNo.1Aおよび触媒付エレメントNo.1Bにつき、実験例4、実験例6、実験例7により得られた酸素透過量と、これらの実験例の結果から次式:[酸化反応室から排出されたガスに含まれるメタンの量]/[酸化反応室30に供給したメタンの量]により算出したメタン転化率を表1にまとめて示す。この表1から判るように、実験例4の装置構成によると、酸素源供給ガスとして実験例6と同様に空気を用いているにも拘らず、実験例6よりも顕著に高い酸素透過性能(酸素透過量)およびメタン転化率を実現することができた。 Element No. with catalyst in which the porosity of the porous support is about 30% by volume. 1A and element No. with catalyst From 1B, the oxygen permeation amount obtained in Experimental Example 4, Experimental Example 6, and Experimental Example 7 and the results of these experimental examples are given by the following formula: [Amount of methane contained in gas discharged from oxidation reaction chamber] / Table 1 summarizes the methane conversion calculated by [amount of methane supplied to the oxidation reaction chamber 30]. As can be seen from Table 1, according to the apparatus configuration of Experimental Example 4, although oxygen is used as the oxygen source supply gas in the same manner as Experimental Example 6, the oxygen permeation performance is significantly higher than that of Experimental Example 6 ( Oxygen transmission rate) and methane conversion rate could be realized.
なお、実験例5により得られた触媒付エレメントNo.1Bを用い、図14に示すように、このエレメント10を実験例6とは逆向きに(すなわち、酸素分離膜12が酸素源供給室20側、支持体14が酸化反応室30側となるように)配置した点以外は実験例6と同様にして酸素透過量およびメタン転化率を算出したところ、酸素透過量は約0.1ml/min/cm2、メタン転化率は約10%であった。
また、実験例2により得られたエレメントNo.1(触媒なし)を用いて、図15に示す構成の触媒付エレメントNo.1Cを作製した。すなわち、エレメント10の酸素分離膜12の露出面12aに酸化物イオン透過促進触媒64を担持させ、さらに多孔質支持体14に酸化促進触媒62(実験例5で用いたものと同じニッケル触媒)を担持させた。このエレメント10を、支持体14が酸化反応室30側、酸素分離膜12が酸素源供給室20側となるように配置して炭化水素酸化反応装置を構築した。そして、支持体14側にCH4、酸素分離膜12側に空気を供給したところ、運転開始から1時間以内に酸素透過率が大幅に低下した。そこでエレメント10を装置から取り外して観察したところ、炭素の析出(コーキング)によって支持体14の細孔142が閉塞されていることが判った。
In addition, element No. with catalyst obtained in Experimental Example 5 was used. As shown in FIG. 14, the
Element No. obtained in Experimental Example 2 1 (no catalyst) was used, and element No. 1 with a catalyst having the configuration shown in FIG. 1C was produced. That is, the oxide ion
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
In addition, the technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
1 :酸化反応装置
2 :酸化反応モジュール
3 :ケーシング
10 :酸素分離エレメント(積層型酸化物イオン伝導部品)
12 :膜状セラミック体(酸素分離膜)
14 :多孔質支持体
142:細孔
20 :酸素源供給室
30 :酸化反応室
52 :酸素源ガス供給手段
54 :酸化対象ガス供給手段
56 :加熱手段
62 :金属触媒
64 :酸化物イオン透過促進触媒
1: Oxidation reaction device 2: Oxidation reaction module 3: Casing 10: Oxygen separation element (stacked oxide ion conductive component)
12: Membrane ceramic body (oxygen separation membrane)
14: Porous support 142: Pore 20: Oxygen source supply chamber 30: Oxidation reaction chamber 52: Oxygen source gas supply means 54: Oxidation target gas supply means 56: Heating means 62: Metal catalyst 64: Oxide ion permeation promotion catalyst
Claims (11)
そのエレメントを収容するケーシングと、
そのケーシング内において前記膜状セラミック体の他面側に設けられており、酸素を含む酸素源ガスが外部から供給される酸素源供給室と、
そのケーシング内において前記膜状セラミック体の前記一面側に設けられており、かつ、前記膜状セラミック体を介して前記酸素源供給室とは気密に区画されており、被酸化ガスを含む酸化対象ガスが外部から供給されて、前記酸素源供給室側から前記膜状セラミック体を透過して供給される酸化物イオンが介在する酸化反応によってその被酸化ガスを酸化する酸化反応室とを備え、
ここで、前記エレメントのうち前記膜状セラミック体よりも前記支持体側の部分には炭化反応を起こす触媒が担持されていないことを特徴とする酸化反応装置。 An oxygen separation element having a porous support on one side of an oxide ion conductive ceramic body formed into a dense membrane;
A casing that houses the element;
An oxygen source supply chamber that is provided on the other surface side of the film-like ceramic body in the casing and is supplied with an oxygen source gas containing oxygen from the outside,
An object to be oxidized, which is provided on the one surface side of the film-shaped ceramic body in the casing and is airtightly separated from the oxygen source supply chamber via the film-shaped ceramic body. An oxidation reaction chamber in which gas is supplied from the outside and oxidizes the gas to be oxidized by an oxidation reaction through which oxide ions are supplied through the film-like ceramic body from the oxygen source supply chamber side;
Here, an oxidation reaction apparatus characterized in that a catalyst that causes a carbonization reaction is not supported on a portion of the element that is closer to the support than the membrane ceramic body.
前記酸化反応室に前記酸化対象ガスを供給する酸化対象ガス供給手段と、
をさらに備える請求項1に記載の装置。 Oxygen source supply means for supplying the oxygen source gas to the oxygen source supply chamber;
Oxidation target gas supply means for supplying the oxidation target gas to the oxidation reaction chamber;
The apparatus of claim 1, further comprising:
一般式Ln1−xAexMO3(ただし、Lnはランタノイドから選択される一種または二種以上であり、AeはSr,CaおよびBaからなる群から選択される一種または二種以上であり、MはFe,Mn,Ga,Ti,,Co,Ni,Al,In,Sn,Zr,V,Cr,Zn,Ge,Sc,Yからなる群から選択される一種または二種以上であり、xは0≦x≦1を満たす数である。)で表される組成のペロブスカイト型結晶構造を有する複合酸化物;
安定化ジルコニア;
酸化セリウム;
酸化アルミニウム;
窒化珪素;および、
酸化マグネシウム;
からなる群から選択される一種または二種以上の酸化物を有するセラミック多孔体である請求項5に記載の装置。 The porous support comprises the following oxides:
General formula Ln 1-x Ae x MO 3 (where Ln is one or more selected from lanthanoids, Ae is one or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Ba, M is one or more selected from the group consisting of Fe, Mn, Ga, Ti, Co, Ni, Al, In, Sn, Zr, V, Cr, Zn, Ge, Sc, and Y, and x Is a number satisfying 0 ≦ x ≦ 1, and a composite oxide having a perovskite crystal structure having a composition represented by:
Stabilized zirconia;
Cerium oxide;
Aluminum oxide;
Silicon nitride; and
Magnesium oxide;
The device according to claim 5, which is a porous ceramic body having one or more oxides selected from the group consisting of:
一般式Ln1−xAexMO3(ただし、Lnはランタノイドから選択される一種または二種以上であり、AeはSr,CaおよびBaからなる群から選択される一種または二種以上であり、MはFe,Mn,Ga,Ti,,Co,Ni,Al,In,Sn,Zr,V,Cr,Zn,Ge,Sc,Yからなる群から選択される一種または二種以上であり、xは0≦x≦1を満たす数である。)で表される組成のペロブスカイト型結晶構造を有する複合酸化物、および/または、
周期表4族から13族に属する金属元素から選択される一種または二種以上の金属を有する請求項1に記載の装置。 On the oxygen source supply chamber side surface of the film-like ceramic body,
General formula Ln 1-x Ae x MO 3 (where Ln is one or more selected from lanthanoids, Ae is one or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Ba, M is one or more selected from the group consisting of Fe, Mn, Ga, Ti, Co, Ni, Al, In, Sn, Zr, V, Cr, Zn, Ge, Sc, and Y, and x Is a number satisfying 0 ≦ x ≦ 1) and / or a composite oxide having a perovskite crystal structure having a composition represented by:
The apparatus of Claim 1 which has a 1 type, or 2 or more types of metal selected from the metal element which belongs to periodic table group 4 thru | or 13 group.
前記膜状セラミック体の他面側に酸素を含む酸素源ガスを供給し、前記膜状セラミック体の一面側に前記被酸化ガスを含む酸化対象ガスを供給する酸化反応方法。 An oxygen separation element having a porous support on one surface side of an oxide ion conductive ceramic body formed into a dense membrane, wherein the support does not carry a catalyst that causes a carbonization reaction. A method for oxidizing an oxidizable gas using:
An oxidation reaction method in which an oxygen source gas containing oxygen is supplied to the other surface side of the film-like ceramic body, and an oxidation target gas containing the gas to be oxidized is supplied to one surface side of the film-like ceramic body.
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