JP2008222526A - 選択透過膜型反応器及び水素製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】選択透過膜型反応器100は、一端部がガスの入口11で、他端部がガスの出口12である筒状の反応管1と、反応管1内に挿入された、表面に選択透過膜3を有する有底筒状で基材部分が多孔質の分離管2と、反応管1と分離管2との間に配置された化学反応を促進する触媒層4とを有する。さらに、選択透過膜3から離れた位置に、反応管1のガス流れ方向に延びてそのガス流れ方向に分散して触媒層4へ酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給部20を有する。
【選択図】図4
Description
メタン改質反応:CH4+2H2O→CO2+4H2 ΔH298=165kJ/mol
メタン燃焼反応:CH4+2O2→CO2+2H2O ΔH298=−803kJ/mol
図1及び図2は、本発明の選択透過膜型反応器の一実施形態を模式的に示す図であり、図1は中心軸を含む平面で切断した断面図であり、図2は、平面図である。図1及び図2に示すように、本実施形態の選択透過膜型反応器100は、一端部がガスの入口11で、他端部がガスの出口12である筒状の反応管1と、反応管1内に挿入された、表面に選択透過膜3を有する有底筒状で基材部分が多孔質の分離管2と、反応管1と分離管2との間に配置された化学反応を促進する触媒層4とを有する。
CH4+H2O → CO+3H2 …(1)
CO+H2O → CO2+H2 …(2)
上記改質触媒4aを第一触媒層4aに配置することにより、改質反応を促進することができる。
CH4+2O2 → CO2+2H2O …(3)
上記燃焼触媒4bを第二触媒層4bに配置することにより、燃焼反応を促進することができる。
実施形態2について図4及び図5を用いて説明する。酸素含有ガス供給部20は、分離管2の外側にあって、その中心部に分離管2を配置し、酸素含有ガス供給部20の壁面を形成する外壁面25と内壁面26との間が酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流通部21とされている。そして、壁面が多孔質体により形成され、壁面が酸素含有ガスを排出する供給口22とされている。つまり、本実施形態の酸素含有ガス供給部20は、多孔質体によって形成されているため、壁面が供給口となり壁面から酸素含有ガスが排出される。多孔質体は、セラミックス材料であれば特に限定されないが、例えばアルミナ、ムライト、コージェライト、炭化珪素、窒化珪素などが好適に用いられる。セラミックス多孔質体は、空気を導入する分散管の役割と、外部への熱の放出を妨げる断熱材としての役割を果たす。つまり、空気を効率良く内部の反応層(触媒層4)に供給すると共に、外部への熱の放出を遮蔽することができる。酸素含有ガスの流通方向に対して異なる平均細孔径、気孔率の多孔質体を組み合わせることや、酸素含有ガス供給側の圧力を制御することにより、各位置での酸素含有ガスの供給割合を制御することができる。
分離管として、一端部が閉じられた有底円筒状のアルミナ多孔体(外径10mm、長さ75mm)を用い、その表面に選択透過膜として、水素を選択的に透過するパラジウム(Pd)−銀(Ag)合金膜をメッキ法により成膜した。膜の組成は水素透過性能を考慮してPdが75質量%、Agが25質量%となるようにし、膜厚は2.5μmとした。
試験方法は以下の通りである。まず、対象となる選択透過膜型反応器へ、原料ガスとしてメタンと水蒸気をモル比でS/C(水蒸気/炭素)=3、空気(酸素)とメタンをO2/C=0.5で供給した。メタンと水蒸気による改質反応とそれに付随して生ずる反応を行わせ、反応生成物から水素を選択的に分離した。反応側圧力は3atm、透過側圧力は0.1atmとした。又、原料ガスの流量は、メタンが250cc/min、水蒸気が750cc/min、空気(酸素)が625(125)cc/minとなるようにした。膜透過側及び膜非透過側のそれぞれにおけるガスの流量と組成を調べることにより、メタン転化率と透過ガスの水素純度を算出した。
O2/C=0.5とし、図4に示すようにコージェライト製の多孔体を反応器内に設置し、それを通して触媒層に空気を供給した。平均細孔径が0.1μmのコージェライト製多孔体を用いた。触媒は、ペレット状のロジウムアルミナとルテニウムアルミナを物理混合したもの(単純に混ぜ合わせたもの)を用いた。予備改質領域と本改質領域への空気供給割合は40:60とした。
O2/C=0.5とし、図4に示すようにコージェライト製の多孔体を反応器内に設置し、それを通して触媒層に空気を供給した。コージェライト製多孔体の平均細孔径は0.1μmとした。燃焼触媒としてロジウムアルミナを用い、改質触媒としてルテニウムアルミナを用いた。予備改質領域と本改質領域への空気供給割合は40:60とした。
O2/C=0.5とし、図7に示すように反応器入口からメタン、水蒸気、空気を同時に供給した。触媒は、ロジウムアルミナとルテニウムアルミナを物理混合したもの(単純に混ぜ合わせたもの)を用いた。
反応器入口からメタン、水蒸気、空気を同時に供給した比較例1では、触媒層上部で燃焼反応が優先して進行してしまい、反応器下部に熱を伝えることができなかった。その結果、メタン転化率が低くなった。さらに、膜近傍で燃焼反応が起こったため、膜の劣化に起因する水素純度の低下が認められた。一方、空気供給方法を最適化した実施例1では、空気供給の制御とセラミックス多孔体の断熱効果により、効率よく改質反応に必要な熱を供給することができた。さらに、膜近傍での燃焼反応発生を抑制できたため、膜劣化に起因する水素純度の低下は認められなかった。実施例2ではさらに触媒配置についても最適化したため、初期のメタン転化率が向上したことに加え、膜劣化についてもより低減することができた。以上の結果から、本発明により高い熱効率を有し、コンパクトな膜型反応器を提供できることが分かった。
Claims (10)
- 一端部がガスの入口で、他端部がガスの出口である反応管内に、
水素選択透過能を有する選択透過膜を備える分離管と、
化学反応を促進する触媒層と、
前記選択透過膜から離れた位置に、前記反応管のガス流れ方向に延びてそのガス流れ方向に分散して前記触媒層へ酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給部と、
を有する選択透過膜型反応器。 - 前記酸素含有ガス供給部は、前記選択透過膜側に酸素含有ガスを排出する供給口を有する請求項1に記載の選択透過膜型反応器。
- 前記酸素含有ガス供給部は、内部が酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流通部とされ、壁面に前記供給口が形成された供給管である請求項2に記載の選択透過膜型反応器。
- 前記酸素含有ガス供給部は、内部が酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流通部とされ、壁面が多孔質体により形成され、前記壁面が酸素含有ガスを排出する供給口とされた請求項1に記載の選択透過膜型反応器。
- 複数の前記酸素含有ガス供給部が、前記分離管を取り巻くように配置された請求項2〜4のいずれか1項に記載の選択透過膜型反応器。
- 反応器内部に前記酸素含有ガス供給部と前記触媒層と前記分離管の三重構造を有し、反応器内壁より内側に前記分離管を備える請求項2〜4にいずれか1項に記載の選択透過膜型反応器。
- 前記酸素含有ガス供給部は、前記反応管のガス流れ方向において、前記分離管よりも前記ガスの入口側により多くの酸素含有ガスを供給する供給構造を有する請求項1〜6のいずれか1項に記載の選択透過膜型反応器。
- 前記触媒層は、前記選択透過膜側に改質触媒と、前記酸素含有ガス供給部側に燃焼触媒が配置された請求項1〜7のいずれか1項に記載の選択透過膜型反応器。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の選択透過膜型反応器に、水蒸気量が原料の炭化水素に対してモル比にてS/C(Steam/Carbon)=1〜3、全酸素量が原料の炭化水素に対してO2/C=0.1〜1.2となるように供給する水素製造方法。
- 前記反応管のガス流れ方向において、前記触媒層のみの領域を予備改質領域、前記触媒層と前記選択透過膜が設置される領域を本改質領域としたときに、前記予備改質領域において、原料となる前記ガスの炭化水素の25%以上を反応させ、残りを前記本改質領域で反応させる請求項9に記載の水素製造方法。
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