JP2011105523A - 水性ガスの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】多価アルコールと水とから水性ガスを製造する際のすすの発生を抑制する。
【解決手段】水性ガスの製造方法は、多価アルコールと水とを含む反応流体を、その流動方向に沿って延びるような表面を有する触媒18が設けられた反応場14aに、平均流速0.05m/s以上、且つ反応時間1.0s以上で流動させる。
【選択図】図2

Description

本発明は多価アルコールと水とから水性ガスを製造する方法に関する。
植物由来の代替燃料であるバイオディーゼルを製造する際に副生するグリセリンは水蒸気改質反応により水素に変換されることが知られている(例えば、特許文献1及び2)。そして、かかるグリセリンは、安全な原料であることから、水素燃料のための有用なエネルギー源として注目されている。
ところが、グリセリンから水素を生成する反応過程において、すす(炭素)を生成する副反応も同時に生じる。そして、生成したすすが触媒表面に付着すると触媒活性の低下を招き、収率が低下する等といった反応面での悪影響が生じ得る。また、反応面での悪影響だけでなく、すすの蓄積により反応装置が閉塞する、或いは、伝熱の効率が低下して反応場の温度制御が困難になる等といった操作上の悪影響も生じ、これを放置すれば管の破裂といった反応装置の破壊にまで至ることも想定される。
そこで、このすすの発生を抑制する技術として、特許文献3には、触媒を設けた反応場に、多価アルコールと水と水素とを含む原料流体を導入して流動させることにより、その原料流体を反応させて水性ガスを生成することが開示されている。また、特許文献4には、触媒を設けた反応場に、多価アルコールと水と二酸化炭素とを含む原料流体を導入して流動させることにより、その原料流体を反応させて水性ガスを生成することが開示されている。
しかしこれらの特許文献では、原料流体の流速や反応時間がすすの抑制に与える効果については充分検討されていなかった。
WO2007/114438パンフレット 特開2009−13041号公報 特開2009−51703号公報 特開2009−51704号公報
本発明の課題は、多価アルコールと水とから水性ガスを製造する際のすすの発生を抑制することである。
本発明は、多価アルコールと水とから水性ガスを製造する方法であって、
多価アルコールと水とを含む反応流体を、その流動方向に沿って延びるような表面を有する触媒が設けられた反応場に、平均流速0.05m/s以上、且つ反応時間1.0s以上で流動させるものである。
本発明によれば、多価アルコールと水とを含む反応流体を、その流動方向に沿って延びるような表面を有する触媒が設けられた反応場に、平均流速0.05m/s以上、且つ反応時間1.0s以上で流動させることにより、水性ガスを製造する際のすすの発生を抑制することができる。
反応装置の構成を示すブロック図である。 (a)〜(f)は反応器の一例の断面図である。
以下、実施形態について詳細に説明する。
(反応装置)
図1は本実施形態に係る水性ガスの製造で用いる反応装置10を示す。
この反応装置10は、連続的に反応生成物である水性ガスを得る連続式のものであり、水性ガス用原料源たる原料供給部11から生成物回収部17まで延びる管が設けられており、また、その管に上流から下流に向かって順に原料供給ポンプ12、予熱器13、反応器14、及び冷却器15が間隔をおいて直列に介設され、さらに、予熱器13及び反応器14を加熱可能なように加熱部16が設けられている。なお、生成物回収部17の手前には図示しない圧力調整器が設けられている。
原料供給部11は例えば液貯留タンクで構成されている。原料供給部11には温調機構及び攪拌機構が設けられていることが好ましい。
原料供給ポンプ12としては、例えば、渦巻きポンプ、ディフューザーポンプ、渦巻き斜流ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプ、ギヤポンプ、スクリューポンプ、カムポンプ、ベーンポンプ、ピストンポンプ、プランジャーポンプ、ダイヤフラムポンプ、渦流ポンプ、粘性ポンプ、気泡ポンプ、ジェットポンプ、電磁ポンプ等が挙げられる。これらの中でも脈流の少ない方式のものが好ましい。その理由は、脈流を伴わずに流路に水性ガス用原料の原料流体を流通させた場合、流路内の各部位で均一で安定した流れが保持され、安定した混合現象がもたらされ、反応に不具合を生ずることがなく、所望する反応性及び選択性の高い化学量論条件が均一に達せられるという反応上の利点が得られるためである。なお、原料供給ポンプ12を用いる方法の他、圧力差を利用した方法により水性ガス用原料の原料流体を予熱器13に供給してもよい。
予熱器13は、例えば、管状に形成されており、流入部及び流出部と共に内部にそれらの間に設けられた予熱流路を有する。
反応器14は、例えば、管状に形成されており、流入部及び流出部と共に内部にそれらの間に設けられた反応場14a(反応流路)を有する。
反応器14は、切削等により表面に溝を加工した面体を他の異なる面体を密接させた反応流路により反応場14aが構成されるものであってもよく、また、角管や円管などの既成の管内の反応流路で反応場14aが構成されるものであってもよい。
反応場14aの断面形状としては、例えば、円形、半円形、楕円形、半楕円形、正方形、長方形、台形、平行四辺形、不定形等が挙げられる。また、反応場14aの流入部から流出部に至るその長さ方向の軌跡の形状としては、例えば、直線状、円形状、蛇行形状、螺旋形状等が挙げられる。
図2(a)〜(f)は反応器14の一例の断面を示す。
反応器14内の反応場14aには触媒18が設けられている。
触媒18としては、多価アルコールと水とによる水蒸気改質反応に用いられる金属が挙げられ、これらの中でも8〜12族、好ましくは8〜10族のいずれかの金属が工業的に好適に利用できる。具体的には、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金などが挙げられ、これらの中でも8〜10族のものが工業的なコスト、入手容易性、安全性の面から好適であり、特に、ニッケル、ルテニウム、パラジウム、白金がより好ましい。なお、表面積の確保や機械的強度の付与、触媒性能の向上等のために、これらの金属を担体に担持して触媒18を構成してもよい。その場合、担体としては、例えば、シリカ、アルミナ、シリカアルミナ、チタニア、ジルコニア、ケイソウ土、活性炭等が挙げられる。これらは、無論、複合的に利用することも可能であり、また水素などを用いた還元処理や酸素や空気などを用いた酸化処理等の事前な処理を施して、その表面の酸化還元状態を制御して利用することも可能である。
触媒18は、流動方向に沿って延びるような表面を有する。かかる形態の触媒18は、例えば、金属管や金属管束といった筒状構造体、ハニカム構造体、金属ワイヤーやワイヤー束或いは撚線といった線状構造体、板状構造体などの細長構造体、反応器10内部の反応流路の内壁等で構成される。
筒状構造体の触媒18は、図2(a)及び(b)に示すように、反応場14aに挿入され、その内周表面及び外周表面が流動方向に沿って延びるような表面に相当する。
ハニカム構造体の触媒18は、図2(c)に示すように、反応場14aに配置され、その孔内壁表面が流動方向に沿って延びるような表面に相当する。
線状構造体の触媒18は、図2(d)に示すように、反応場14aに挿入され、その外周表面が流動方向に沿って延びるような表面に相当する。線状構造体の触媒18は、流動方向にピッチを有する螺旋を形成するように反応場14aに挿入されていてもよい。
細長構造体の触媒18は、図2(e)に示すように、反応場14aに挿入され、その外周表面が流動方向に沿って延びるような表面に相当する。
反応場14aの内壁が触媒18は、図2(f)に示すように、反応場14aの内壁を形成する金属に触媒金属を適用する、或いは、反応場14aの内壁を鍍金、スパッタリング、塗布乾燥等の手法により事後的に触媒で形成することにより設けられ、その内壁表面が流動方向に沿って延びるような表面に相当する。
触媒18は、流動方向に沿って連続して延びるように形成されていても、また、流動方向に沿って間欠的に設けられた複数の部分で構成されていてもよい。なお、乱流の場合には流動方向は時間的に変動して方向が定まらないが、この場合の流動方向は時間で平均化した流動方向を意味する。
触媒18は、反応器10の流入部から流出部まで至るように反応場14aの全部に設けられていてもよく、また、その一部にだけ設けられていてもよい。
反応器14内の反応場14aの流路径は最大及び最小を含めて10〜5000mmであることが好ましく、20〜1000mmであることがより好ましい。反応場14aの流路長は100〜10000mmであることが好ましく、500〜4000mmであることがより好ましい。触媒部分を除外した有効流路断面積は100〜25000000mmであることが好ましく、400〜1000000mmであることがより好ましい。反応器14内の反応場14aの容積は0.01〜250000Lであることが好ましく、0.2〜4000Lであることがより好ましい。触媒18の表面積は40〜10000000cmであることが好ましく、400〜800000cmであることがより好ましい。触媒18の表面積を反応器14内の反応場14aの容積で除した値は0.01〜120cm/cmであることが好ましく、1〜50cm/cmがより好ましい。
冷却器15は、例えば、管状に形成されており、流入部及び流出部と共に内部にそれらの間に設けられた冷却流路を有する。冷却器15は、空冷式であってもよく、また、水冷式であってもよい。
加熱部16としては、例えば、熱油や蒸気等の加熱媒体による熱交換法によるもの、電気ヒータ等の発熱体との接触伝熱や輻射伝熱による方法によるもの、ヒートポンプを利用する方法によるもの等が挙げられる。
生成物回収部17は例えば気体貯留タンクで構成されている。
(水性ガス用原料)
本実施形態に係る水性ガスの製造で用いる水性ガス用原料は多価アルコールと水とを含有する。
多価アルコールとしては、例えば、2価のアルコールとして、エチレンジグリコール、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、2,3−ヒドロキシプロパナール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、酒石酸などが挙げられ、3価のアルコールとして、グリセリン、1,2,4−ブタントリオール、1,2,6−ヘキサントリオールなどが挙げられ、4価のアルコールとして、ペンタエリスリトールなどが挙げられる。これらのうち、2価のアルコール及び3価のアルコールが好ましく、製造される水性ガスの収率および物質の生体安全性の観点からエチレンジグリコール及びグリセリンが特に好ましい。多価アルコールは、単一種で構成されていてもよく、また、複数種が混合されて構成されていてもよい。
水としては、例えば、蒸留水、イオン交換水等が挙げられる。
水の含有量は、多価アルコールに含まれる炭素原子に対するモル倍率が0.3〜10となる量であることが好ましく、1〜6となる量であることがより好ましい(例えば、多価アルコールがグリセリンの場合、モル倍率が0.9〜30となる量であることが好ましく、3〜18となる量であることがより好ましい。)。
水性ガス用原料は、その他、1価アルコール(メタノール、エタノールなど)、炭化水素(メタン、エタンなど)、エーテル(ジメチルエーテル、ジエチルエーテルなど)、アルデヒド(ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドなど)等を反応性を損なわない範囲で含有していてもよい。
(水性ガスの製造方法)
上記反応装置10及び上記水性ガス用原料を用いた本実施形態に係る水性ガスの製造方法について説明する。
本実施形態に係る水性ガスの製造方法は、上記反応装置10を用い、原料供給部11に上記水性ガス用原料を入れ、原料供給ポンプ12及び加熱部16を稼働させることにより、水性ガス用原料の反応流体を、原料供給部11から原料供給ポンプ12を介して予熱器13に供給し、加熱部16によって予熱された予熱器13によって予熱して反応器14に供給し、反応器14で水蒸気改質反応させて水性ガスを生成し、反応器14から生成した水性ガスを含む反応流体を冷却器15に供給すると共に冷却して凝縮させ、冷却器15から得られた水性ガスを含む反応流体を生成物回収部17で回収するものである。
具体的には、下記化学反応式(1)の多価アルコールの分解反応によって、水性ガス用原料の反応流体が水蒸気改質反応して水素と一酸化炭素との混合ガスである水性ガスを生成すると共に、それに加えて、下記化学反応式(2)の水性ガスシフト反応によって、その生成した一酸化炭素が水と反応して水素を二次的に生成する。
Figure 2011105523
ここで、予熱器13では、反応流体の予熱温度は200〜1000℃とすることが好ましく、500〜700℃とすることがより好ましい。この予熱温度は、加熱部16の温度設定により調整することができる。
反応器14では、その大きさにもよるが、液体積換算での反応流体の流量は10〜100000mL/hとすることが好ましく、100〜50000mL/hとすることがより好ましく、1000〜10000mL/hとすることがさらに好ましい。この流量は、原料供給ポンプ12による水性ガス用原料の送液速度設定により調整することができる。
反応流体の平均流速は0.05m/s以上とし、0.05〜5m/sとすることが好ましく、0.1〜1m/sとすることがより好ましい。この平均流速も、原料供給ポンプ12による水性ガス用原料の送液速度設定により調整することができる。また、反応流体の平均流速は単位時間あたりの水性ガス原料のモル数の総和に0.0224を乗じた値を反応器14の反応場14aの触媒部分を除外した有効流路断面積で除することより求められる値に、反応場14aの絶対温度[K]を標準状態の絶対温度[K]で除した値を乗じることで求めることができる。ここで水性ガス原料は多価アルコール及び水であり、平均流速は反応器入口における平均流速を意味する。
反応時間は1.0s(秒)以上であり、充分な反応率を得る観点から、1.5s以上が好ましく、2.0s以上がより好ましい。また反応時間は経済性の観点から10min(分)以下が好ましく、5min以下がより好ましく、1min以下が更に好ましい。ここで反応時間sは反応器の流路長mmを反応流体の平均流速mm/sで除して求めた値である。この反応時間は、反応器14の容積に応じて、原料供給ポンプ12による水性ガス用原料の送液速度設定により調整することができる。
反応温度は200〜1000℃とすることが好ましく、400〜800℃とすることがより好ましく、500〜700℃とすることがさらに好ましい。この反応温度は、加熱部16の温度設定により調整することができる。
反応圧力は0.01〜10MPaとすることが好ましく、0.1〜1MPaとすることがより好ましい。この反応圧力は、圧力調整器による圧力設定により調整することができる。
反応器14内での水蒸気比S/C(炭素原子に対する水のモル倍率)は0.3〜10であることが好ましく、1〜6であることがより好ましい。
反応器14内での反応流体のレイノルズ数は反応器内でのすすの発生を抑制する観点から5以上が好ましく、10以上より好ましく、15以上が更に好ましく、20以上が特に好ましい。またレイノルズ数は経済性の観点から100000以下が好ましく、10000以下がより好ましく、1000以下が更に好ましく、100以下が特に好ましい。ここで反応流体のレイノルズ数は反応器入口における反応流体のレイノルズ数を意味する。
反応器14での相状態は、液体、気体、超臨界流体のいずれであってもよく、これらが混相する状態であってもよい。この相状態は、加熱部16による反応器10の温度設定及び圧力調整器による圧力設定により調整することができる。
冷却器15では、生成した反応流体は0〜100℃に冷却することが好ましく、10〜40℃に冷却することがより好ましい。この冷却温度は、冷却器15の種類や構造により調整することができる。
回収した水性ガスは、燃料電池、水素エンジン燃料、化学原料等の用途に応じて、必要な品質を達し得る精製を行う。これらの精製法としては、例えば、ガス透過膜、PSA等を用いた方法が挙げられる。
以上の本実施形態に係る水性ガスの製造方法によれば、多価アルコールと水とを含む反応流体を、その流動方向に沿って延びるような表面を有する触媒18が設けられた反応場14aに、平均流速0.05m/s以上、且つ反応時間1.0s以上で流動させることにより、水性ガスを製造する際のすすの発生を抑制することができる。
なお、本実施形態に係る水性ガスの製造方法では、多価アルコール及び水を含む水性ガス用原料の原料流体を反応器14に導入するものとしたが、特にこれに限定されるものではなく、多価アルコール及び水(水蒸気)をそれぞれ別々に反応器に導入するものであってもよい。
また、反応器14には、反応性や収率を損なわない範囲で、多価アルコール、ヒドロキシカルボン酸、及び水以外の物質を導入してもよい。かかる物質としては、例えば、水素、二酸化炭素、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素などのガス、有機酸、炭化水素、アルコール、アルデヒドなどの有機物やその塩類、或いは、無機塩類等が挙げられる。
(水性ガスの製造)
以下の実施例1及び2並びに比較例1〜5のそれぞれの水性ガスの製造を行った。それぞれの構成については表1にも示す。
<実施例1>
流路径26.6mm(有効流路断面積529mm)及び流路長1000mmの円管流路を有するニッケル材製の反応器内に外径9.5mm、内径7.5mm、及び長さ1000mmのニッケル触媒管を設けた反応装置を用いた。
この反応装置に、反応前処理として、水素を流通させつつ600℃に昇温し1時間保持する処理を施した。
そして、この反応前処理後の反応装置を用い、グリセリン(キシダ化学社製、特級)3622g及び蒸留水(和光純薬工業社製)6378gを予め混合調製した原料の溶液を73.5mL/hの流量で予熱部に供給し、そこで昇温してガス化した反応流体を反応器に供給した。このとき、反応器内での反応温度を600℃に及び反応圧力(絶対圧)を0.1MPaにそれぞれ設定した。平均流速は0.09m/s、反応時間は10.6s、水蒸気比S/Cは3、及びレイノルズ数は23.0であった。
反応器から排出された流体を冷却してテドラーバックに捕集した。
<実施例2>
原料の溶液の流量を191.9mL/hとしたことを除いて実施例1で用いたのと同様の操作を行い、反応器から排出された流体を冷却してテドラーバックに捕集した。平均流速は0.25m/s、反応時間は4.1s、水蒸気比S/Cは3、及びレイノルズ数は60.0であった。
<比較例1>
流路径7.5mm(有効流路断面積44.2mm)及び流路長200mmの円管流路を有するニッケル材製(ニッケル純度>99.0%)の反応器を備えた実施例1で用いたのと同様の構成の反応装置を用いた。この反応装置では、反応器の内壁が触媒を構成する。
この反応装置に、反応前処理として、水素を流通させつつ600℃に昇温し1時間保持する処理を施した。
そして、この反応前処理後の反応装置を用い、グリセリン108.7g及び蒸留水191.3gを予め混合調製した原料の溶液を1.3mL/hの流量で予熱部に供給し、そこで昇温してガス化した反応流体を反応器に供給した。このとき、反応器内での反応温度を600℃に及び反応圧力(絶対圧)を0.1MPaにそれぞれ設定した。平均流速は0.02m/s、反応時間は9.6s、水蒸気比S/Cは3、及びレイノルズ数は1.4であった。
反応器から排出された流体を冷却してテドラーバックに捕集した。
<比較例2>
流路径4.4mm(有効流路断面積15.2mm)及び流路長100mmの円管流路を有するニッケル材製(ニッケル純度>99.0%)の反応器を備えた実施例1で用いたのと同様の構成の反応装置を用いた。この反応装置では、反応器の内壁が触媒を構成する。
この反応装置に、反応前処理として、水素を流通させつつ600℃に昇温し1時間保持する処理を施した。
そして、この反応前処理後の反応装置を用い、グリセリン108.7g及び蒸留水191.3gを予め混合調製した原料の溶液を0.9mL/hの流量で予熱部に供給し、そこで昇温してガス化した反応流体を反応器に供給した。このとき、反応器内での反応温度を600℃に及び反応圧力を0.1MPa(絶対圧)にそれぞれ設定した。平均流速は0.04m/s、反応時間は2.4s、水蒸気比S/Cは3、及びレイノルズ数は1.7であった。
反応器から排出された流体を冷却してテドラーバックに捕集した。
<比較例3>
原料の溶液の流量を0.4mL/hとしたことを除いて比較例2と同様の操作を行い、反応器から排出された流体を冷却してテドラーバックに捕集した。平均流速は0.02m/s、反応時間は4.8s、水蒸気比S/Cは3、及びレイノルズ数は0.8であった。
<比較例4>
流路径2.2mm(有効流路断面積3.8mm)及び流路長2000mmの円管流路を有するニッケル材質(ニッケル純度>99.0%)の反応器を備えた実施例1で用いたのと同様の構成の反応装置を用いた。この反応装置では、反応器の内壁が触媒を構成する。この反応装置に予め混合調整した原料の溶液を15.6mL/hの流量で予熱部に供給し、そこで昇温してガス化した反応流体を反応器に供給した。このとき、反応器内での反応温度を600℃に及び反応圧力を0.1MPa(絶対圧)にそれぞれ設定した。平均流速は3.00m/s、反応時間0.7s、水蒸気比S/Cは3、及びレイノルズ数は59.7であった。
反応器から排出された流体を冷却してテドラーバックに捕集した。
<比較例5>
原料の溶液の流量を31.2mL/hとしたことを除いて比較例4と同様の操作を行い、反応器から排出された流体を冷却してテドラーバックに捕集した。平均流速は6.00m/s、反応時間は0.3s、水蒸気比S/Cは3、及びレイノルズ数は119.4であった。
Figure 2011105523
(試験評価方法)
<反応消費率>
実施例1及び2並びに比較例1〜5のそれぞれで回収された反応流体に含まれる液体についてガスクロマトグラフ分析により未反応原料濃度を定量し、それと液体捕集量との積から未反応原料排出量を算出した。そして、その未反応原料排出量の水性ガス用原料の投入量に対する百分率を100%から減じたものを算出し、それを反応消費率とした。
<水性ガス収率>
実施例1及び2並びに比較例1〜5のそれぞれで回収した反応流体に含まれる気体についてガスクロマトグラフ分析によりH、CO、CO、及びCHのガス成分濃度(vol%)を定量し、気体捕集量との積から求められる水素と一酸化炭素との合計となる水性ガス排出量を算出した。そして、反応原料の投入量から理論的に求められる水性ガスの収量に対する現実の収量の比率を水性ガス収率とした。なお、グリセリン1モルから理論的に生成できる水性ガスは7モルである。
<炭素(すす)発生率>
実施例1及び2並びに比較例1〜5のそれぞれで回収した反応流体に含まれる液体についてガスクロマトグラフ分析にて未反応原料及び反応生成物のそれぞれの定量を行ってモル数を算出した。そして、各成分のモル数をそれぞれが含む炭素原子のモル数に換算してこれらを合計し、反応原料の投入量を炭素原子のモル数に換算した値に対するこの炭素原子のモル数の合計の比率を100%から減じた数値を炭素発生率とした。
(試験評価結果)
表2は試験評価の結果を示す。
Figure 2011105523
本発明は多価アルコールと水とから水性ガスを製造する方法について有用である。
10 反応装置
11 原料供給部
12 原料供給ポンプ
13 予熱部
14 反応器
14a 反応場
15 冷却器
16 加熱部
17 生成物回収部
18 触媒

Claims (4)

  1. 多価アルコールと水とから水性ガスを製造する方法であって、
    多価アルコールと水とを含む反応流体を、その流動方向に沿って延びるような表面を有する触媒が設けられた反応場に、平均流速0.05m/s以上、且つ反応時間1.0s以上で流動させる水性ガスの製造方法。
  2. 上記多価アルコールがグリセリンである請求項1に記載された水性ガスの製造方法。
  3. 上記触媒が8〜10族の金属を含む請求項1又は2に記載された水性ガスの製造方法。
  4. 反応場における反応流体のレイノルズ数が5〜100000である請求項1〜3のいずれかに記載された水性ガスの製造方法。
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