JP2011219331A - 熱化学水素製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】H2SO4相及びHIx相の精製に、酸素と不活性ガスの混合ガスを用いることを提案する。このプロセスは、これまでの不活性ガスのみを用いた精製機構、すなわち逆ブンゼン反応:2HI + H2SO4 = SO2 + I2 + 2H2Oとは異なる、HI酸化:4HI + O2 = 2I2 + 2H2Oによって、H2SO4を消費することなく、H2SO4相の完全な精製が実現できる。ストリッピングガスとして酸素含有混合ガスを用いるHIx相の精製では、混合ガス中の酸素が適切に副生成物SあるいはH2Sと反応し、SO2を形成するので、これまでの不活性ガスのみを用いた精製と比べてSO2の選択率を増大できる。
【選択図】図2
Description
ブンゼン反応:SO2 + I2 + 2H2O = 2HI + H2SO4 (1)
H2SO4分解反応:H2SO4 = SO2 + 1/2O2 + H2O (2)
HI分解反応:2HI = H2 + I2 (3)
硫黄形成反応:H2SO4 + 6HI = S + 3I2 + 4H2O (4)
硫化水素形成反応: H2SO4 + 8HI = H2S + 4I2 + 4H2O (5)
逆ブンゼン反応:2HI + H2SO4 = SO2 + I2 + 2H2O (6)
また、この反応の生成物である二酸化硫黄及び水を、(1)ブンゼン反応を進行する容器に輸送し水素を製造することで、水素製造効率を向上できる。さらにまた、特許文献1では、精製プロセスにおける(4)副反応の結果生成する硫黄を除去する手段として、ろ過器の導入が提案されている。硫黄を蓄積したろ過器に酸素ガスを導入することで以下の反応が進行する。
そして、上述の特許文献1には、この反応の生成物である二酸化硫黄を、(1)ブンゼン反応を進行する容器に輸送し水素を製造することで、水素製造効率を向上させることができる旨記載されている。
2HI + 3O2 = 2HIO3 (9)
硫酸相における不純物であるヨウ化水素が反応性ガスである酸素と反応した結果、ヨウ素やHIO3に変化し、逆ブンゼン反応(6)の進行が阻害されたために硫酸の収率が改善したものと考えられる。また、高温ではHIO3の安定性が損なわれ、ヨウ素の選択率SI2が向上したものと考えられる。また、反応温度を120℃に保ったHIx相の模擬溶液に加えた酸素ガスの流量の影響を調べた結果、流量が増加するに従って、二酸化硫黄の選択率SSO2が向上するものの、硫酸の変換率CSAとヨウ化水素の収率YHIの減少がみられた。
S + O2 = SO2 及びH2S + O2 = SO2
パラメータ:温度、ストリッピングガス流量
温度範囲:60 ~ 160℃
ストリッピングガス:窒素(不活性ガスとして)、酸素(反応性ガスとして)
H2SO4相ストリッピングガス流量範囲:N2, 0 ~ 16mol%, O2, 0 ~ 9mol%
HI相ストリッピングガス流量範囲:N2, 0 ~ 4.7mol%, O2, 0 ~ 2.4mol%
圧力:1atm
平衡組成計算:反応速度を考慮せず
ブンゼン反応生成物組成:ゼネラルアトミック社(General Atomic)測定結果相当
H2SO4相不純物含有量:HI = 2mol%
HIx相不純物含有量:H2SO4 = 1mol%
本発明の硫酸(H2SO4)相への適用性
(A)窒素ガス単体の添加に比べて100%近い硫酸の収率
(B)酸素ガス単体の添加に比べて140℃から110℃への反応温度低下
上述の(A)の結果、ISプロセス内での硫酸循環量が低減し、水素製造熱効率の向上につながることが期待される。
上述の(B)の結果、硫酸相精製プロセスの操作温度が低減し、ISプロセスの水素製造熱効率の向上につながることが期待される。
本発明のポリヨウ化水素酸酸(HIx)相への適用性
図8に、HI: 2mol/h, H2O: 10mol/h, I2: 8mol/h, H2SO4: 0.2mol/hのポリヨウ化水素酸相の模擬溶液の反応温度を変化させた効果を示す。反応温度が増加するにしたがって、硫酸の変換率CSAが向上するものの、ヨウ化水素の収率YHIが減少し、二酸化硫黄の選択率SSO2が120℃にピークを持つ。そこで、反応温度120℃におけるCSA とSSO2の向上を狙って各種ガスの効果について以下のように実験を行なった。
図9に、120℃におけるHI: 2mol/h, H2O: 10mol/h, I2: 8mol/h, H2SO4: 0.2mol/hのポリヨウ化水素酸相の模擬溶液に対して添加する窒素ガスの流量の効果を示す。流量が増加するに従って、硫酸の変換率CSAが向上するものの、二酸化硫黄の選択率SSO2とヨウ化水素の収率YHIの減少がみられる。
図10に、120℃における模擬溶液に対して添加する酸素ガスの流量の効果を示す。流量が増加するに従って、二酸化硫黄の選択率SSO2が向上するものの、硫酸の変換率CSAとヨウ化水素の収率YHIの減少がみられる。この系においては、硫酸相の場合と同様に前述の式(8)及び式(9)に従った反応が進行したことが予想される。
図11に、120℃において模擬溶液と純酸素ガス添加の解析で得られた最適流量である0.1mol/hの酸素の混合系に添加した窒素ガスの流量の効果を示す。純窒素ガスを模擬溶液に添加した場合と同様に、流量が増加するに従って、硫酸の変換率CSAが向上するものの、二酸化硫黄の選択率SSO2とヨウ化水素の収率YHIの減少がみられた。しかし、CSAの向上率に対して、SSO2の減少率は小さく、純酸素ガスを0.1mol/h添加した場合に比べて、精製プロセスとしての最適化が可能となった。窒素ガスの流量0.4mol/h程度において、CSAとSSO2が最大化された。
(C)窒素ガス単体の添加に比べて同等の硫酸の変換率と100%近い二酸化硫黄の選択率
(D)酸素ガス単体の添加に比べて同等の二酸化硫黄の選択率と100%近い硫酸の変換率
上述の(C)の結果、精製プロセスにおける副反応の進行を抑制し、単体硫黄や硫化水素の発生を防止できる。
上述の(D)の結果、後段のプロセスへの不純物の流入を防ぎ、精製プロセスの本来の機能を達成できる。
201…ポンプ、
203…ストリッピング塔、
204…温度制御器、
205…生成物タンク、
206…ストリッピングガスタンク、
207…流量計、
208…弁機構
Claims (7)
- 原材料であるH2Oから、ブンゼン反応によってH2SO4相及びHIx相を形成する段階、形成されたH2SO4相及びHIx相を分離する段階、その後、反応性ストリッピングガスを用いて、H2SO4相及びHIx相の各相に含まれる不純物を精製する段階、最後に、精製されたHIxからHI分解反応によって水素を製造する段階からなる熱化学水素製造方法において、
前記精製段階で用いられる反応性ストリッピングガスが、酸素と不活性ガスから成る混合ガスであることを特徴とする熱化学水素製造方法。 - 原材料であるH2Oから、ブンゼン反応によってH2SO4相及びHIx相を形成する段階、形成されたH2SO4相及びHIx相を分離する段階、その後、反応性ストリッピングガスを用いて、H2SO4相及びHIx相の各相に含まれる不純物を精製する段階、最後に、精製されたHIxからHI分解反応によって水素を製造する段階からなる熱化学水素製造方法において、
前記精製段階で用いる前記反応性ストリッピングガスが、酸素と不活性ガスから成る混合ガスであって、微少成分HIに対する、前記反応性ストリッピングガス内の反応性酸素ガスの流入モル比が、少なくとも4:1以上であることを特徴とする熱化学水素製造方法。 - 原材料であるH2Oから、ブンゼン反応によってH2SO4相及びHIx相を形成する段階、形成されたH2SO4相及びHIx相を分離する段階、その後、反応性ストリッピングガスを用いて、H2SO4相及びHIx相の各相に含まれる不純物を精製する段階、最後に、精製されたHIxからHI分解反応によって水素を製造する段階からなる熱化学水素製造方法において、
前記精製段階で用いる前記反応性ストリッピングガスが、酸素と不活性ガスから成る混合ガスであって、微少成分H2SO4に対する、前記反応性ストリッピングガス内の反応性酸素ガスの流入モル比が、1:0より大きく、1:2以下であることを特徴とする熱化学水素製造方法。 - 請求項2又は3に記載の熱化学水素製造方法において、
酸素と不活性ガスから成る前記混合ガスが、窒素、ヘリウム、アルゴンを含有する1種又は数種の不活性ガスと、酸素の混合ガスであることを特徴とする熱化学水素製造方法。 - 原材料であるH2Oから、ブンゼン反応によってH2SO4相及びHIx相を形成する段階、形成されたH2SO4相及びHIx相を分離する段階、その後、ストリッピング塔において反応性ストリッピングガスを用いて、H2SO4相及びHIx相の各相に含まれる不純物を精製する段階、最後に、精製されたHIxからHI分解反応によって水素を製造する段階からなる熱化学水素製造方法において、
前記精製段階では、前記ストリッピング塔の温度が90℃から160℃に制御され、組成を計測されたH2SO4相の溶液が、該ストリッピング塔の上部から該ストリッピング塔内に汲み上げられ、同時に、反応性ストリッピングガスが該ストリッピング塔の下部から流され、最後に、精製液が該ストリッピング塔から放出されると共に、
前記反応性ストリッピングガスが、酸素と不活性ガスから成る混合ガスであって、微少成分HIに対する、前記反応性ストリッピングガス内の反応性酸素ガスの流入モル比が、少なくとも4:1以上であることを特徴とする熱化学水素製造方法。 - 原材料であるH2Oから、ブンゼン反応によってH2SO4相及びHIx相を形成する段階、形成されたH2SO4相及びHIx相を分離する段階、その後、ストリッピング塔において反応性ストリッピングガスを用いて、H2SO4相及びHIx相の各相に含まれる不純物を精製する段階、最後に、精製されたHIxからHI分解反応によって水素を製造する段階からなる熱化学水素製造方法において、
前記精製段階では、前記ストリッピング塔の温度が90℃から160℃に制御され、組成を計測されたHIx相の溶液が、該ストリッピング塔の上部から該ストリッピング塔内に汲み上げられ、同時に、反応性ストリッピングガスが該ストリッピング塔の下部から流され、最後に、精製液が該ストリッピング塔から放出されると共に、
前記反応性ストリッピングガスが、酸素と不活性ガスから成る混合ガスであって、微少成分H2SO4に対する、前記反応性ストリッピングガス内の反応性酸素ガスの流入モル比が、1:0より大きく、1:2以下であることを特徴とする熱化学水素製造方法。 - 請求項5又は6に記載の熱化学水素製造方法において、
酸素と不活性ガスから成る前記混合ガスが、窒素、ヘリウム、アルゴンを含有する1種又は数種の不活性ガスと、酸素の混合ガスであることを特徴とする熱化学水素製造方法。
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