JP2013147596A - 連続式固定床触媒反応装置及びこれを用いた触媒反応方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の連続式固定床触媒反応装置10は、触媒反応用の原料ガスの流入路20及び改質ガスの流出路21と、流入路20及び流出路21に接続され、かつ触媒を収容する触媒反応容器11とを有する連続式固定床触媒反応装置であって、複数の触媒をそれらの可動性を損なわずに貫通して触媒連13を形成する中心棒と、複数の中心棒を立設する保持板12と、反応容器11内で保持板12を往復運動させるための駆動機構15とを具備することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
流入路及び流出路に接続され、かつ触媒を収容する触媒反応容器と、
を有する連続式固定床触媒反応装置であって、
・複数の触媒をそれらの可動性を損なわずに貫通して触媒連を形成する中心棒と、
・複数の中心棒を立設する保持板と、
・反応容器内で保持板を往復運動させるための駆動機構と、
を具備することを特徴とする、連続式固定床触媒反応装置。
aM・bNi・cMg・dOで表わされる複合酸化物であるタール含有ガスの改質用触媒であって、
a、b、及びcは、a+b+c=1、0.02≦a≦0.98、0.01≦b≦0.97、かつ、0.01≦c≦0.97を満たし、
dは、酸素と陽性元素が電気的に中立となる値であり、
Mは、Ti、Zr、Ca、W、Mn、Zn、Sr、Ba、Ta、Co、Mo、Re、白金、ルニウム、パラジウム、ロジウム、Li、Na、K、Fe、Cu、Cr、La、Pr、Ndから選ばれる少なくとも1種類の元素であり、
前記複合酸化物に、シリカ、アルミナ、ゼオライトから選ばれる少なくとも1種類の酸化物を加え、シリカ、アルミナ、ゼオライトから選ばれる前記酸化物の含有量が、前記複合酸化物に対し1〜90質量%である、
ことを特徴とする、上記(5)に記載の連続式固定床触媒反応装置。
(1)固定床触媒層中の隣り合う複数の触媒で形成される触媒間空間において、主流の上流側の隙間から原料ガス(一部改質済み)が流入し、主流の下流側の隙間から改質されたガス(一部は残留した原料ガス)が改質ガスとして流出する。
(2)触媒間空間に供給された原料ガスが触媒反応によって改質される際、触媒表面で生成した固体カーボンの一部が触媒表面に付着する。
(3)触媒間空間に供給された原料ガスが触媒反応によって改質される際、触媒表面で生成し、気流によって触媒表面から離脱した固体カーボン微粒子は、上記の既に触媒表面に付着した固体カーボン上に付着して、触媒表面で直径数十μmから約1mmのカーボン球が成長する。
(4)上記のカーボン球は、時に触媒表面から離脱し、既に存在する他のカーボン球の上に再付着するなどして、触媒表面に多層のカーボン球から構成される厚みが数mmにもおよぶ固体カーボンの堆積層が形成される。
(5)この固体カーボン堆積層は実質的に多孔質であるので、高速のガスが通気する際には大きな圧力損失を生じる。
(6)特定の触媒間空間での通気抵抗が過大となれば、主流は、他のより通気抵抗の低い触媒間空間を優先的に通気するようになる。但し、固体カーボン堆積層が多孔質であるため、固体カーボンの堆積によって通気抵抗が過大になった空間においても、触媒間空間へのガスの流れが完全に遮断されるわけではなく、触媒表面には低流量で原料ガスが供給され続ける。この結果、触媒表面でのガス改質による固体カーボンの成長は常に進行し続ける(但し、触媒表面での露出面積は減少するので、改質速度は初期に比べて大幅に低下する)。
(7)触媒層中の大半の触媒間空間において固体カーボンの堆積が進むと触媒層全体としての圧力損失が過大となり、「閉塞状態」が生じる(触媒反応容器では所与の流量で原料ガスを処理しなければならず、この所与のガス流量時にいずれの触媒間空間を通気しても圧力損失が反応装置の許容値(ガス搬送能力や容器の強度等によって定まる)を超えることが避けられない状態で触媒層は実質的な「閉塞」となる)。
すなわち、一般に、閉塞を生じた触媒層においては、
[個々の堆積カーボンの大きさ]>[当該触媒間空間の隙間]
の状態となっており、
[個々の堆積カーボンの大きさ]<[当該触媒間空間の隙間]
としない限り、触媒層からカーボンを大量に除去することはできず、触媒層外部からのブローによる触媒層の逆洗はこれに有効ではない。
[個々の堆積カーボンの大きさ]<[当該触媒間空間の隙間]
の関係が実現されて触媒層中を落下し、遂には触媒層から除去された。
すなわち、1回限りの閉塞解消効果では、多くの場合、触媒反応容器における所要処理継続時間を満足できないので、反応容器外面の槌打は堆積カーボンの継続的な除去のためには不十分である。触媒層から堆積カーボンを継続的に除去するためには、
[個々の堆積カーボンの大きさ]<[当該触媒間空間の隙間]
とした後に、触媒層の最密充填状態を解消する手段が必要である。
[個々の堆積カーボンの大きさ]<[当該触媒間空間の隙間(専用気流路の幅)]
を実現できている。従って、固体生成物が触媒上に所定量堆積するまでの間に触媒柵を往復運動させることによって堆積物を触媒表面から離脱させることができる。さらに、離脱させた固体生成物を、専用気流路を通じて落下または気流搬送することによって、触媒反応容器外に排出することができる。このようにして、触媒表面の生成物を除去することによって、触媒表面での生成物堆積状態を反応の初期状態と同様の状態に戻すことができるので、この往復運動操作を生成物の堆積が進行するたびに繰り返すことによって、反応容器の通気性を常に良好に保つことができる。
図1に、本発明の第1の実施形態の連続式固定床触媒反応装置10を示す。この図の(a)は平面図、(b)は正面図、(c)は側面図である。本発明の触媒反応装置10は、反応容器11を含み、その内部に、保持板12によって保持された触媒連13の集合体である触媒柵14が収容されている。
反応容器11は、両端に開口20a、21aを有し、これらの開口間に触媒柵を収納できるものであればどのような形状でもよい。開口20aは、触媒反応用流体(原料ガス)の流入路20を構成する供給管に通じており、触媒反応用流体の反応容器11へ流入口に当たるものである。開口21aは、反応容器11の改質ガスの流出路21を構成する排出管に通じており、改質ガスの反応容器11からの流出口に当たるものである。反応容器11は、例えば、円筒状、角型ダクト状などの形状であることができる。以下では、角型ダクト状の反応容器を例に説明する。
反応容器11の材質は、触媒を保持する強度、触媒反応に関与する流体への耐熱・耐食性、反応生成物への耐汚染性を有する材料であれば、どのようなものでも使用できる。例えば、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金等の金属材料、シリカ、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックス材料(煉瓦に加工されたものを含む)、ソーダガラス、溶融石英等のガラス材料を使用することができる。
反応容器厚及び反応容器幅ともに、触媒直径よりも大きい必要がある。反応容器の厚みが大きいほど、空間を効率的に使用して多量の触媒を触媒反応容器に収納することができる。一般に触媒反応では発熱または吸熱があり、かつ、反応容器の表面を通じてこれらの熱を外部と授受するため、反応容器の厚みが大きいほど、厚み方向に熱が伝わりにくくなる。このため、反応容器の厚み(反応容器断面が円形の場合には直径)は、500mm以下であることが好ましい。また、当然のことながら、反応容器の厚みは、収納する触媒の代表寸法(例えば、触媒直径)よりも大きくなければならない。
図5に示したように、触媒連13は、円筒状などの内部に貫通孔を有する触媒51と、一群の触媒51を貫く中心棒52により構成される。図6に示したように、触媒柵14は、一群の触媒連13を保持板12に固定して製作される。
触媒柵の開口率は、開口率=(1−[触媒柵の主流に垂直な断面の断面積]/[触媒反応容器の主流に垂直方向の見かけ断面積])×100(%)として定義することができる。「主流」とは、反応容器11へ供給された流体が、反応容器11内でその流入口20aから流出口20bへと向かう流れ、として定義され、図1の場合には、主流は触媒連13に平行な方向の流体の流れとなる。触媒柵の開口率が大きいほど、通気抵抗が小さい。一方、開口率が過大だと必要な触媒反応容器体積が増大し、また、通気抵抗が小さいので吹き抜けも生じやすい。従って、開口率は、30%以上60%以下の範囲が好ましい。
触媒連の中心棒は、触媒を貫くことでそれを損傷させないように、丸棒が好ましい。但し、加工の便宜等の理由によって、多角形断面の棒であってもよい。
上下方向に往復運動させる触媒柵が反応容器内に収納可能である限り、触媒連の長さは触媒反応容器高さの範囲内あれば特に制約はない。中心棒で貫く触媒の数を増やすことで、触媒連長さを自由に定めることができる。但し、長い触媒連の場合、下流側では原料流体濃度が減少するので、触媒反応の反応速度は低下する。従って、処理する原料流体流量と触媒総量の比を勘案して適宜最適な長さを決めればよい。
触媒連は、例えば、手作業で触媒を中心棒に貫通させて作製することができる。
触媒連を支持する保持板は、中心棒を、溶接やねじ込みなどの方法で取り付けることができる材料で製作される。その材質は、強度・剛性・耐熱性等の観点から、中心棒と同様に、ステンレス鋼、インコネル(登録商標)等のニッケル合金、チタン、チタン合金などでよい。カラーを用いる場合、それも保持板の材料と同様の材料で製作することができる。
本実施形態では、保持板12を昇降させることによってその上の触媒柵14を反応容器11内で昇降させる。そのために、本実施形態の反応容器11には保持板12を昇降させる駆動機構15が装備される。駆動機構15には、エアシリンダ、ラックピニオン等の歯車を利用した昇降装置16などの、一般的な駆動機構を用いることができる。保持板12は、伝導軸17を用いて昇降装置16に結合される。昇降装置16を作動させると、保持板12の全体が反応容器11の軸線に沿って移動して、触媒柵14の全体をやはり反応容器11の軸線に沿って上下に移動させる。
触媒間の相対運動を十分行うためには、保持板12の昇降ストロークは大きいことが好ましい。例えば、触媒外面の代表寸法(例:直径)の0.1倍程度の昇降ストロークであっても加振の効果は存在するので、触媒表面の固体カーボンなどの堆積物の除去効果は一定程度は得られる。とは言え、十分な堆積物除去効果を挙げるためには、保持板12の昇降ストロークは触媒外面代表寸法の0.5倍以上であることが好ましく、1倍以上であることがより好ましい。
上昇速度には特段の制約はない。下降速度は、固体堆積物を触媒表面から離脱させるのに十分な触媒間の相対運動を可能にするように設定する必要がある。極端に遅い下降速度では、触媒間で相対運動を生じないので好ましくない。下降速度は、触媒の自由落下速度(例:100mm/s)よりも速くすることができる。このようにすることによって、個々の触媒が下降する際に触媒と中心棒との接触状態に応じて下降速度のバラツキを生じ、触媒間で相対運動と衝突を生じさせることができる。
触媒は、触媒連から脱落しないことが必要である。従って、中心棒が貫通することができる孔を有する形状であることが有利である。例えば、リング状、円筒状、ダクト状等の触媒を用いることができる。また、触媒の脱落防止の要件を満たす形状として、中心棒の直径よりも開口幅の小さい馬蹄形としてもよい。
本発明の触媒反応装置を適用できる触媒の材質や触媒作用は、流体、特にガスを原料とする触媒反応に用いられる触媒であれば、特に制限はない。流体がガスであり、触媒反応による生成物がガスと固体または液体とである触媒反応、中でも、触媒反応用流体が炭化水素を含有するガスであり、触媒反応による生成物がガスおよび固体または液体である触媒反応、特に、触媒反応用流体がタールを含有するガスであり、触媒反応による生成物が固体の炭化水素または固体のカーボンを含む触媒反応に用いられる触媒に好適に使用できる。
本発明は、上記に例示した触媒反応装置及び触媒のほか、コーキング等を生じる、下記の触媒反応装置にも好適に使用できる。
1)メタン改質触媒反応装置: 特開2006−35172号公報の「比較例」には、炭化水素であるメタンガスを原料ガスとして大量のコーキング(炭素析出)が発生することが記載されている。
2)都市ガス改質触媒反応装置: 特許文献2にコーキングの事例が記載されている。
3)その他、LPG等の各種石油精製ガスや天然ガスの改質のための触媒反応装置、水素を含有するガスと酸化剤ガスを作用させて発電し、水を副生する、燃料電池用の触媒反応装置(例:特開2009−48797号公報)等に適用できる。
(1)触媒柵が触媒連を水平方向に向けて反応容器内に配置されており、すなわち、触媒連が主流に直交するように配置される。特に、主流からみて触媒連を千鳥配置にできる。これにより、主流の流れは、触媒連の側面である触媒表面に衝突して触媒連の両側を通るように流れの向きが曲げられる。この際、主流に対し垂直な方向に強い移流と乱流拡散を生じることによって、主流垂直方向での物質移動および熱移動が促進される。その結果、反応容器内を加熱する場合に反応容器表面に外部から供給された熱量は、反応容器の内部深くまで輸送されるとともに、反応容器の厚み方向で触媒反応速度が異なったとしても物質輸送の効果によって厚み方向での流体濃度は均一化され、吹き抜けを生じにくい。特に、触媒連を千鳥配置した場合には、主流の流れは、絶えず触媒連との衝突によって曲げられるため、厚み方向での物質移動・熱移動が一層促進され、これらの効果がより顕著になる。
(反応系全体の構成)
石炭供給装置(石炭ホッパー定量供給器)から、加熱されたキルンに20kg/時の速度で石炭を供給して石炭乾留ガス(石炭中の水分に起因する水蒸気を含む)を連続発生させた。触媒反応装置の流入口は、保温管によってキルンに接続し、触媒反応装置流出口は、保温管によってスクラバ経由で誘引ファンに接続した。石炭乾留ガスは、ガス中のタールが触媒反応容器で改質されて軽質ガス(水素等)を生成し、改質ガスとして誘引ファンによってフレアスタック(改質ガスを燃焼する)経由で大気中に放散させた。触媒反応容器は、炉温が一定温度に制御された電気加熱炉内に収容した。誘引ファンは、流量を調節でき、石炭乾留ガスの発生速度に対応する流量に制御された。
図1の触媒反応装置で試験した。反応容器は、ステンレス鋼製であり、寸法が80mm厚×300mm幅×700mm高さで、上下に開口を持つダクト形状であった。反応容器のダクトの上端に、JIS 80Aの流出管を、ダクトの下端にJIS 150Aの流入管を接続して通気するようにした。
作業条件は、次のとおりであった。
・石炭乾留キルン温度: 750℃
・電気加熱炉炉温: 800℃
・石炭乾留ガス流量: 平均10Nm3/h
・石炭乾留ガス通気時間: 5時間
改質反応を始める前に、まず反応器を窒素雰囲気下で800℃まで昇温した後、水素ガスを80Nl/min流しながら30分間還元処理を行った。その後、コークス炉ガスを調整して導入し、常圧下、反応評価した。
以下の触媒7kgを図1に示した触媒反応装置に収容し、触媒層中央位置に熱電対を挿入した。
触媒としては、Ni0.1Ce0.1Mg0.8Oなる成分系のものを使用した。
硝酸ニッケル、硝酸セリウム、硝酸マグネシウムを各金属元素のモル比が1:1:8になるように精秤して、60℃の加温で混合水溶液を調製したものに、60℃に加温した炭酸カリウム水溶液を加えて、ニッケル、マグネシウム、及びセリウムを水酸化物として共沈させ、スターラーで十分に攪拌した。その後、60℃に保持したまま一定時間攪拌を続けて熟成を行った後、吸引ろ過を行い、80℃の純水で十分に洗浄を行った。洗浄後に得られた沈殿物を120℃で乾燥し粗粉砕した後、空気中600℃で焼成(か焼)したものを解砕した後にビーカーに入れ、アルミナゾルを加えて攪拌羽根を取り付けた混合器で十分混合したものをなすフラスコに移してロータリーエバポレーターに取り付け、攪拌しながら吸引することで、水分を蒸発させた。なすフラスコ壁面に付着したニッケルとマグネシウムとセリウムとアルミナの化合物を蒸発皿に移して120℃で乾燥、600℃でか焼後、粉末を圧縮成形器を用いてプレス成型し、外径15mm、内径5mm、高さ15mmの円筒状成型体を得た。
直径4mm、長さ500mmのステンレス製丸棒を中心棒として使用し、下端から80mmの位置に直径10mmの円筒状のカラーを溶接して、触媒の脱落防止とした。触媒連の中心棒を保持器である底板に溶接し、カラーの上の部分に30個の触媒を貫通させて、触媒柵を製作した。触媒連の配置は、反応容器厚み方向に5列、幅方向に14または15列の千鳥配置とした。
・駆動装置昇降ストローク: 20mm
・駆動装置上昇速度: 10mm/秒
・駆動装置下降速度: 80mm/秒
・操作タイミング: 石炭乾留ガス通気開始後3.5時間で3往復の昇降を行う
図4を使って試験結果を説明する。図4の横軸は通気時間、左側の縦軸は反応容器での圧力損失、右側の縦軸は増幅水素流量(触媒単位質量当たりの、触媒による改質反応により反応容器内で生成した水素の流量)を表している。試験中に通気抵抗の上昇は特に認められなかった。石炭乾留ガス通気開始後に改質性能は徐々に低下したが、触媒柵の往復運動を実施した直後に、急激に回復した。
図2の触媒反応装置を用いて試験を行った。中心棒として、直径4mm、長さ280mmのステンレス製丸棒を用いたこと、触媒連の片端側を一方の保持器に溶接、もう一端側を他方の保持器に着脱式に取り付けたこと、各触媒連は、それぞれ19個の円筒型触媒を貫通したものであること、触媒柵は、前記触媒連を厚方向に5列、高さ方向に22段の千鳥配置としたこと、触媒柵の往復運動を上下方向(触媒柵の触媒をその直径方向に運動させる)としたこと、前記往復運動は、通気開始後8時間30分後および9時間30分後に実施したこと以外は、実施例1と同様とした。
図8を使って試験結果を説明する。図8の横軸は通気時間、縦軸は反応容器での圧力損失、を表している。試験中に通気抵抗の上昇速度は、実施例1に比べてやや高いものであったが、2回の触媒柵の往復運動を実施した直後には、急激に圧力損失を低減することができた。
触媒の損傷は特に認められなかった。
硝酸ニッケル、硝酸セリウム、硝酸酸化ジルコニウム、硝酸マグネシウムを各金属元素のモル比が1:1:1:7になるように精秤して、60℃の加温で混合水溶液を調製したものに、60℃に加温した炭酸カリウム水溶液を加えて、ニッケル、セリウム、ジルコニウム、及びマグネシウムを水酸化物として共沈させ、スターラーで十分に攪拌した。
ニッケル、マグネシウム、ナトリウムの原子量%がそれぞれ10%、80%、10%になるように精秤して、60℃の加温で混合水溶液を調製したものに、60℃に加温した炭酸カリウム水溶液を加えて、ニッケルとマグネシウムとナトリウムを水酸化物として共沈させ、スターラーで十分に攪拌した。その後、60℃に保持したまま一定時間攪拌を続けて熟成を行った後、吸引ろ過を行い、80℃の純水で十分に洗浄を行った。
11 反応容器
12 保持板
13 触媒連
14、14’ 触媒柵
15 駆動機構
16 昇降装置
17 伝導軸
18 原料ガス
19 改質ガス
20 原料ガス流入路
21 改質ガス流出路
22 カラー
51 触媒
52 中心棒
Claims (9)
- 触媒反応用の原料ガスの流入路及び改質ガスの流出路と、
流入路及び流出路に接続され、かつ触媒を収容する触媒反応容器と、
を有する連続式固定床触媒反応装置であって、
・複数の触媒をそれらの可動性を損なわずに貫通して触媒連を形成する中心棒と、
・複数の中心棒を立設する保持板と、
・反応容器内で保持板を往復運動させるための駆動機構と、
を具備することを特徴とする、連続式固定床触媒反応装置。 - 前記中心棒に高熱伝導性材料を用いるとともに、前記中心棒の端部を加熱する加熱装置を具備することを特徴とする、請求項1に記載の連続式固定床触媒反応装置。
- 前記駆動機構が、それによる往復運動の終端部において前記中心棒の速度が触媒の速度よりも小さくなるように動作することを特徴とする、請求項1又は2に記載の連続式固定床触媒反応装置。
- 前記触媒反応用流体が炭化水素を含有するガスであり、触媒反応による生成物がガスと固体の炭化水素または固体のカーボンとであることを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の連続式固定床触媒反応装置。
- 前記触媒反応用流体がタールを含有するガスであることを特徴とする、請求項4に記載の連続式固定床触媒反応装置。
- 前記触媒が、ニッケル、マグネシウム、セリウム、アルミニウムを含む複合酸化物であって、アルミナを含まない複合酸化物からなる触媒であり、前記複合酸化物が、NiMgO、MgAl2O4、CeO2の結晶相からなることを特徴とする、請求項5に記載の連続式固定床触媒反応装置。
- 前記触媒が、ニッケル、マグネシウム、セリウム、ジルコニウム、アルミニウムを含む複合酸化物からなる触媒であり、前記複合酸化物が、NiMgO、MgAl2O4、CexZr1-xO2(0<x<1)の結晶相を含むことを特徴とする、請求項5に記載の連続式固定床触媒反応装置。
- 前記触媒が、
aM・bNi・cMg・dOで表わされる複合酸化物であるタール含有ガスの改質用触媒であって、
a、b、及びcは、a+b+c=1、0.02≦a≦0.98、0.01≦b≦0.97、かつ、0.01≦c≦0.97を満たし、
dは、酸素と陽性元素が電気的に中立となる値であり、
Mは、Ti、Zr、Ca、W、Mn、Zn、Sr、Ba、Ta、Co、Mo、Re、白金、ルニウム、パラジウム、ロジウム、Li、Na、K、Fe、Cu、Cr、La、Pr、Ndから選ばれる少なくとも1種類の元素であり、
前記複合酸化物に、シリカ、アルミナ、ゼオライトから選ばれる少なくとも1種類の酸化物を加え、シリカ、アルミナ、ゼオライトから選ばれる前記酸化物の含有量が、前記複合酸化物に対し1〜90質量%である、
ことを特徴とする、請求項5に記載の連続式固定床触媒反応装置。 - 請求項1から8のいずれか1項に記載の連続式固定床触媒反応装置を用いて、触媒反応を行うことを特徴とする、連続式固定床触媒反応方法。
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