JP2015227256A - Hydrogen supply system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素の供給を行う水素供給システムに関する。 The present invention relates to a hydrogen supply system that supplies hydrogen.
従来の水素供給システムとして、例えば特許文献1に挙げるものが知られている。特許文献1の水素供給システムは、原料の芳香族炭化水素の水素化物を貯蔵するタンクと、当該タンクから供給された原料を脱水素反応させることによって水素を得る脱水素反応器と、反応器で得られた水素を気液分離する気液分離器と、気液分離された水素を精製する水素精製器と、を備える。 As a conventional hydrogen supply system, for example, one disclosed in Patent Document 1 is known. The hydrogen supply system of Patent Document 1 includes a tank for storing a raw material aromatic hydrocarbon hydride, a dehydrogenation reactor for obtaining hydrogen by dehydrogenating a raw material supplied from the tank, and a reactor. A gas-liquid separator that gas-liquid separates the obtained hydrogen and a hydrogen purifier that purifies the gas-liquid separated hydrogen are provided.
水素供給システムには、水素精製器から排出されるオフガスを当該水素精製器よりも上流側へ還流させるリサイクルラインが設けられる場合がある。水素精製器で精製された精製ガスの水素濃度は極めて高い一方、オフガスには不純物として脱水素生成物が含まれる。このように脱水素生成物を含むオフガスを脱水素反応器へ還流させた場合、脱水素触媒が劣化する可能性がある。これに対し、脱水素触媒を劣化させないようにオフガスを脱水素反応器に供給することなくバーナー等の燃料として用いる場合がある。ここで、オフガスをバーナー等の燃料として用いるのではなく、脱水素触媒の劣化を抑制しつつ、オフガスを脱水素反応部での脱水素反応に用いることが要請されていた。 The hydrogen supply system may be provided with a recycle line for refluxing off-gas discharged from the hydrogen purifier to the upstream side of the hydrogen purifier. While the hydrogen concentration of the purified gas purified by the hydrogen purifier is extremely high, the off-gas contains a dehydrogenation product as an impurity. Thus, when the offgas containing a dehydrogenation product is refluxed to the dehydrogenation reactor, the dehydrogenation catalyst may be deteriorated. On the other hand, in some cases, offgas is used as a fuel for a burner or the like without supplying it to the dehydrogenation reactor so as not to deteriorate the dehydrogenation catalyst. Here, instead of using offgas as a fuel such as a burner, it has been required to use the offgas for the dehydrogenation reaction in the dehydrogenation reaction section while suppressing the deterioration of the dehydrogenation catalyst.
そこで、本発明は、脱水素触媒の劣化を抑制しつつ、オフガスを脱水素反応部での脱水素反応に用いることができる水素供給システムを提供することを目的とする。 Then, this invention aims at providing the hydrogen supply system which can use offgas for the dehydrogenation reaction in a dehydrogenation reaction part, suppressing deterioration of a dehydrogenation catalyst.
本発明に係る水素供給システムは、水素の供給を行う水素供給システムであって、原料を脱水素反応させることによって水素含有ガスを得る脱水素反応部と、水素含有ガスから脱水素生成物を分離する気液分離部と、気液分離部で分離された水素含有ガスから脱水素生成物を除去し、精製ガスを得る水素精製部と、水素精製部から排出されるオフガスを水素精製部よりも上流側へ還流させるリサイクルラインと、リサイクルラインに設けられ、オフガスに含まれる脱水素生成物を水素化し、原料として脱水素反応部の上流側へ供給する水素化部と、を備える。 A hydrogen supply system according to the present invention is a hydrogen supply system that supplies hydrogen, and a dehydrogenation reaction section that obtains a hydrogen-containing gas by dehydrogenating a raw material, and a dehydrogenation product is separated from the hydrogen-containing gas Gas-liquid separation unit, a hydrogen purification unit that removes the dehydrogenated product from the hydrogen-containing gas separated in the gas-liquid separation unit, and obtains a purified gas; and an off-gas discharged from the hydrogen purification unit A recycle line for refluxing to the upstream side, and a hydrogenation unit provided in the recycle line, for hydrogenating the dehydrogenation product contained in the offgas and supplying the raw material to the upstream side of the dehydrogenation reaction unit.
本発明に係る水素供給システムは、リサイクルラインに設けられ、オフガスに含まれる脱水素生成物を水素化し、原料として脱水素反応部の上流側へ供給する水素化部を備えている。水素精製部から排出されるオフガスには、水素精製部で除去されなかった脱水素生成物が含まれている。このようにオフガスに含まれる脱水素生成物を水素化部にて水素化することによって、原料として用いることが可能となる。従って、水素化部で脱水素生成物を水素化して原料として脱水素反応部の上流側へ供給することによって、脱水素触媒を劣化させることなく脱水素反応部にて脱水素反応を行うことができる。以上により、脱水素触媒の劣化を抑制しつつ、オフガスを脱水素反応部での脱水素反応に用いることができる。 The hydrogen supply system according to the present invention includes a hydrogenation unit that is provided in the recycle line and hydrogenates the dehydrogenation product contained in the offgas and supplies the dehydrogenation product as a raw material to the upstream side of the dehydrogenation reaction unit. The off-gas discharged from the hydrogen purification unit includes a dehydrogenation product that has not been removed by the hydrogen purification unit. Thus, it becomes possible to use as a raw material by hydrogenating the dehydrogenation product contained in off-gas in a hydrogenation part. Therefore, by dehydrogenating the dehydrogenation product in the hydrogenation unit and supplying it as a raw material upstream of the dehydrogenation reaction unit, the dehydrogenation reaction can be performed in the dehydrogenation reaction unit without degrading the dehydrogenation catalyst. it can. As described above, the off-gas can be used for the dehydrogenation reaction in the dehydrogenation reaction section while suppressing the deterioration of the dehydrogenation catalyst.
本発明に係る水素供給システムは、脱水素反応部から気液分離部へ供給される水素含有ガスの熱を、水素化部へ供給する熱交換部を更に備えてよい。気液分離部では、水素含有ガスから脱水素生成物を分離するために冷却がなされる。従って、気液分離部へ供給される水素含有ガスの熱を水素化部で用いることによって、熱を有効に利用することができる。 The hydrogen supply system according to the present invention may further include a heat exchange unit that supplies heat of the hydrogen-containing gas supplied from the dehydrogenation reaction unit to the gas-liquid separation unit to the hydrogenation unit. In the gas-liquid separation unit, cooling is performed to separate the dehydrogenated product from the hydrogen-containing gas. Therefore, heat can be effectively utilized by using the heat of the hydrogen-containing gas supplied to the gas-liquid separation unit in the hydrogenation unit.
本発明によれば、脱水素触媒の劣化を抑制しつつ、オフガスを脱水素反応部での脱水素反応に用いることができる。 According to the present invention, the offgas can be used for the dehydrogenation reaction in the dehydrogenation reaction section while suppressing the deterioration of the dehydrogenation catalyst.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本実施形態に係る水素供給システムの構成を示すブロック図である。本実施形態に係る水素供給システム100は、有機化合物(常温で液体)を原料とするものである。なお、水素精製の過程では、原料である有機化合物(常温で液体)を脱水素した、脱水素生成物(有機化合物(常温で液体))が除去される。原料の有機化合物として、例えば、有機ハイドライドが挙げられる。有機ハイドライドは、製油所で大量に生産されている水素を芳香族炭化水素と反応させた水素化物が好適な例である。また、有機ハイドライドは、芳香族の水素化化合物に限らず、2−プロパノール(水素とアセトンが生成される)の系もある。有機ハイドライドは、ガソリンなどと同様に液体燃料としてタンクローリーなどによって水素供給システム100へ輸送することができる。本実施形態では有機ハイドライドとして、メチルシクロヘキサン(以下、MCHと称する)を用いる。その他、有機ハイドライドとしてシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、デカリン、メチルデカリン、ジメチルデカリン、エチルデカリンなど芳香物炭化水素の水素化物を適用することができる(なお、芳香族化合物は特に水素含有量の多い好適な例である)。水素供給システム100は、燃料電池自動車(FCV)や水素エンジン車に水素を供給することができる。なお、メタンを主成分とした天然ガスやプロパンを主成分としたLPG、あるいはガソリン、ナフサ、灯油、軽油といった液体炭化水素原料から水素を製造する場合にも適用可能である。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the hydrogen supply system according to this embodiment. The
本実施形態では、水素供給システム100として、FCV10に高純度水素を供給する水素ステーションを例として説明を行う。図1に示すように、本実施形態に係る水素供給システム100は、MCHタンク1、気化器2、脱水素反応器(脱水素反応部)3、気液分離器(気液分離部)4、トルエンタンク5、水素精製器(水素精製部)6、圧縮機7、蓄圧器8、ディスペンサ9、熱源11、冷熱源12,13、水素化装置(水素化部)20、及び熱交換器(熱交換部)21を備えている。また、水素供給システム100は、ラインL1〜L9を備えている。なお、本実施形態では、原料としてMCHを採用し、水素精製の過程で除去される脱水素生成物がトルエンである場合を例として説明する。なお、実際には、トルエンのみならず、未反応のMCHと少量の副生成物及び不純物も存在するが、本実施形態中では、トルエンに混じって当該トルエンと同じ挙動を示す。従って、以下の説明において、「トルエン」と称して説明するものには、未反応のMCHや副生成物も含むものとする。
In the present embodiment, the
ラインL1〜L9は、MCH、トルエン、水素含有ガス、オフガス、または高純度水素が通過する流路である。ラインL1は、MCHタンク1と気化器2とを接続する。ラインL2は、気化器2と脱水素反応器3とを接続する。ラインL3は、脱水素反応器3と気液分離器4とを接続する。ラインL4は、気液分離器4と水素精製器6とを接続する。ラインL5は、気液分離器4とトルエンタンク5とを接続する。ラインL6は、水素精製器6と圧縮機7とを接続する。ラインL7は、水素化装置20を介して水素精製器6と気化器2とを接続する。なお、水素化装置20の詳細については後述する。ラインL7は、水素精製器6から排出されるオフガスを脱水素反応器3よりも上流側へ還流させるリサイクルラインとして機能する。以下の説明においては、ラインL7を「リサイクルラインL7」と称して説明する。ラインL8は、圧縮機7と蓄圧器8とを接続する。ラインL9は、蓄圧器8とディスペンサ9とを接続する。
Lines L1 to L9 are flow paths through which MCH, toluene, hydrogen-containing gas, off-gas, or high-purity hydrogen passes. Line L1 connects MCH tank 1 and
MCHタンク1は、原料となるMCHを貯留するタンクである。外部からタンクローリーなどで輸送されたMCHは、MCHタンク1にて貯留される。MCHタンク1に貯留されているMCHは、圧縮機(不図示)によってラインL1を介して気化器2へ供給される。
The MCH tank 1 is a tank that stores MCH as a raw material. MCH transported from outside by a tank lorry or the like is stored in the MCH tank 1. MCH stored in the MCH tank 1 is supplied to the
気化器2は、インジェクタなどを介してMCHタンク1から供給されたMCHを気化する機器である。気化されたMCHは、リサイクルラインL7を介して水素精製器6から供給されたオフガスと併せて、ラインL2を介して脱水素反応器3へ供給される。
The
脱水素反応器3は、MCHを脱水素反応させることによって水素を得る機器である。すなわち、脱水素反応器3は、脱水素触媒を用いた脱水素反応によってMCHから水素を取り出す機器である。有機ハイドライドの反応は可逆反応であり、反応条件(温度、圧力)によって反応の方向が変わる(化学平衡の制約を受ける)。一方、脱水素反応は、常に吸熱反応で分子数が増える反応である。従って、高温、低圧の条件が有利である。脱水素反応は吸熱反応であるため、脱水素反応器3は熱源11から熱媒体を介して熱を供給される。脱水素反応器3は、脱水素触媒中を流れるMCHと熱源11からの熱媒体との間で熱交換可能な機構を有している。熱源11は、脱水素反応器3を加熱することができるものであればどのようなものを採用してもよい。例えば、熱源11は、脱水素反応器3を直接加熱するものであってもよく、例えば気化器2やラインL1,L2を加熱することによって脱水素反応器3に供給されるMCHを加熱してもよい。また、熱源11は、脱水素反応器3と、脱水素反応器3へ供給されるMCHの両方を加熱してもよい。例えば、熱源11としてバーナーやエンジンを採用することができる。脱水素反応器3で取り出された水素含有ガスは、ラインL3を介して気液分離器4へ供給される。ラインL3の水素含有ガスは、液体であるトルエンを混合物として含んだ状態で、気液分離器4へ供給される。
The
気液分離器4は、水素含有ガスからトルエンを分離するタンクである。気液分離器4は、混合物としてトルエンを含む水素含有ガスを貯留することによって、気体である水素と液体であるトルエンとを気液分離する。気液分離器4は、冷熱源12からの冷却媒体によって冷却される。気液分離器4は、気液分離器4中の水素含有ガスと冷熱源12からの冷却媒体との間で熱交換可能な機構を有している。冷熱源12は気液分離器4を冷却することができるものであればどのようなものを採用してもよい。例えば、冷熱源12としてチラー等の冷却器を採用することができる。気液分離器4で分離されたトルエンは、ラインL5を介してトルエンタンク5へ供給される。気液分離器4で分離された水素含有ガスは、ラインL4を介して水素精製器6へ供給される。なお、水素含有ガスを冷やすと当該ガスの一部(トルエン)は液化し、気液分離器4によって、液化しないガス(水素)と分離することができる。ガスを低温とした方が、分離の効率は良くなり、圧力を上げると更に、トルエンの液化が進む。
The gas-liquid separator 4 is a tank that separates toluene from the hydrogen-containing gas. The gas-liquid separator 4 gas-liquid separates hydrogen as a gas and toluene as a liquid by storing a hydrogen-containing gas containing toluene as a mixture. The gas-liquid separator 4 is cooled by a cooling medium from the
トルエンタンク5は、気液分離器4で分離された液体のトルエンを貯留するタンクである。トルエンタンク5に貯留されたトルエンは、回収して利用することが可能である。
The
水素精製器6は、脱水素反応器3で得られると共に気液分離器4で気液分離された水素含有ガスから、脱水素生成物(本実施形態ではトルエン)を除去する。これによって、水素精製器6は、当該水素含有ガスを精製して高純度水素(精製ガス)を得る。得られた高純度水素は、ラインL6へ供給され、水素及び脱水素生成物を含むオフガスは、リサイクルラインL7へ排出される。リサイクルラインL7へ供給されたオフガスは、図示されない圧縮機を介して気化器2へ供給され、ラインL2を介して脱水素反応器3へ供給される。
The
水素精製器6は、採用する水素精製方法によって異なるが、具体的には、水素精製方法として膜分離を用いる場合には、水素分離膜を備える水素分離装置であり、PSA(Pressure swing adsorption)法又はTSA(Temperature swing adsorption)法を用いる場合には、不純物を吸着する吸着材を格納する吸着塔を複数備えた吸着除去装置である。
The
水素精製器6が膜分離を用いる場合について説明する。この方法では、所定温度に加熱された膜に、圧縮機(不図示)によって所定圧力に加圧された水素含有ガスを透過させることによって、脱水素生成物を除去し、高純度の水素ガス(精製ガス)を得ることができる。膜を透過した透過ガスの圧力は、膜を透過する前の圧力と比べて低下する。一方、膜を透過しなかった非透過ガスの圧力は、膜を透過する前の所定圧力と略同一である。このとき、膜を透過しなかった非透過ガスが、水素精製器6のオフガスに該当する。
The case where the
水素精製器6に適用される膜の種類は特に限定されず、多孔質膜(分子流によって分離するもの、表面拡散流によって分離するもの、毛管凝縮作用によって分離するもの、分子ふるい作用によって分離するものなど)や、非多孔質膜を適用することができる。水素精製器6に適用される膜として、例えば、金属膜(PbAg系、PdCu系、Nb系など)、ゼオライト膜、無機膜(シリカ膜、カーボン膜など)、高分子膜(ポリイミド膜など)を採用することができる。
The type of membrane applied to the
膜分離による水素精製器6の水素回収率は、70〜90%である。水素精製器6で用いられる膜の「水素/トルエン」の分離係数は、1000以上であることが好ましく、10000以上であることがより好ましい。
The hydrogen recovery rate of the
水素精製器6の除去方法として、PSA法を採用する場合について説明する。PSA法で用いられる吸着材は、高圧下では水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着し、低圧下では吸着したトルエンを脱着する性質を持つ。PSA法は、吸着材のこのような性質を利用するものである。すなわち、吸着塔内を高圧にすることにより、水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着材に吸着させて除去し、高純度の水素ガス(精製ガス)を得る。吸着により吸着塔内の吸着材の吸着機能が低下した場合には、吸着塔内を低圧にすることにより、吸着材に吸着したトルエンを脱着し、併せて除去した精製ガスの一部を逆流させることにより当該脱着されたトルエンを吸着塔内から除去することで、吸着材の吸着機能を再生する(このとき、トルエンを吸着塔内から除去することで排出される少なくとも水素とトルエンを含む水素含有ガスが、水素精製器6からのオフガスに該当する)。
A case where the PSA method is adopted as a method for removing the
吸着塔内の圧力の調整方法は特に限定されないが、例えば、吸着塔毎に備えられたバルブを閉めるなどの操作により、吸着塔毎に調節することができる。従って、吸着材の吸着機能が低下した吸着塔については、減圧により吸着材を再生させるとともにオフガスを排出する。一方、残りの吸着塔については、加圧により水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着材に吸着させて除去するとともに高純度水素を得る。再生中の吸着塔についての吸着材再生が完了したら、当該吸着塔については、加圧によりトルエンの除去を開始するとともに高純度水素を得る。一方、トルエンの除去を行っていた吸着塔の全部または一部については、減圧により吸着材の再生を開始するとともにオフガスを排出する。このように、再生を行う吸着塔とトルエンの除去を行う吸着塔の切り替えを繰り返し行うことで、水素供給システム100全体として、連続的に高純度水素とオフガスとを得ることができる。水素精製器6がPSA法を採用する場合の水素回収率は、吸着塔の数によるが、約60〜90%である。
The method for adjusting the pressure in the adsorption tower is not particularly limited, and can be adjusted for each adsorption tower by, for example, closing a valve provided for each adsorption tower. Therefore, for the adsorption tower in which the adsorption function of the adsorbent is lowered, the adsorbent is regenerated by reducing the pressure and off-gas is discharged. On the other hand, with respect to the remaining adsorption tower, toluene contained in the hydrogen-containing gas is removed by being adsorbed to the adsorbent by pressurization and high-purity hydrogen is obtained. When the adsorbent regeneration for the adsorption tower being regenerated is completed, the adsorption tower starts to remove toluene by pressurization and obtains high-purity hydrogen. On the other hand, for all or part of the adsorption tower from which toluene has been removed, regeneration of the adsorbent is started by reducing the pressure and off-gas is discharged. Thus, by repeatedly switching the adsorption tower for regeneration and the adsorption tower for removing toluene, the
水素精製器6の除去方法として、TSA法を採用する場合について説明する。TSA法で用いられる吸着材は、常温下では水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着し、高温下では吸着したトルエンを脱着する性質を持つ。TSA法は、吸着材のこのような性質を利用するものである。すなわち、吸着塔内を常温にすることにより、水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着材に吸着させて除去し、高純度の水素ガス(高純度水素)を得る。吸着により吸着塔内の吸着材の吸着機能が低下した場合には、吸着塔内を高温にすることにより、吸着材に吸着したトルエンを脱着し、併せて除去した高純度水素の一部を逆流させることにより当該脱着されたトルエンを吸着塔内から除去することで、吸着材の吸着機能を再生する(このとき、トルエンを吸着塔内から除去することで排出される少なくとも水素とトルエンを含む水素含有ガスが、水素精製器6からのオフガスに該当する)。
A case where the TSA method is employed as a method for removing the
吸着塔内の温度の調整方法は特に限定されないが、例えば、吸着塔毎に備えられたヒータのON/OFFを切り替えるなどの操作により、吸着塔毎に調節することができる。従って、吸着材の吸着機能が低下した吸着塔については、高温にすることにより吸着材を再生させるとともにオフガスを排出する。一方、残りの吸着塔については、常温に保つことにより水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着材に吸着させて除去するとともに高純度水素を得る。再生中の吸着塔についての吸着材再生が完了したら、当該吸着塔については、吸着塔内を常温に保つことによりトルエンの除去を開始するとともに高純度水素を得る。一方、トルエンの除去を行っていた吸着塔の全部または一部については、吸着塔内を高温にすることにより吸着材の再生を開始するとともにオフガスを排出する。このように、再生を行う吸着塔とトルエンの除去を行う吸着塔の切り替えを繰り返し行うことで、水素供給システム100全体として、連続的に高純度水素とオフガスとを得ることができる。水素精製器6がTSA法を採用する場合の水素回収率は、吸着塔の数によるが、約60〜90%である。
The method for adjusting the temperature in the adsorption tower is not particularly limited. For example, the temperature can be adjusted for each adsorption tower by an operation such as switching ON / OFF of a heater provided for each adsorption tower. Therefore, for the adsorption tower in which the adsorption function of the adsorbent is lowered, the adsorbent is regenerated and the off-gas is discharged by raising the temperature. On the other hand, with respect to the remaining adsorption towers, the toluene contained in the hydrogen-containing gas is removed by adsorbing the adsorbent while maintaining the room temperature, and high-purity hydrogen is obtained. When the adsorbent regeneration for the adsorption tower being regenerated is completed, the removal of toluene is started and high purity hydrogen is obtained for the adsorption tower by keeping the inside of the adsorption tower at room temperature. On the other hand, for all or part of the adsorption tower from which toluene has been removed, regeneration of the adsorbent is started and the off-gas is discharged by raising the temperature in the adsorption tower. Thus, by repeatedly switching the adsorption tower for regeneration and the adsorption tower for removing toluene, the
圧縮機7は、水素精製器6で得られた高純度水素を高圧状態とする。圧縮機7は、例えば、20〜90MPaの圧力で高純度水素を高圧状態とする。圧縮機7は、高純度水素をFCV10へ供給可能とするために高圧状態にした上で、ラインL8を介して蓄圧器8へ供給する。なお、目的とする圧力に応じて、圧縮を行う圧縮ユニットを複数備え、段階的に圧縮を行う構成としてもよい。
The
蓄圧器8は、高純度水素を高圧状態のまま蓄える。蓄圧器8で蓄えられた高純度水素は、ラインL9を介して、ディスペンサ9によってFCV10に供給される。蓄圧器8により、水素供給システム100内にある程度の量の高純度水素を蓄えておくことができるため、FCV10へ水素を安定供給することが可能となる。ただし、蓄圧器8は、水素供給を行うために必須ではないため、省略してもよい。ラインL9を通過する高純度水素は、冷熱源13からの冷却媒体によって冷却される。ラインL9は、当該ラインL9を流れる高純度水素と冷熱源13からの冷却媒体との間で熱交換可能な機構を有している。冷熱源13はラインL9を流れる高純度水素を冷却することができるものであればどのようなものを採用してもよい。例えば、冷熱源13としてチラー等の冷却器を採用することができる。
The
次に、本実施形態に係る水素供給システム100の要部について説明する。水素化装置(水素化部)20は、リサイクルラインL7に設けられ、オフガスに含まれるトルエン(脱水素生成物)を水素化し、MCH(原料)として脱水素反応器3の上流側に配置されるMCHタンク1へ供給する装置である。ここで、リサイクルラインL7は、水素精製器6と水素化装置20とを接続するラインL7aと、水素化装置20と気化器2とを接続するラインL7bと、を備えている。また、水素化装置20は、ラインL10を介してMCHタンク1と接続されている。また、水素供給システム100は、脱水素反応器3から気液分離器4へ供給される水素含有ガスの熱を、水素化装置20へ供給する熱交換器(熱交換部)21を更に備えている。熱交換器21は、気液分離器4と脱水素反応器3とを接続するラインL3を流れる水素含有ガスの熱を回収して、水素化装置20(又はラインL7a)へ供給する。
Next, the principal part of the
このような構成によって、水素ガス及びトルエンを含むオフガスは、ラインL7aを介して水素化装置20へ供給される。当該水素化装置20は、水素化触媒を有している。従って、水素化装置20では、当該水素化触媒を加熱すると共に、水素ガス及びトルエンを流すことにより、トルエンの水素化反応が行われる。このとき、熱交換器21は、ラインL3を流れる水素含有ガスの熱を水素化装置20へ供給する。なお、水素化装置20は、図示されない熱源から熱を供給されてもよい。これによって、水素化装置20では、トルエンの水素化反応によってMCHが得られる。水素化装置20は、ラインL10を介してトルエンの水素化によって得られたMCHをMCHタンク1へ供給する。また、水素化装置20は、オフガスに含まれる水素ガスのうち、水素化に用いられなかったものを、ラインL7bを介して気化器2へ供給する。具体的には、オフガスには、水素が50〜99.5mol%、トルエンが0.2〜30mol%、MCHが0.1〜15mol%、その他(例えばメタン)の物質が0.1〜10mol%含まれる。これに対し、ラインL7bを流れるガスは、水素が5〜99.3mol%、トルエンが0〜15mol%、MCHが0.3〜30mol%、その他(例えばメタン)の物質が0.1〜20mol%含まれる。このように、脱水素反応器3へ流れるガス中のトルエンの濃度を低減することができる。また、このようにトルエンの濃度を低減した水素ガスが脱水素反応器3に供給されるため、脱水素触媒の劣化を抑制できる。なお、脱水素触媒の材質として、例えば活性なアルミナに白金を担持させた触媒などが採用される。
With such a configuration, the off-gas containing hydrogen gas and toluene is supplied to the
ここで、水素化装置20の具体的な構成の一例について説明する。水素化装置20において、不飽和炭化水素(ここでは脱水素生成物であるトルエン)に対して水素を付加する具体的な方法は特に限定されない。ただし、低コスト及び反応時間が短いという観点から、通常は触媒を用いて不飽和炭化水素に水素を付加させてよい。このような触媒としては、例えばNi、Pd、Pt、Rh、Ir、Re、Ru、Mo、W、V、Os、Cr、Co、Fe等の金属、及びこれらの合金が挙げられる。触媒を構成する金属及びそれらの合金は、1種が単独であってもよく、2種以上が任意の比率及び組み合わせで用いられてもよい。
Here, an example of a specific configuration of the
また、これらの触媒は、触媒量の低減による更なる低コスト化と反応表面積の増大化の観点から、微粒子化されていることが好ましい。微粒子化された触媒を用いる場合、微粒子触媒の凝集による表面積の減少を防止する観点から、任意の担体に担持してもよい。担体に触媒を担持させる場合、担持させる方法に特に制限は無く、例えば、共沈法、熱分解法、無電解めっき法等を用いることができる。また、担体の種類も特に制限は無く、例えば活性炭、カーボンナノチューブ、黒鉛等の炭素材料のほか、シリカ、アルミナ、ゼオライト等のアルミナシリケート等を用いることもできる。担体は1種であってもよく、2種以上を任意の比率及び組み合わせで用いてもよい。 These catalysts are preferably finely divided from the viewpoint of further cost reduction by reducing the amount of catalyst and an increase in reaction surface area. When a finely divided catalyst is used, it may be supported on an arbitrary carrier from the viewpoint of preventing a reduction in surface area due to aggregation of the fine particle catalyst. When the catalyst is supported on the carrier, the method for supporting is not particularly limited, and for example, a coprecipitation method, a thermal decomposition method, an electroless plating method, or the like can be used. The type of carrier is not particularly limited, and for example, in addition to carbon materials such as activated carbon, carbon nanotubes, and graphite, alumina silicate such as silica, alumina, and zeolite can be used. One type of carrier may be used, or two or more types may be used in any ratio and combination.
水素化装置20における、不飽和炭化水素への水素付加反応条件は特に制限されず、任意に設定すればよい。例えば反応温度は室温(約25℃)でも水素を付加させることができるが、反応時間をより短くする観点から、100℃以上400℃以下程度の温度で付加させてよい。
The hydrogenation reaction conditions for unsaturated hydrocarbons in the
また、付加反応時の反応圧力も特に制限されないものの、付加反応効率を上げ、反応時間をより短くすることができるという観点から、水素付加時の圧力を、ゲージ圧で1気圧以上50気圧以下(即ち0.1MPa以上5MPa以下)としてよい。従って、水素付加時の圧力を高めるために、水素精製器6と水素化装置20との間には、圧力調整器を備えてよい。
In addition, although the reaction pressure during the addition reaction is not particularly limited, the pressure during hydrogen addition is 1 to 50 atm (gauge pressure) from the viewpoint of increasing the efficiency of the addition reaction and shortening the reaction time. That is, it may be 0.1 MPa or more and 5 MPa or less). Therefore, a pressure regulator may be provided between the
次に、本実施形態に係る水素供給システム100の作用・効果について説明する。
Next, operations and effects of the
まず、図2を参照して従来の水素供給システム50について説明する。水素供給システム50は、本実施形態に係る水素供給システム100のようにリサイクルラインL7上に水素化装置20を備えていない。水素精製器6で精製された精製ガスの水素濃度は極めて高い一方、オフガスには不純物としてトルエン(脱水素生成物)が含まれる。このようにトルエンを含むオフガスを脱水素反応器3へ還流させた場合、脱水素触媒が劣化する可能性がある。脱水素反応器3の上流側の部分は、下流側の部分に比して存在する水素の量が少ない。従って、特に脱水素反応器3の上流側の部分にオフガスに含まれるトルエンが供給されると、脱水素触媒が劣化する。これに対し、脱水素触媒を劣化させないようにオフガスを脱水素反応器3に供給することなくバーナー等の燃料として用いる場合がある。ここで、オフガスをバーナー等の燃料として用いるのではなく、脱水素触媒の劣化を抑制しつつ、オフガスを脱水素反応器3での脱水素反応に用いることが要請されていた。
First, a conventional
そこで、本実施形態に係る水素供給システム100は、リサイクルラインL7に設けられ、オフガスに含まれるトルエン(脱水素生成物)を水素化し、MCH(原料)として脱水素反応器3の上流部から排出されるオフガスには、水素精製器6で除去されなかったトルエンが含まれている。このようにオフガスに含まれるトルエンを水素化装置20にて水素化することによって、MCHとして用いることが可能となる。従って、水素化装置20でトルエンを水素化してMCHとして供給することによって、脱水素触媒を劣化させることなく脱水素反応器3にて脱水素反応させることができる。以上により、脱水素触媒の劣化を抑制しつつ、オフガスを脱水素反応器3での脱水素反応に用いることができる。
Therefore, the
本実施形態に係る水素供給システム100は、脱水素反応器3から気液分離器4へ供給される水素含有ガスの熱を、水素化装置20へ供給する熱交換器21を更に備えている。気液分離器4では、水素含有ガスから脱水素生成物を分離するために冷却がなされる。従って、気液分離器4へ供給される水素含有ガスの熱を水素化装置20で用いることによって、熱を有効に利用することができる。また、脱水素反応器3から排出される水素含有ガスはそれほど高温(例えば250〜350℃)ではないが、水素化装置20を加熱して水素化を行う場合の温度も高温ではない(例えば100℃〜250℃)ため、当該箇所における水素含有ガスの熱でも十分に水素化装置20で有効利用できる。
The
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。 The present invention is not limited to the embodiment described above.
例えば、水素供給システムは、図1に示すような熱交換器21を備えていなくともよい。あるいは、水素供給システム中の他の位置から熱を回収して、水素化装置20へ供給してもよい。
For example, the hydrogen supply system may not include the
1…MCHタンク、2…気化器、3…脱水素反応器(脱水素反応部)、4…気液分離器(気液分離部)、5…トルエンタンク、6…水素精製器(水素精製部)、7…圧縮機、8…蓄圧器、9…ディスペンサ、11…熱源、12,13…冷熱源、20…水素化装置(水素化部)、21…熱交換器(熱交換部)、100…水素供給システム。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... MCH tank, 2 ... Vaporizer, 3 ... Dehydrogenation reactor (dehydrogenation reaction part), 4 ... Gas-liquid separator (gas-liquid separation part), 5 ... Toluene tank, 6 ... Hydrogen purifier (hydrogen purification part) ), 7 ... Compressor, 8 ... Pressure accumulator, 9 ... Dispenser, 11 ... Heat source, 12, 13 ... Cold source, 20 ... Hydrogenation device (hydrogenation part), 21 ... Heat exchanger (heat exchange part), 100 ... Hydrogen supply system.
Claims (2)
原料を脱水素反応させることによって水素含有ガスを得る脱水素反応部と、
前記水素含有ガスから脱水素生成物を分離する気液分離部と、
前記気液分離部で分離された前記水素含有ガスから前記脱水素生成物を除去し、精製ガスを得る水素精製部と、
前記水素精製部から排出されるオフガスを前記水素精製部よりも上流側へ還流させるリサイクルラインと、
前記リサイクルラインに設けられ、前記オフガスに含まれる前記脱水素生成物を水素化し、前記原料として前記脱水素反応部の上流側へ供給する水素化部と、を備える水素供給システム。 A hydrogen supply system for supplying hydrogen,
A dehydrogenation reaction section for obtaining a hydrogen-containing gas by dehydrogenating the raw material;
A gas-liquid separator that separates the dehydrogenated product from the hydrogen-containing gas;
A hydrogen purification unit that removes the dehydrogenation product from the hydrogen-containing gas separated by the gas-liquid separation unit to obtain a purified gas;
A recycle line for refluxing off-gas discharged from the hydrogen purification section upstream of the hydrogen purification section;
A hydrogen supply system, comprising: a hydrogenation unit that is provided in the recycle line and that hydrogenates the dehydrogenation product contained in the off-gas and supplies the dehydrogenation product upstream to the dehydrogenation reaction unit as the raw material.
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2014
- 2014-05-30 JP JP2014112556A patent/JP2015227256A/en active Pending
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