JP2646990B2

JP2646990B2 - 水素還元装置およびその方法および水素還元材料

Info

Publication number: JP2646990B2
Application number: JP5334306A
Authority: JP
Inventors: 直明佐多
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 1997-08-27
Anticipated expiration: 2012-08-27
Also published as: JPH07188066A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水素化して還元する処
理の際に用いられる水素還元方法とその装置および水素
還元材料に関し、特に水素透過膜と水素還元触媒膜とを
用いるか、あるいは水素還元触媒と水素吸蔵材料を用い
ることにより、効率的に水素化を行うことができる水素
還元方法とその装置および水素還元材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１０は従来の水素還元装置の構成を示
す断面図である。従来、水素化し還元する処理を行う場
合には、被処理物である原料２と水素１との混合ガス
を、単に水素還元触媒３のみの膜に通して反応させ、そ
の水素還元は概ね次のような反応機構であると考えれて
いる。図１１は、従来の水素還元装置における水素還元
触媒の表面での水素と被処理物の供給を示す図である。
図１１に示すように、水素還元触媒４の表面に吸着され
た被処理物２に、気相中の水素または水素還元触媒の表
面に吸着された水素が反応して水素化還元された生成物
を生じるというものである。

【０００３】また従来、用いられている水素還元材料
は、被処理物である原料によって多種多様であるが、Ｆ
ｅ、Ｆｅ／Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎｉ、Ｎｉ／Ａｌ₂Ｏ₃、Ｒｈ
−Ｍｎ／Ａｌ₂Ｏ₃などであり、これらは、単に水素還
元触媒から構成されるか、あるいは水素還元触媒を担体
に担持させたものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この従来の
水素反応装置では、次のような問題点を生じる。

【０００５】第１に、水素と被処理物質とを混合して供
給するため、水素還元触媒付近での水素分圧が十分に高
くならず、水素還元が効率よく行われない。

【０００６】第２に、水素還元触媒は、水素を吸着する
ことは出来るが、透過させることは出来ない。このた
め、水素還元触媒上での反応は基本的には図１１に示す
ような表面反応となり、被処理物に対して水素がアプロ
ーチできる方向は図１１中の上面方向からのみに限ら
れ、水素還元の効率が低下する。また、水素と被処理物
とがともに同方向から水素還元触媒表面に供給されるた
め、被処理物の水素還元触媒表面への吸着が律速となる
場合では、水素と被処理物との水素還元触媒表面への競
合が起こり、これによりさらに水素還元の効率が低下す
る。

【０００７】水素還元触媒のみに水素と被処理物を通し
て反応させる図１０のような従来の方法も、図１２に示
すような構成の水素還元装置により、水素と被処理物と
を分離して供給することは可能である。図１２はその従
来の水素還元装置の改良例を示す構成断面図である。し
かし、この場合でも、上述の問題点は解決されない。そ
れは、次のような理由による。

【０００８】まず、図１２のような構成をとった場合、
水素還元触媒は水素および被処理物を通過する性質を持
たなければならない。そうでなければ水素と被処理物が
接触できず、従って反応もしないからである。しかし、
このような性質をもった場合、被処理物および水素還元
された生成物は水素供給部である水素領域６側に通過
し、この領域の水素分圧を下げてしまう。この結果とし
て水素還元の効率が下がる。また、生成物が水素領域側
に透過することによって、水素領域６側に透過した生成
物を回収するには、水素の供給を一旦止めて行うか、あ
るいは水素領域６側に生成物取り出し口を設けるなどの
措置が必要になる。しかし、水素領域６側に生成物取り
出し口を設けると、水素領域６の水素分圧を下げること
になり、いずれにしても水素還元の効率を低下させ、生
成物の回収が困難になるという問題点がある。

【０００９】また従来、用いられている水素還元材料
は、単に水素還元触媒から構成されるか、あるいは水素
還元触媒を担体に担持させたＮｉ、Ｎｉ／Ａｌ₂Ｏ₃、
Ｒｈ−Ｍｎ／Ａｌ₂Ｏ₃などであり、例えば二酸化炭素
を水素還元する場合に、これらの中には、３００℃以上
ではかなりの活性を示すものもあるが、２５０℃付近で
はいずれも著しく活性が低下する。そのなかで、最も活
性が高いとされているＲｈ−Ｍｎ／Ａｌ₂Ｏ₃でも、２
５０℃での水素化還元反応率は約１０％である。上記の
従来の水素還元材料では、低温での反応率が低いため、
廃熱等を有効に活用できないという課題がある。また、
従来の方法では、例えば二酸化炭素を水素化し還元する
場合であると、一酸化炭素を生じる副反応が生じ、これ
と二酸化炭素をメタン化する主反応とが競合するという
問題がある。

【００１０】本発明の目的は、上記問題点を解決し、効
率的で、低温での水素還元を可能にすることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、物質を水
素還元する処理に用い、水素供給部と、水素還元膜と、
前記水素供給部と前記水素還元膜を隔てて配設される前
記物質を供給する被処理物供給部と、前記被処理物供給
部に設けられる排出口とから構成される水素還元装置で
あって、前記水素還元膜は、水素透過膜と水素還元触媒
膜とから構成され、前記水素透過膜は、水素を選択的に
透過する膜であり、前記水素還元触媒膜は、水素還元処
理される前記物質と水素との反応を促進する作用を有
し、かつ前記物質と水素とを透過する膜であり、前記水
素供給部は前記水素還元膜の前記水素透過膜側に、前記
被処理物供給部は前記水素還元膜の前記水素還元触媒膜
側に配設されることを特徴とする水素還元装置である。

【００１２】第２の発明は、前記被処理物供給部にさら
に水素導入口を設け、被処理物だけでなく水素も前記被
処理物供給部に供給できることを特徴とする第１の発明
に記載の水素還元装置である。

【００１３】第３の発明は、被処理物である原料を、水
素透過膜と水素還元触媒膜とから構成される水素還元膜
の前記水素還元触媒膜側から供給し、水素を前記水素還
元膜の前記水素透過膜側からあるいは前記水素還元膜の
両側から供給することにより、被処理物と水素との反応
を行い、前記水素透過膜は、水素を選択的に透過する膜
であり、前記水素還元触媒膜は、被処理物と水素との反
応を促進する作用を有し、かつ被処理物と水素とを透過
する膜であることを特徴とする水素還元方法である。

【００１４】第４の発明は、水素化し還元する処理の際
に用いられ、少なくとも水素還元触媒と水素吸蔵材料と
から構成される水素還元材料であって、前記水素還元触
媒は、被処理物と水素との水素化還元反応を促進させる
材料であり、前記水素吸蔵材料は、水素を吸収し必要時
に放出することのできる材料であることを特徴とする水
素還元材料である。

【００１５】

【作用】本発明の第１、第２、第３の発明の作用を図面
を用いて説明する。図１は本発明による水素還元装置の
一実施例の構成を示す断面図である。図２はそのときの
水素還元膜付近での水素と被処理物との供給を示す図で
ある。

【００１６】本発明の水素還元方法と装置によれば、図
１に示すように、水素１を水素透過膜７の方向から供給
し、一方、被処理物２は水素還元触媒膜８の方向から供
給し、被処理物２は水素透過膜７を透過できないので、
水素領域６側に抜け出すことは無く、水素領域６側の水
素分圧は常に高い値に保たれる。このため、効率よく水
素還元を行うことができる。また、図２に示すように、
水素１と被処理物２が別方向から水素還元膜に供給され
るため、水素１と被処理物２との競合が従来のように水
素還元触媒膜表面で起こらず、被処理物の水素還元触媒
膜８の表面への吸着が律速となる場合でも効率よく水素
化が進む。

【００１７】また、被処理物の水素還元触媒膜８の表面
への吸着が律速でない場合は、図３のように、さらに水
素還元触媒膜８の方向から水素１を供給しても良い。こ
のようにすると、図４に示すように、被処理物２に対し
て水素１は全方向からアプローチできることになり、水
素化の効率をさらに上げることができる。図３は、水素
還元膜の水素還元触媒膜８側から、被処理物だけでなく
水素も供給できるようにした水素還元装置の構成を示す
断面図である。図４はその場合の水素還元膜付近での水
素と被処理物との供給を示す図である。

【００１８】次に、本発明の第４の発明である水素還元
材料が、効率的かつ選択的に水素化還元できる作用につ
いて、図面を参照して説明する。その機構は概ね次のよ
うであると考えられる。図７は本発明の水素還元材料の
作用を説明するための図である。本発明による水素還元
材料に供給された水素１６は、一旦この水素還元材料１
８上の水素吸蔵材料部分に吸蔵される。こうして吸蔵さ
れた水素は、水素還元材料上の水素還元触媒部分に移動
する能力を持っているものと考えられる。従って、本発
明による水素還元材料を用いた場合には、図７で示され
るように、水素還元触媒部分に吸着された被処理物の一
例であるである二酸化炭素１７を還元する水素１６は、
気相中からだけではなく、水素吸蔵材料からも供給され
る。その結果、水素還元反応が効率よく行われ、低温で
の水素化還元反応を可能にすると推定される。また、被
処理物に十分な量の水素が供給されるので、被処理物の
完全還元生成物を高選択率で与えるものと考えられる。

【００１９】図８は、水素還元触媒のみを水素還元材料
として用いた従来例の作用を説明するための図である
が、従来の場合には、被処理物である二酸化炭素１７の
還元に用いられる水素１６は、図８で示されるように気
相中からしか供給されない。その結果、二酸化炭素のメ
タン化が低温では特に効率よく行われず、また、二酸化
炭素に十分な量の水素が供給されないので、二酸化炭素
の不完全還元生成物である一酸化炭素等を副生し、その
ためにメタン生成の選択率が低下するものと考えられ
る。

【００２０】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。

【００２１】（実施例１）図５は本発明の第１、第２、
第３の発明の一実施例の水素還元装置の構成を示す断面
図である。縦横各５００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの形状の多
孔質アルミナ材９の片面に無電解メッキ法により厚さ約
１２０ｎｍの水素透過膜であるパラジウム膜１０を形成
した。さらに、この上にロジウムを蒸着し、厚さ約４０
ｎｍの水素還元触媒膜であるロジウム膜１１を形成し
た。こうして作られた水素還元膜を有する多孔質アルミ
ナ材を用いて図５に示す水素還元装置を構成し、図５中
のＡ側から標準状態に換算して毎分５０ｃｍ³の流速で
水素１を、Ｂ側から同じく毎分５０ｃｍ³の流速で水素
と毎分２５ｃｍ³の流速で被処理物である二酸化炭素１
５を供給したところ、ほぼ１００％に近い効率で、二酸
化炭素を水素化しメタンに還元することができた。

【００２２】（実施例２）図６は本発明の第２の実施例
の水素還元装置の構成を示す断面図である。外径４０ｍ
ｍ、内径３２ｍｍ、長さ３０００ｍｍの形状の多孔質ア
ルミナ管９の内側に、無電解メッキ法によって厚さ約１
２０ｎｍの水素透過膜であるパラジウム膜を形成した。
さらにこの内側にロジウムを蒸着し、厚さ約４０ｎｍの
水素還元触媒膜であるロジウム膜を形成した。こうして
作られた水素還元膜１３を有する多孔質アルミナ管をそ
れよりも太い外管１４内に収容し、図６に示す水素還元
装置を構成し、外管１４と多孔質アルミナ管９との間に
水素１を標準状態に換算して毎分１００ｃｍ³の流速で
供給し、多孔質アルミナ管９の内側に二酸化炭素１５を
毎分２５ｃｍ³の流速で供給した。その結果、ほぼ１０
０％に近い効率で、被処理物である二酸化炭素を水素化
しメタンに還元することができた。

【００２３】なお、実施例１、２では、水素透過膜とし
てパラジウムを用いたが、水素を選択的に透過し、被処
理物と生成物を透過しない膜であれば、実施例に例示し
た以外の水素透過膜を用いてもよい。また、水素還元触
媒膜としてロジウムを用いたが、被処理物と水素との反
応を促進し、かつ被処理物と水素とを透過する材料であ
れば、他のものを用いても構わない。

【００２４】（実施例３）本発明の第４の発明である水
素化還元材料の一実施例を示す。Ａｌ₂Ｏ₃を担体と
し、水素還元触媒である三塩化ロジウムと水素吸蔵材料
である二塩化パラジウムとの混合水溶液に担体を含浸さ
せ、ロジウムとパラジウムとがそれぞれ担体に対し重量
比で１％および３％担持された本発明の水素還元材料１
８を得た。図９は、本発明の水素還元材料を用いて水素
化還元反応を起こす際に使用する反応装置の構成を示す
断面図である。上記の方法により得られた水素還元材料
１８を反応管２０である石英管に入れ、水素還元材料１
８の両端をグラスウール２１で栓をした。反応管２０の
片端から水素１６と二酸化炭素１７をそれぞれ標準状態
に換算して毎分８０ｃｍ³と毎分２０ｃｍ³の流速で、
水素還元材料１８に供給し、ヒータ１９で２５０℃に保
持された反応管２０内で反応させた。反応後、生成した
ガスをＴＣＤガスクロマトグラフ法で分析したところ、
二酸化炭素反応率は７７％、メタン転化率はほぼ１００
％であった。従来の水素化還元材料として用いられてい
るＲｈ−Ｍｎ／Ａｌ₂Ｏ₃を用いて、本実施例と同じ実
験装置で同様の還元反応を試みたところ、二酸化炭素の
反応率は１０％、メタン転化率は８８％であった。本発
明の水素還元材料を用いれば、従来よりも低温でさらに
高選択的に水素化還元反応を起こすことができた。

【００２５】（実施例４）本発明の実施例３で得られる
水素還元材料を用いて、反応温度条件のみを３００℃に
変えて、実施例３と同様に反応させた。生成ガスをＴＣ
Ｄガスクロマトグラフ法で分析したところ、二酸化炭素
反応率は９８％、メタン転化率はほぼ１００％であっ
た。実施例３と同じ実験装置を用いて、従来の水素還元
材料であるＲｈ−Ｍｎ／Ａｌ₂Ｏ₃を用いて同様の還元
反応を試みたところ、二酸化炭素の反応率は８８％、メ
タン転化率は９４％であった。本発明の水素還元材料を
用いれば、低温のみならず高温においても、従来よりも
高反応率、高転化率で、水素還元反応を起こすことがで
きた。

【００２６】なお、実施例３、４では、水素還元触媒と
してロジウムを、水素吸蔵材料としてパラジウムをそれ
ぞれ用いたが、水素還元触媒としては被処理物と水素と
の水素化還元反応を促進させる材料であればよく、また
水素吸蔵材料としては水素を吸蔵することの出来る材料
であれば、実施例に例示した以外の水素還元触媒や水素
吸蔵材料を用いてもよい。例えば、水素吸蔵材料として
はパラジウム−金やパラジウムに金と銀とが加えられた
パラジウム合金などがある。また、担体に担持させる水
素還元触媒と水素吸蔵材料の比も、反応温度や反応条件
に応じて変化させてよい。

【００２７】また、本実施例３、４では、担体に水素還
元触媒と水素吸蔵材料が担持された水素還元材料を用い
たが、担体を用いずに、水素還元触媒または水素吸蔵材
料のどちらか一方の上に他方の物質がつけられた水素還
元材料を用いることもできる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第１、第
２、第３の発明によれば、水素と被処理物とを分離して
供給するので、水素還元触媒表面で従来あったような水
素と被処理物との競合が起こらず、また被処理物および
水素還元された生成物は水素透過膜を透過できないの
で、供給水素の分圧を下げることがなく、このため非常
に効率よく水素化還元を行うことができる。水素還元さ
れた生成物についても、反応に用いられなかった過剰の
被処理物や水素とともに排出され、水素化還元の反応操
作を途中で中断することなく回収することができる。ま
た、水素を水素還元触媒膜側からも供給した場合におい
ては、水素還元触媒膜に吸着している被処理物に対し水
素が全方向からアプローチできるため、さらに効率的に
被処理物の水素化還元を行うことが可能となる。

【００２９】また、本発明の第４の発明である水素還元
材料を用いれば、高温のみでなく低温においても、高反
応率でかつ高選択的に、水素化還元反応を起こすことが
できる。また、このように低温での反応が可能になった
ため、水素化還元反応プロセスにおいて、廃熱などを有
効に活用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による水素還元装置の一実施例の構成を
示す断面図である。

【図２】本発明による水素還元装置における水素還元触
媒付近での水素と被処理物との供給を示す図である。

【図３】本発明による水素還元装置の他の一実施例の構
成を示す断面図である。

【図４】本発明による水素還元装置における水素還元触
媒付近での水素と被処理物との供給を示す図である。

【図５】本発明の実施例１による水素還元装置の構成を
示す断面図である。

【図６】本発明の実施例２による水素還元装置の構成を
示す断面図である。

【図７】本発明の水素化還元材料を用いたときの水素還
元機構の概念図である。

【図８】従来の水素還元材料を用いたときの水素還元機
構の概念図である。

【図９】本発明の第４の発明である水素還元材料を用い
た水素化還元反応装置の一実施例を示す構成断面図であ
る。

【図１０】従来の水素還元装置の構成を示す断面図であ
る。

【図１１】従来の水素還元装置における水素還元触媒の
表面での水素と被処理物との供給を示す図である。

【図１２】従来の水素還元装置において、水素と被処理
物とを分離して供給することを想定し改造した装置の構
成断面図である。

【符号の説明】

１、１６水素２被処理物原料３水素還元触媒４水素還元触媒表面５水素化還元された生成物６水素領域７水素透過膜８水素還元触媒膜９多孔質アルミナ１０パラジウム膜１１ロジウム膜１２メタン１３本発明による水素還元膜１４外管１５、１７二酸化炭素１８本発明の第４の発明である水素還元材料１９ヒータ２０反応管２１グラスウール

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】気体状の被処理物を水素還元して生成物
を得る水素還元装置において、水素吸蔵材料からなり水
素を選択的に透過し前記被処理物と前記生成物とを透過
しない水素透過膜と、前記水素透過膜上に前記水素透過
膜に用いた前記水素吸蔵材料とは異なる水素還元触媒か
らなり被処理物と水素との反応を促進しかつ前記被処理
物と水素とを透過する水素還元触媒膜を有することを特
徴とする水素還元装置。
【請求項２】気体状の被処理物を水素還元して生成物を
得る水素還元方法において、水素吸蔵材料からなり水素
を選択的に透過し前記被処理物と前記生成物とを透過し
ない水素透過膜の一面から水素を供給し、前記水素透過
膜の他の面上に前記水素透過膜に用いた前記水素吸蔵材
料とは異なる水素還元触媒からなり被処理物と水素との
反応を促進しかつ前記被処理物と水素とを透過する水素
還元触媒膜の一面を有し、前記水素還元触媒膜の他の面
上から前記被処理物を供給することを特徴とする水素還
元方法。
【請求項３】前記水素還元触媒膜の他の面上から更に
水素を供給することを特徴とする請求項２記載の水素還
元方法。