JP4260531B2 - 硫化水素の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、硫化水素の製造方法に関する。より詳細には、触媒存在下において水素と硫黄とを気相で反応させて硫化水素を製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
硫化水素の合成法の一つとして、水素ガスと硫黄蒸気とを、触媒を含む反応領域に通して反応させる方法が知られている。この合成法は強い発熱を伴い、反応熱による温度上昇が大きい。そのため、この合成法により高濃度の硫化水素を工業的規模で製造する際には、反応温度の制御が極めて重要となる。
【0003】
具体的には、水素ガスおよび硫黄蒸気が反応領域を通過する際、反応領域入口付近では、水素ガスと硫黄蒸気の分圧が高いため、これら原料気体は大きな反応速度で反応する。すると、反応領域入口付近の反応温度は局所的に上昇し、この温度上昇が、反応を更に促進させる。そのため、反応領域入口付近では、相対的に多量の原料気体が消費される。このように、反応領域の入口付近を通過中に相当程度の水素ガスおよび硫黄蒸気が消費されるため、反応領域の内部へと進入するにつれて、各原料気体の分圧が急激に低下し、反応速度は小さくなり、そして反応熱の発生も低減する。その結果、反応領域内の温度分布においては、反応領域の入口付近に急峻な温度ピークが生じ、それ以降、出口まで低温が続く状態が形成される。
【0004】
このような温度分布の偏りがあっては、反応領域全体を有効に活用することができず、反応効率が低下してしまう。また、温度分布の偏りがあることで、装置を構成する材料に耐食上の制限が課せられるので、材料の選定が極めて困難になる。
【0005】
温度分布の偏りを低減する方策としては、硫黄蒸気に対して水素ガスを大過剰とすることによって原料気体の反応量を制限する方法が知られている。また、反応温度を低く設定し、触媒活性を抑制する方法もある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水素ガスを大過剰に供給する方法では、水素の利用率が低い上に得られる硫化水素濃度も低いという問題がある。一方、反応温度を低く設定する方法では、反応速度が遅い分、大きな反応器が必要となり、経済的な方法とは言えない。
【0007】
本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、従来の問題点を解消ないし軽減することを課題とし、原料気体の反応温度を適切に制御しつつ高濃度の硫化水素を効率よく製造する方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明によって提供される硫化水素の製造方法は、触媒活性物質およびこの触媒活性物質を担持する触媒担体の双方から成る触媒を含有する反応領域に、気体状の水素および気体状の硫黄を通すことにより硫化水素を製造する方法である。当該方法によれば、触媒の一部は触媒活性を有しない希釈剤と混合される。また、希釈剤の混合率を変えることによって、触媒の単位体積あたりの含有量が、水素および硫黄の通過経路の上流側から下流側にかけて高くなるように変化付けされている。
【0009】
このような構成によれば、原料気体すなわち気体状の水素および硫黄の反応温度を適切に制御しつつ、高濃度の硫化水素を効率よく製造することができる。具体的には上記反応領域において、触媒活性物質を含む触媒の一部が、触媒活性を有しない希釈剤と混合されることにより希釈される。加えて、希釈剤の混合率を変えることにより、触媒の含有量ひいては触媒活性物質の含有量が原料気体通過経路の上流側から下流側にかけて高くなるように調節される。これにより、触媒活性物質の含有量が相対的に低い上記通過経路の上流側では、原料気体の反応が相対的に抑えられる一方、触媒活性物質の含有量が相対的に高い上記通過経路の下流側では、原料気体の反応が相対的に促進されることになる。その結果、水素ガスを過剰に用いずとも、また、反応温度を積極的に低く設定せずとも、触媒を効率的に使用しつつ、反応領域全体がほぼ同一の温度レベルになるように制御することができ、高濃度の硫化水素を効率よく製造することが可能となる。
【0010】
好ましい実施の形態では、触媒の含有量を連続的に変化させることにより通過経路の上流側から下流側にかけて、触媒濃度が逐次的に高くなるように調節される。
【0011】
また、反応領域は、触媒の含有量が互いに異なる複数の触媒層を含むようにしても良い。この場合、これら触媒層が、上記通過経路の上流側から下流側にかけて触媒濃度が段階的に高くなるように配置される。
【0012】
このように触媒濃度を変化付けすることによって、反応領域内において良好に温度制御を行うことが可能となる。
【0013】
触媒の含有量は、希釈剤および触媒の合計量に対して、0.1体積%から99.9体積%へと連続的に変化するように調節しても良い。また、触媒は、原料気体の通過経路において、その始端から70%までの範囲に限り希釈されているようにしても良い。
【0014】
好ましい実施の形態では、希釈剤のみが充填された非触媒領域が、上記反応領域の上流側に隣接して設けられる。このような構成によると、当該非触媒領域において原料ガスが反応開始温度に到達することにより、外的温度変化の影響を受けずに安定した反応を行うことができる。
【0015】
反応領域における反応温度は、例えば300〜500℃の範囲とされる。反応温度が300℃未満の場合は、反応が進行しにくくなって収率が低下する傾向がある。一方、反応温度が500℃を超えると、使用可能な耐食性を有する装置構成材料が限定されてしまう。
【0016】
本発明において、上記触媒活性物質は、モリブデン、コバルト、ニッケル、鉄またはバナジウム等である。これら触媒活性物質を担持する触媒担体は、アルミナ、シリカアルミナ、アルミナゲルまたはシリカゲル等の多孔質物質からなる。また希釈剤としては、アルミナ、シリカアルミナ、アルミナゲル、シリカゲル、ガラスおよび磁器からなる群より選択される一の材料を用いることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【0018】
図1は、本発明を実施するための製造装置Aの概念構成図である。製造装置Aは、気化ユニット1、反応器2を備える。
【0019】
気化ユニット1は、原料の一つである硫黄を、気化させて反応器2に導くためのものであり、導管3を介して反応器2に連結されている。具体的には、気化ユニット1では、340〜400℃に加熱した溶融硫黄の気相部に水素ガスを流して硫黄蒸気を同伴させても良いし、硫黄浴中に水素ガスをバブリングさせて硫黄蒸気を発生させても良い。この水素ガスを含む硫黄蒸気は、導管3を介して反応器2に供給される。
【0020】
ここで、気化ユニット1に供給する水素としては、例えば、水素ガスとして予めボンベに封入されているものや、水素PSA装置によって発生させたものを使用できる。
【0021】
図2は、反応器2の構成概略図である。反応器2は、カラム21と、カラム21内に設けられたバッファ層22および触媒領域23とからなる。触媒領域23は、第1触媒層23aと第2触媒層23bとからなり、これら触媒層には所定量の粒状触媒がそれぞれ含まれている。各粒状触媒は、触媒活性物質およびこの触媒活性物質を担持する触媒担体の双方から成る。触媒活性物質としては、例えばモリブデン、コバルト、ニッケル、鉄またはバナジウムのいずれかを用いることができる。一方、触媒担体としては、例えばアルミナ、シリカアルミナ、アルミナゲルまたはシリカゲルのいずれかから成る粒状体を用いることができる。
【0022】
各触媒担体に担持される触媒活性物質の体積は、当該触媒担体の体積に比して無視しうるほどに小さく、その体積は実質的にゼロとみなすことができる。従って、各粒状触媒の体積は、当該触媒の構成要素である触媒担体の体積に実質的に等しくなる。第2触媒層23bは、このような粒状触媒のみからなる。一方、第1触媒層23aは、このような粒状触媒と希釈剤との混合物からなる。希釈剤としては、例えばアルミナ、シリカアルミナ、シリカゲル、ガラスまたは磁器等の多孔質物質からなる粒状体を用いることができる。この粒状体は、上記触媒担体と同一形状とされている。バッファ層22は、希釈剤のみから成り、触媒を全く含まない非触媒層である。
【0023】
本明細書において、「触媒濃度」は、所定の領域に充填された「触媒担体および希釈剤の総体積」に対する「当該触媒担体の体積」の比率(体積%)として定義される。この定義の下、図2に示した例では、第1触媒層23aの触媒濃度は例えば0.1体積%から99.9体積%へと、連続的に変化するように勾配をつけられる。一方、第2触媒層23bにおける触媒濃度は、100体積%である。また、希釈剤のみからなるバッファ層22の触媒濃度は、0体積%である。このように、反応器2内部の触媒濃度は、始端口21a側から終端口21b側にかけて高濃度となるように調節されている。
【0024】
本発明によれば、上記の例とは異なり、第1触媒層23aの触媒濃度が段階的に増加するように希釈剤の混合量を調節してもよい。その具体的構成例は、以下の実施例3に挙げられている。
【0025】
導管3を介して供給される原料気体(硫黄蒸気と水素ガスとの混合気体)は、カラム21の始端口21aから反応器2内に流入する。このときの反応器2の設定温度は、300〜500℃であり、好ましくは340〜450℃である。
【0026】
始端口21aから供給された原料気体は、バッファ層22を通過して、触媒領域23に達する。そして原料気体は、触媒領域23を通過中に反応を起こし、硫黄蒸気と水素ガスから硫化水素が生成する。触媒領域23内を進行するにつれて硫黄蒸気および水素ガスは消費されて、それらの分圧は次第に低下する。しかしながら、第1触媒層23aから第2触媒層23bにかけて触媒濃度が順次高くなるように設定してあるため、反応器2内を進むにつれて硫化水素生成速度が過剰に低下することを防止しうる。その結果、反応器2の温度分布に極端な偏りを生ぜず、反応器2内において、高濃度の硫化水素を効率良く生成することが可能である。
【0027】
このように生成した硫化水素は、カラム21の終端口21bから排出される。排出ガス中には、目的とする硫化水素のほか、余剰の原料気体や、痕跡量の多硫化水素(H2Sx)が含まれている場合があるが、これら非目的物質は冷却分離や洗浄、乾燥等の操作により容易に除去することができる。
【0028】
【実施例】
以下、実施例および比較例について説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
【0029】
〔実施例1〕
アルミナゲル(商品名;KHD−46、住友化学工業社製)から成る担体にモリブデンを3重量%担持させた触媒と、同じアルミナゲルから成る希釈剤とを準備し、これらを表1に示す触媒濃度変化を付けつつ、カラム(内径28mm、長さ1000mm)に充填することによって、反応器を作製した。この実施例1では、始端(図2の始端口21aが設けられている端)からの離間距離が大きくなる程、第1触媒層における触媒濃度が連続的に増加するように構成されている。
【0030】
【表1】
【0031】
〔硫化水素の製造〕
340℃の気化ユニットに1Nm3/Hrの水素ガスを通気し、得られた原料気体を圧力20kPa(ゲージ圧)の条件で反応器へ供給した。その結果、余剰硫黄を除いた状態で、97体積%の硫化水素が得られた。反応器内における温度分布は、350〜470℃の間で略均一に分布し、急峻な温度ピークは生じなかった。
【0032】
〔実施例2〕
アルミナゲル(商品名;KHD−46、住友化学工業社製)から成る担体に、モリブデンとコバルト(コバルト/モリブデン=0.8(モル比))を3重量%担持させた触媒を用いた以外は実施例1と同様の方法を用いて、反応器を作製した。
【0033】
〔硫化水素の製造〕
340℃の気化ユニットに1Nm3/Hrの水素ガスを通気し、得られた原料気体を圧力20kPa(ゲージ圧)の条件で反応器へ供給した。その結果、余剰硫黄を除いた状態で、97体積%の硫化水素が得られた。反応器内における温度分布は、350〜470℃の間で略均一に分布し、急峻な温度ピークは生じなかった。
【0034】
〔実施例3〕
アルミナゲル(商品名;KHD−46、住友化学工業社製)から成る担体にコバルトを3重量%担持させた触媒と、同じアルミナゲルから成る希釈剤とを準備し、表2に示す触媒濃度変化を付けつつ、これらをカラム(内径28mm、長さ1000mm)に充填することによって、反応器を作製した。
【0035】
【表2】
【0036】
〔硫化水素の製造〕
340℃の気化ユニットに1Nm3/Hrの水素ガスを通気し、得られた原料気体を圧力20kPa(ゲージ圧)の条件で反応器へ供給した。その結果、余剰硫黄を除いた状態で、95体積%の硫化水素が得られた。反応器内における温度分布は、350〜490℃の間で略均一に分布し、急峻な温度ピークは生じなかった。
【0037】
〔比較例〕
アルミナゲル(商品名;KHD−46、住友化学工業社製)から成る担体にモリブデンを3重量%担持させた触媒と、同じアルミナゲルから成る希釈剤とを準備し、これらを表3に示す条件でカラム(内径28mm、長さ1000mm)に充填することによって、反応器を作製した。この比較例では、触媒層には触媒のみを充填し、希釈剤は充填しなかった。
【0038】
【表3】
【0039】
〔硫化水素の製造〕
340℃の気化ユニットに1Nm3/Hrの水素ガスを通気し、得られた原料気体を圧力20kPa(ゲージ圧)の条件で反応器へ供給した。その結果、触媒層入口部分で急峻な温度ピークが生じ、反応を制御することができなかった。
【0040】
【発明の効果】
本発明によると、反応領域全体にわたって原料気体の反応温度をほぼ同程度に制御することができ、その結果、反応領域全体が有効に活用されて、高濃度の硫化水素を効率よくかつ安全に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る硫化水素の製造方法を実施するために用いられる装置の概念構成図である。
【図2】本発明で用いられる反応器の概略構成図である。
【符号の説明】
A 製造装置
1 気化ユニット
2 反応器
21 カラム
21a 始端口
21b 終端口
22 バッファ層
23 触媒領域
23a 第1触媒層
23b 第2触媒層
3 導管
Claims (8)
- 触媒活性物質およびこの触媒活性物質を担持する触媒担体の双方から成る触媒を含有する反応領域に、気体状の水素および気体状の硫黄を通すことにより硫化水素を製造する方法において、
前記触媒の一部は、触媒活性を有しない希釈剤と混合されており、
前記希釈剤の混合率を変えることによって、前記触媒の含有量が、前記水素および前記硫黄の通過経路の上流側から下流側にかけて高くなるように変化付けされ、前記反応領域における反応温度が300〜500℃の範囲になるように構成されていることを特徴とする、硫化水素の製造方法。 - 前記触媒の含有量を連続的に変化させることにより、前記通過経路の上流側から下流側にかけて、触媒濃度が逐次的に高くなるように調節されている、請求項1に記載の硫化水素の製造方法。
- 前記反応領域は、触媒の含有量が互いに異なる複数の触媒層を含んでおり、これら触媒層は、前記通過経路の上流側から下流側にかけて触媒濃度が段階的に高くなるように配置されている、請求項1に記載の硫化水素の製造方法。
- 前記触媒の含有量は、前記希釈剤と前記触媒との合計量に対して、0.1体積%から99.9体積%へと変化するように調節されている、請求項1ないし3のいずれか1つに記載の硫化水素の製造方法。
- 前記触媒は、前記通過経路において始端から70%までの範囲で希釈されている、請求項1ないし4のいずれか1つに記載の硫化水素の製造方法。
- 希釈剤のみが充填された非触媒領域が、前記反応領域の上流側に隣接して設けられている、請求項1ないし5のいずれか1つに記載の硫化水素の製造方法。
- 前記触媒活性物質は、モリブデン、コバルト、ニッケル、鉄またはバナジウムである、請求項1ないし6のいずれか1つに記載の硫化水素の製造方法。
- 前記希釈剤は、アルミナ、シリカアルミナ、アルミナゲル、シリカゲル、ガラスおよび磁器からなる群より選択される、請求項1ないし7のいずれか1つに記載の硫化水素の製造方法。
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