JP4890057B2 - 炭化水素の部分酸化触媒、それを用いた水素含有ガスの製造方法及び装置 - Google Patents
炭化水素の部分酸化触媒、それを用いた水素含有ガスの製造方法及び装置 Download PDFInfo
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Description
CxH2(x+1)+(x/2)O2→xCO+(x+1)H2
部分酸化反応は発熱反応であるため外部からの大量のエネルギー投入は必要ないが、反応温度が高温になりやすく、高温に耐えうる反応容器材料に制約があり装置寿命も短くなる。そのため、比較的低い温度で反応を進める触媒が求められている。
本発明の第2の目的は、その触媒を使用して水素含有ガスを製造する方法を提供することである。
本発明の第3の目的は、その触媒を使用して水素含有ガスを製造する装置を提供することである。
担体の形態として好ましいのはAl2O3粒子の表面をCeO2が被ったものであり、本発明の触媒の形態として好ましいのは触媒活性金属がそのCeO2の表面に担持されているものである。
担体におけるCeO2の割合は15重量%以上が好ましく、さらに好ましくは20重量%以上である。
γ−Al2O3(Merck,SA.123m2/g)2.40gを容器に入れ減圧した後、硝酸第二セリウムアンモニウム(和光純薬工業株式会社製:Ce(NH4)(NO3)6)14.22gを蒸留水20.00gに溶かした溶液3.28gを用いて、CeO2/(γ−Al2O3+CeO2)が5〜30重量%になるように添加して、γ−Al2O3細孔に浸透させ含浸させた。その後、真空下で二時間保持し、常圧下において100℃で乾燥させた後、減圧乾燥を80℃で一晩行なった。乾燥した試料を、空気流通下、室温から5℃/分の昇温速度で600℃まで昇温し、600℃で5時間保持することにより、CeO2/γ−Al2O3担体を調製した。
触媒は、含浸担持法により調製した。すなわち、所望のNi金属が担持されるように、所定量の硝酸ニッケル六水和物(和光純薬工業株式会社製:Ni(NO3)2・6H2O)を水に溶かしたものを、上記のように得られたCeO2/γ−Al2O3担体に加え、一夜放置した。その後、空気流通下で、5℃/分の昇温速度で600℃まで昇温し、600℃で5時間保持することによりNi/CeO2/γ−Al2O3触媒を調製した。得られた触媒はメノウ乳鉢を用いて粉砕し、100mesh以下に整粒して反応に供した。
調製した触媒のNi担持量は、触媒全体に対するNiの割合が1重量%、3重量%及び5重量%の3種類であった。
評価のための実験装置として、図1に示される反応装置を使用した。ただし、この反応装置はあくまで評価のための実験装置であり、実際にこの触媒を使用して水素含有ガスを製造する装置はこの反応装置に限定されるものではなく、各部の配置や規模は目的に応じて適宜変更することができる。
製造した触媒は、メタン、エタン及びプロパンの部分酸化反応によって評価した。本発明の適用条件として有力な天然ガスの部分酸化反応を考えると、主成分のメタン以外にエタンとプロパンが混合しており、炭素数が多く炭素析出しやすいと予想されるエタンやプロパンを検討する必要があるためである。
炭化水素と酸素との反応に先立ち、触媒は873Kにおいて1時間水素還元した。以上の反応条件はあくまで評価のための実験条件であり、実際に工業的に製造する際には目的に合せて適宜変更する。
メタン、エタン、プロパンのそれぞれについて部分酸化反応を検討した。
CeO2(20重量%)/Al2O3を担体とし、これにNiを1.0重量%又は5.0重量%担持した触媒を用い、メタンの部分酸化反応を表1に記載の温度で1時間実施した。担体のCeO2の割合はCeO2/(γ−Al2O3+CeO2)を表わし、触媒中のNiの割合は触媒全体に対するNiの割合を表わしている。
表1にこの測定に用いた触媒組成と部分酸化反応温度(873〜973K)を示す。
実効転化率は、メタンの場合、生成ガス中に残存するメタン量を原料ガスとして投入したメタン量で割った値である。エタンやプロパンのように、エチレンやメタンなど他の炭化水素に転化したものが生成する場合は、エチレンやメタンなど他の炭化水素へ転化した分を除いて補正した分を「実効転化率」とした。
選択率と生成量は、反応後の生成ガス成分をガスクロマトグラフにより分析し、比率又はモル単位で表わした。
H2O生成量は反応管出口に設置した、エチレングリコールを入れた水トラップの重量増加により求めた。
炭素析出量の測定は、2通りの方法により行なった。一方は、反応前後の触媒の重量増減を電子天秤で測り、増減量を炭素析出量とした。もう一方は、反応後の触媒をTG−DTA(熱重量測定−示差熱分析)にかけ、室温から800℃まで昇温速度10℃/minで昇温を行ない、TGの重量増減から炭素析出量を算出した。
測定番号3〜5のように、Ni担持量が5.0重量%になれば、反応温度を873〜973Kの温度範囲でメタンの部分酸化反応が良好に進行し、COとH2の選択率も高く、炭素析出もほとんど見られない。
Ni担持量を1.0重量%に固定し、担体であるCeO2とAl2O3の割合を変えて調製した触媒を使用した。
比較例として、担体としてCeO2のみを使用したもの(比較例1)、担体として実施例の担体の一部を構成するγ−Al2O3のみを使用したもの(比較例2)、及び担体としてα−Al2O3のみを使用したもの(比較例3)についても測定を行なった。
CeO2/Al2O3担体でCeO2が15重量%以上となると、水素選択率が良好で、かつ炭素析出量もほとんどなく、良好である。
担体が複合担体ではない比較例の場合は、担体がCeO2のみの比較例1や担体がα−Al2O3のみの比較例3の場合は炭素析出量が著しく、担体がγ−Al2O3のみの比較例2の場合は部分酸化反応が進まずにエチレンへの転化が進行してしまう。
CeO2(20wt%)/Al2O3担体に、Niを0〜5.0重量%の範囲で変化させて担持させた触媒を調製した。Niが0重量%のものは本発明の範疇から外れるので、比較例4とした。また、Al2O3のみの担体を使用したものも比較例6〜7とした。
これらの触媒を用いて、エタンの部分酸化反応を923Kの環境下で2時間行なった。その結果を表10から表12に示す。
エタンの部分酸化に関しては、Niの担持量が1.0重量%以上であれば、H2選択率もCO選択率も良好で部分酸化反応が起こっており、Niの担持量を5.0重量%に増加させても同じ性能を維持している。
また、Al2O3のみの場合(比較例5)もAl2O3担体にNiを担持した場合(比較例6,7)もエタン実効転化率が低かったり、C2H4への転化が起こったりして、部分酸化反応には適さない。
図4はα−Al2O3担体にNiを担持した比較例の触媒を示したもの、図5はCeO2担体にNiを担持した比較例の触媒を示したものである。それぞれの画像の(A)は低倍率、(B)はそのうちの一部を高倍率で観察したものである。いずれの触媒も2時間の使用後は全体がウィスカー状炭素で被われており、部分酸化触媒としては使用できないことが画像からもわかる。
それに対し、図6はCeO2(20wt%)/Al2O3担体にNiを担持した本発明に属する触媒を示したものである。この触媒ではウィスカー状炭素の成長はほとんど見られず、比較例の触媒に比べて部分酸化触媒として優れていることがわかる。
触媒としては、CeO2(20wt%)/Al2O3を担体とし、これにNiを1.0重量%担持したものを使用した(測定番号31)。
比較例として、CeO2のみを用いたもの(比較例8)、Al2O3にNiを1.0重量%担持したもの(比較例9)、CeO2担体にNiを1.0重量%担持したもの(比較例10)も測定した。
その結果を表13から表15に示す。
それに対し、本発明の触媒を用いたもの(測定番号31)では、部分酸化が起こっている。
4 部分酸化触媒層
6 電気炉
8 温度コントローラ
Claims (4)
- 炭化水素を部分酸化して水素と一酸化炭素を含有する混合ガスを生成させる部分酸化触媒において、
前記炭化水素はメタン、エタン、プロパンもしくはそれらのガスを主成分とする混合ガス、又は天然ガスであり、
CeO 2 とAl2O3を担体として含み、これにNiからなる触媒活性金属を担持し、前記担体におけるCeO 2 の割合が15重量%以上であり、この触媒中のNiの担持量が1重量%以上であることを特徴とする部分酸化触媒。 - 前記担体はAl2O3粒子の表面をCeO2が被ったものであり、前記触媒活性金属はそのCeO2の表面に担持されている請求項1に記載の部分酸化触媒。
- 前記炭化水素と酸素を含む原料ガスを加熱下で請求項1又は2に記載の部分酸化触媒に接触させ、前記炭化水素を部分酸化して水素と一酸化炭素を含有する混合ガスを生成させる水素含有ガス製造方法。
- 内部に請求項1又は2に記載の部分酸化触媒が保持された反応管と、
前記触媒を加熱する加熱炉と、
前記炭化水素と酸素を含む原料ガスを前記反応管に送り、前記触媒と接触させる原料ガス流路とを備え、
前記反応管中で前記炭化水素を部分酸化して水素と一酸化炭素を含有する混合ガスを生成させる水素含有ガス製造装置。
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