JP5537960B2 - 炭化水素改質触媒、該触媒の製造方法および該触媒を用いる改質方法 - Google Patents
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Description
Mg−Al複合酸化物であるハイドロタルサイト系酸化物に活性金属を担持した改質触媒が提案されている;例えば、
Mgの一部をNiで置換したハイドロタルサイトを焼成し、活性金属を内部から表面へ染み出させて、高分散化した、微粒子を担持した改質触媒が紹介されている(特許文献1参照)。しかしながらハイドロタルサイト(Mg/Al 原子比が3)を焼成して得られる酸化物を使用した成形体は、粉の剥離やひび割れの発生など、機械的強度に問題がある。
(a) マグネシウムとアルミニウムを、Mg/Al原子比で0.3〜0.6の割合で含有する、Mg−Al複合酸化物で構成された成形体;
(b) 前記成形体の表面に固定された皮膜状の触媒層;および
(c) 前記触媒層に含まれる活性金属;
を含んでなる、炭化水素改質触媒にある。
工程1) 下記式(1)で表され、Mg/Al原子比が0.3〜0.6の(i)ハイドロタルサイト様化合物、もしくは(ii)前記ハイドロタルサイト様化合物とアルミナ前駆体との混合物の、いずれかを用いて、成形体を形成する工程;
式(1)・・・[Mg(1−X) AlX(OH)2]・(A)X/n・mH2O
(式1中、xは0.63〜0.77であり、Aは電荷nのアニオンであり、nは1または2であり、mは0または正数である。)
工程2) 工程1で得られた成形体を乾燥する工程;
工程3) 工程2で得られた成形体を、500〜1400℃の範囲の温度に加熱して、Mg/Al 原子比が0.3〜0.6のMg−Al複合酸化物に変換する工程;
工程4) 工程3で得られた成形体の表面に、Ni、RhおよびRuの少なくとも1種の活性金属の前駆体を含む溶液を含浸して、皮膜を形成する工程;および
工程5) 工程4で得られた皮膜付着成形体を、600〜950℃の範囲の温度に加熱して皮膜を固定化して触媒層を形成する工程;
を含む、前記炭化水素改質触媒の製造方法にある。
工程I) 下記式(1)で表され、Mg/Al(原子比)0.3〜0.6のハイドロタルサイト様化合物、もしくは該ハイドロタルサイト様化合物とアルミナ前駆体との混合物を用いて、成形体を形成する工程;
式(1)・・・[Mg(1−X) AlX(OH)2]・(A)X/n・mH2O
(式1中、xは0.63〜0.77であり、Aは電荷nのアニオンであり、nは1または2であり、mは0または正数である。)
工程II) 工程Iで得られた成形体を乾燥する工程;
工程III) 工程IIで得られた成形体に、Ni、RuおよびRhの少なくとも1種の活性金属を担持した耐熱性無機酸化物よりなる触媒粒子を含むスラリーを塗布して皮膜を形成する工程;および、
工程IV) 工程IIIで得られた皮膜付着成形体を、600〜950℃の範囲の温度で加熱して、成形体を、Mg/Al(原子比)0.3〜0.6の割合で含有する、Mg−Al複合酸化物に変換するとともに、成形体の表面に、触媒粒子の皮膜を固定化して触媒層を形成する工程;
を含む、前記炭化水素改質触媒の製造方法にある。
本発明における成形体は、マグネシウムとアルミニウムを、Mg/Al原子比で0.3〜0.6の割合で含有する、Mg−Al複合酸化物で構成されており、本発明の炭化水素改質触媒のコア部を形成する。本発明の炭化水素改質触媒は、前記成形体(コア部)上にレイヤーとして皮膜状の触媒層を含む。本明細書では、このように成形された形の改質触媒を成形体触媒という場合がある。
(式1中、xは0.63〜0.77であり、該数値はMgとAlの原子比(Mg/Al)が0.3〜0.6に相当する値であり、Aは電荷nのアニオンであり、ハイドロタルサイトの層間イオンと称され、具体的には炭酸イオン、硝酸イオン、硫酸イオン、塩素イオン、リン酸イオンのいずれかであり、代表的には炭酸イオンであり、nは1または2であり、mは0または正数であり、具体的には0〜10である。)
式(1)の化合物の代表例は、下記式(2)で表されるマグネシウム・アルミニウム・ヒドロシキ・カーボネートである。
(式2中、xは0.63〜0.77であり、該数値はMgとAlの原子比(Mg/Al)が0.3〜0.6に相当する値であり、mは0または正数であり、具体的には0〜10である。)
式(1)あるいは式(2)で表されるハイドロタルサイト様化合物は、Al塩とMg塩の水溶液を用いて行う共沈法、あるいはAlとMgの各アルコキシドの混合溶液を加水分解する共沈法など、公知の方法で製造できる。
本発明の成形体は、前記ハイドロタルサイト様化合物を前駆体として用いて、水などの液体媒体、必要に応じてPVA、セルロース、メチルセルロースなどの成形助剤などを加えた混合物を用いて、前記の形状に応じて、押出し成形、打錠成形、転動造粒等など、公知の成形手段で、生(ナマ)成形体を作り、次いで熱処理して、前記前駆体をMg−Al複合酸化物に変換することにより製造することができる。なお本明細書において、乾燥前あるいは50〜200℃程度の温度での加熱によって乾燥した状態の成形体を、生(ナマ)成形体という場合がある。すなわち生成形体は、Mg−Al複合酸化物が前駆体の状態で残っている成形体である。
前記生成形体は、前記皮膜状の触媒層の形成前、形成と同時あるいは形成した後のいずれかの段階において、500〜1400℃、好ましくは800〜1300℃、より好ましくは900〜1250℃、特に好ましくは950〜1250℃の温度下で、3〜25時間加熱処理して、前駆体をMg−Al複合酸化物に変換させることにより本発明の成形体が得られる。
本発明の成形体触媒は、前記成形体と、該成形体の表面部位に固定された、厚さ20〜300μm、好ましくは50〜200μmの皮膜状の触媒層とから構成され、成形体触媒に含まれる活性金属の大部分が、該触媒層内に含まれる。例えば、直径4mmの球状成形体に、厚さ100μmの触媒層を設けた成形体触媒の場合、触媒層の体積割合は15%である。成形体触媒に含まれる活性金属の約60重量%以上、好ましくは70重量%、より好ましくは80重量%以上が、該触媒層中に担持されている。本発明の触媒層中の金属濃度は、成形体触媒全体に均一に担持した触媒に比べて、3〜6倍大きいことから、金属使用量の低減が可能なため、経済性の面での効果が顕著である。該触媒層の厚さが20μmよりも薄いと、必然的に活性金属の含有量が少なくなり、耐久性の低下が起こりやすい。すなわち、触媒層の厚さが20μmを下回ると、初期の活性は問題ないが、長期間の使用において、活性が低下しやすい。耐久性の維持のために、触媒層の厚さは好ましくは、50μm以上である。厚さが300μmを超える触媒層では、反応に寄与しない活性金属割合が増加し、そのため不経済である。活性、耐久性および経済性を考慮すると、触媒層の厚さは50〜200μmに設定することが好ましい。
成形体表面へ薄膜状触媒層を固定化するには、以下に述べる(1)含浸法、および(2)スラリーコート法のいずれかの方法が採用されるが、目的の触媒層が形成される限り、これらに限定されるものではない。
含浸法は、前記Mg/Al原子比0.3〜0.6のMg−Al複合酸化物で構成された、比表面積(BET)が5m2/g以上、好ましくは10〜150m2/g、しかも圧壊強度が5kgf/cm2以上を有する成形体に、活性金属を含む水溶液を含浸することにより、成形体の表面に薄膜状触媒層を固定化する方法である。
<工程1>(i) 下記式(1)で表され、Mg/Al原子比0.3〜0.6、好ましくは0.35〜0.50、より好ましくは0.35〜0.48、特に好ましくは0.40〜0.45の、(i)ハイドロタルサイト様化合物、もしくは(ii)前記ハイドロタルサイト様化合物と、アルミナ前駆体、具体的にはベーマイト、アルミナゾル、水酸化アルミニウムおよびアルミニウムアルコキサイドからなるアルミニウム化合物群から選択される少なくとも1種との混合物を使用して、成形体を形成する工程;
式(1)・・・[Mg(1−X) AlX(OH)2]・(A)X/n・mH2O
(式1中、xは0.63〜0.77であり、該数値はMgとAlの原子比(Mg/Al)が0.3〜0.6に相当する値であり、Aは電荷nのアニオンであり、nは1または2であり、mは0または正数であり、具体的には0〜10である。)
<工程2> 工程1で得られた成形体を乾燥する工程;
工程3) 工程2で得られた成形体を、500〜1400℃の範囲の温度に加熱して、Mg/Al 原子比が0.3〜0.6のMg−Al複合酸化物に変換する工程;
工程4) 工程3で得られた成形体に、Ni、RhおよびRuの少なくとも1種の活性金属の前駆体を含む溶液を含浸し皮膜を形成する工程;および
工程5) 工程4で得られた皮膜付着成形体を、600〜950℃の範囲の温度に加熱して皮膜を固定化して触媒層を形成する工程;
を含む、炭化水素改質触媒の製造方法である。
含浸処理した成形体は、熱処理をし、さらに必要に応じ還元処理を行うことで、本発明の成形体触媒を得る。ここでの熱処理は活性発現のために行い、これを第2次熱処理という場合がある。この熱処理により、成形体の表面全体を覆う薄い触媒層を形成する。
別の触媒層の形成方法は、以下に述べるスラリーコート法である;
工程I) 下記式(1)で表され、Mg/Al(原子比)0.3〜0.6、好ましくは0.35〜0.50、より好ましくは0.35〜0.48、特に好ましくは0.40〜0.45の、(i)ハイドロタルサイト様化合物、もしくは(ii)前記ハイドロタルサイト様化合物と、アルミナ前駆体、具体的にはベーマイト、アルミナゾル、水酸化アルミニウムおよびアルミニウムアルコキサイドからなるアルミニウム化合物群から選択される少なくとも1種、との混合物を用いて、成形体を形成する工程;
式(1)・・・[Mg(1−X) AlX(OH)2]・(A)X/n・mH2O
(式1中、xは0.63〜0.77であり、Aは電荷nのアニオンであり、nは1または2であり、mは0または正数であり、具体的には0〜10である。)
工程II) 工程Iで得られた成形体を乾燥する工程;
工程III) 工程IIで得られた成形体に、Ni、RuおよびRhの少なくとも1種の活性金属を担持した耐熱性無機酸化物よりなる触媒粒子を含むスラリーを塗布して皮膜を形成する工程;および、
工程IV) 工程IIIで得られた皮膜付着成形体を、600〜950℃の範囲の温度で加熱して、成形体を、Mg/Al(原子比)0.3〜0.6の割合で含有する、Mg−Al複合酸化物に転化するとともに、成形体の表面に、触媒粒子の皮膜を固定化して触媒層を形成する工程;
を含む、前記炭化水素改質触媒の製造方法。
工程Iおよび工程IIは、前記含浸法工程1および工程2で述べたとおりである。本製法の工程IIIで用いられる触媒粒子は、活性金属を担持させた耐熱性無機酸化物粒子であり、触媒層の厚さと塗布性に照らし、その粒子の平均粒径(レーザー法)は0.1〜50μm、好ましくは0.1〜20μmが適当である。
[M]/Mg・Al(O)粒子は、たとえば、下記の触媒粒子製法A〜触媒粒子製法Cで製造することが出来る:
<触媒粒子製法A>
(1)Mg/Al 原子比0.3〜3.0の前駆体粒子に、活性金属化合物(M)の水溶液を含浸させる工程1;および
(2)含浸した前駆体粒子を乾燥する工程2、を含む触媒粒子の製法。
工程1において、前駆体としてはMg/Al原子比が0.3〜0.6を有する、たとえば、MG−30を使用すると、成形体への触媒層との密着性向上に好ましい。
<触媒粒子製法B>
(i)Mg/Al 原子比0.3〜3.0の前駆体を加熱して、Mg−Al複合酸化物の固溶体(HT/S)を製造する工程i;
(ii)前記HT/Sに活性金属化合物の水溶液を含浸させることにより、活性金属(M)が結晶層間に挿入された、ハイドロタルサイト(M−HT)を得る工程ii、および
(iii)前記M−HTを450−900℃、好ましくは500〜800℃に加熱して、M含有固溶体(M−HT/S)に変換する工程iii、を含む触媒粒子の製法。
<触媒粒子製法C>
(a)Mg/Al 原子比0.3〜3.0、好ましくは0.3〜1.0のハイドロタルサイト(HT)を加熱して、Mg−Al複合酸化物粒子を得る工程a、および
(b)活性金属(M)化合物の水溶液を、上記Mg−Al複合酸化物粒子に含浸し、その後乾燥する工程b;を含む触媒粒子の製法。
スラリーコート法による、触媒層の形成方法は以下のとおりである。
(i) [M]/Mg・Al(O)粒子を水に分散してスラリーを用意する。水スラリーの濃度に特に制限はないが、希薄すぎると目的の量を塗布しにくく、濃度が高すぎると塗布作業が困難であるため、水1L当たり該粒子150〜300gであることが好ましい。
(ii) ついで、前記の生成形体の表面に、スラリーをスプレーコート法で塗布する。スラリーの濃度と塗布量を調整することにより、触媒層の厚さと活性金属含有量を調整することができる。塗布量は重量を計測し、余剰スラリーは空気流を噴射して、取り除くことによって、目的の触媒層を得ることが出来る。
(iii) ついで、スラリーを塗布した成形体を乾燥させた後、加熱処理する。
本発明は、本発明の成形体改質触媒を用いる炭化水素の改質方法にも関する。具体的には、前掲の本発明の成形体改質触媒を用いて作製した固定床反応層のもとで、炭化水素および改質剤を含む原料ガスを接触反応させる工程を含む、水蒸気改質、自己熱改質(ATR)あるいは炭酸ガス改質を行う改質方法に関する。
本発明の触媒を用いる水蒸気改質の反応条件としては、反応温度は、通常、200〜900℃、好ましくは250〜900℃、さらに好ましくは300〜800℃である。反応圧力は、通常0〜3MPa・G、好ましくは0〜1MPa・Gである。本発明の触媒に接触させる水蒸気(スチーム)および炭化水素のガス空間速度(GHSV)は、500hr−1〜300000hr−1が好ましい。またスチーム/カーボン比(モル比)は1.5〜10、好ましくは1.5〜5、より好ましくは2〜4となるように炭化水素量と水蒸気量を決定すればよい。このようにスチーム/カーボン比(モル比)を調整することにより、水素含有量の多い生成ガスを効率よく得ることができる。
本発明の触媒を用いるATRの反応条件としては、反応温度が500〜1,300℃、好ましくは600〜1,200℃、より好ましくは600〜900℃である。反応圧力は、通常、0〜10MPa・G、好ましくは0〜5MPa・G、より好ましくは0〜3MPa・Gである。スチーム/カーボン比(モル比)は、通常、0.1〜10、好ましくは0.4〜4である。酸素/カーボン比(モル比)は、通常、0.1〜1、好ましくは0.2〜0.8である。
<圧壊強度>
「造粒物の強度試験方法」( JIS Z8841−1993)に基づいて、成形体各30個につき強度試験を行い、その平均値をkgfで表す。
比表面積/細孔分布測定装置(ASAP2010、マイクロメリテック社製)を用いて、成形体の比表面積を測定した。
成形体触媒を切断し、断面の電子プルーブマイクロアナライザー線分析(EPMA)により成形体の表面層を測定した。ここでは1触媒につき6試料の分析値の平均値で表す。
成形体触媒中の活性金属の重量を、ICP分析装置によって測定した。
<成形体の調製>
球状の生成形体を、以下のとおり調製した。なお成形体の符号の−Rは、未焼成を意味する。
<成形体A1 −R>
Mg/Al原子比が0.5のマグネシウム・アルミニウム・ヒドロシキ・カーボネート(商品名;MG−30、SASOL社製)の粉末を転動造粒装置の原料投入口に投入して、回転皿を回転させながら、適量の水を粉末へ散布することによって、造粒核を形成した。前記粉末と水を継続的に投入して、造粒核を成長させて、直径約4.5mmの球状成形体を調製した。成形体を乾燥器中に入れ、温度100℃にて10時間保持することにより乾燥させて、生成形体Al −Rを得た。
<成形体A2 −R>
Mg/Al原子比が1.0のマグネシウム・アルミニウム・ヒドロシキ・カーボネート(商品名;MG−50、SASOL社製)の粉末47重量部と、コロイダルアルミナ(日産化学製、製品名;アルミナゾル520 Al2O3含有量は20重量%)53重量部(アルミナ基準)を混練機に投入して、攪拌しながら、加熱して水分を蒸発させて、混練物を調製した。該混練物をマルメライザーに投入して、直径約4.5mmの球状成形体に造粒し、成形体A1 −Rに記載した方法で、乾燥して、生成形体A2 −Rを調製した。該成形体A2 −RのMg/Al原子比は計算値で0.6である。
<成形体A3 −R>
成形体A1 −Rで用いたMg/Al原子比0.5のマグネシウム・アルミニウム・ヒドロシキ・カーボネート(MG−30)粉末の86重量部と、ベーマイト粉末の14重量部を機械式攪拌混合機で混合粉末を調製した。回転式造粒機を用いて、該混合粉に水を散布しながら、造粒核を形成し、更に該混合粉と水を投入して、球状成形体を調製した。成形体A1 −Rと同じ方法で乾燥して、直径約4.5mmの生成形体A3 −Rを調製した。該成形体A3 −RのMg/Al原子比は計算値で0.41である。
<成形体A4 −R>
成形体A1 −Rで用いたMg/Al原子比0.5のマグネシウム・アルミニウム・ヒドロシキ・カーボネート(MG−30)粉末73重量部と、ベーマイト粉末27重量部を機械式攪拌混合機で混合粉末を調製した。混合粉を回転式造粒機で、水を散布しながら核を形成し、更に該混合粉と水を追加投入して、直径約4.5mmの球状成形体を調製した。成形体A1と同じ方法で乾燥して、生成形体A4 −Rを調製した。該成形体A4 −RのMg/Al原子比は計算値で0.33である。
<比較成形体B1 −R>
Mg/Al原子比が1.0のマグネシウム・アルミニウム・ヒドロシキ・カーボネート(商品名MG−50、SASOL社製)の粉末を転動造粒装置にて、適量の純水を散布して核を形成し、さらに粉末と水を追加することによって、核を成長させて、直径約4.5mmの球状成形体を調製し、100℃で10時間乾燥し、Mg/Al原子比1.0で形成された比較生成形体B1 −Rを調製した。
比較成形体B1 −Rを950〜1350℃で焼成して得られる成形体は、表面を手で触ると粉が付着する、いわゆるチョーキング現象が見られた。圧壊強度が低くかった。活性金属溶液に浸漬すると、成形体から粉が剥離して、溶液が混濁した。
<比較成形体B2 −R>
Mg/Al原子比が1.0のマグネシウム・アルミニウム・ヒドロシキ・カーボネート(商品名MG−50、SASOL社製)粉末77重量部と、コロイダルアルミナ(日産化学製、商品名;アルミナゾル520、Al2O3の含有量;20重量%)の23重量部(アルミナ基準)を混練機に投入して、攪拌しながら加熱して水分を蒸発させて、混練物を調製した。
該混練物をマルメライザーに投入して、直径約4.5mmの球状成形体に造粒し、成形体A1について記載した方法で乾燥して、比較生成形体B2 −Rを調製した。該比較成形体B2 −RのMg/Al原子比は計算値で0.85である。
該比較成形体B2 −Rを950〜1350℃で焼成して得られた成形体にはチョーキング現象はみられなかったが、圧壊強度は1〜2.5kgf/cm2であり、成形体A1〜A4に比較して、数分の1ときわめて弱いものであった。
<比較成形体B3 −R>
Mg/Al原子比が3.5のマグネシウム・アルミニウム・ヒドロシキ・カーボネート(商品名MG−70、SASOL社製)の粉末を転動造粒装置の原料投入口に投入して、回転皿を回転させながら、適量の水を噴霧器にて散布することによって造粒核を形成した。さらに前記粉末と水を継続的に投入して、核を成長させて、直径約4.5mmの球状成形体を調製した。該成形体を乾燥器中で温度100℃にて10時間乾燥させて、比較生成形体B3 −Rを得た。
該比較生成形体B3 −Rを950〜1350℃で焼成して得られた成形体は、強度が弱く、表面が粉っぽく手で摺ると表面より容易に粉が剥離する現象が見られた。
≪焼成体の調製≫
実施例1で得られた各生成形体を、電気炉中、空気雰囲気のもとで、温度950℃、1050℃、1150℃および1350℃で5時間熱処理(焼成)して、成形体を得た。各成形体の圧壊強度(kgf)と比表面積(m2/g)を測定した結果を表1(圧壊強度)および表2(比表面積)に示す。
<成形体触媒CAT1>
実施例1で得た成形体A1(MG−30、1250℃で焼成したもの。直径;3.0mmの球体)を丸底フラスコに100CC採取した。ポアフィリング法による含浸を行うために、予め測定された該成形体の吸水率に基づいて計算された水溶液の量に合致する水溶液を準備した。Rh(NO3)3の水溶液(Rhの濃度;4.48重量%)5.14gに対して、2重量%のNaOH水溶液11.2gと純水32gを加えて調製した<Rh水溶液1>を用意した。前記フラスコを回転させながら、成形体A1にRh水溶液1の全量をゆっくり滴下した。80℃で1時間保持した後、120℃で5時間、乾燥を行った。その後500℃で3時間焼成を行った。次いで500℃で水素還元を行い、ついで950℃、窒素雰囲気下で3時間加熱焼成して、成形体触媒CAT1を得た。
実施例2で得た成形体A2(1250℃で焼成)を使用し、またRh担持量を変えた以外は、前記CAT1の製法と同じ方法にて、成形体触媒CAT2を調製した。得られたCAT2の触媒層の厚さをEPMA分析した結果(図4Aおよび図4B参照)に基づき求めた結果では、約200μmであり、また成形体の内部にはRhは存在していないことが明らかである。該CAT2(触媒全体)のRH担持量は0.21重量%、また触媒層中のRh濃度は計算に基づき0.35重量%と算出された。
Rh/α−Al2O3改質触媒
Rhをα−アルミナに担持した成形体触媒(市販品)について、EPMA分析した結果を図5に示す。
スラリーコート法により、前記成形体A4の表面に触媒粒子よりなる触媒層を固定化して、本発明の成形体触媒を以下のとおり調製した。
触媒粒子および触媒粒子を含むスラリーの調製
MG−70粉末を500℃で焼成したMG/Al原子比3.5のMg−Al複合酸化物粒子(平均粒径;15μm)を用意した。硝酸ロジウム水溶液(苛性ソーダ水溶液を添加してpH4に調整したもの)に、前記粒子を投入して、24時間攪拌を行って、触媒粒子[Rh]/Mg・Al(O)を含むスラリーを調製した。次いで、ろ過分離を行い、触媒粒子のケーキを脱イオン水によって5回洗浄を繰り返して、Naを除去した。触媒粒子のケーキを脱イオン水に分散し、これにポリビニルアルコールを添加し、触媒粒子10重量%を含むスラリーを調製した。
コーテイング
前記生成形体A4 −R(直径3mm)を噴霧造粒機に投入し、これに前記スラリーを噴霧して、成形体の表面に触媒粒子を塗布した。得られた成形体を100℃で乾燥した後、水素流通下、500℃に加熱し、その後850℃で焼成を行って、Rhを含む薄い触媒層を設けた成形体触媒CAT4を調製した。
該CAT4の触媒層の厚さをEPMA分析した結果(図6参照)によれば、Rhは成形体触媒表面から厚さ100μmの範囲に集中的に分布していることが観察される。該CAT4のRh担持量は0.19重量%、触媒層中のRh濃度は計算に基づき0.25重量%と算出された。
本発明の成形体触媒CAT1および参考例触媒CAT3を用いて、下記に示すATR−DSS(Daily Start & Shutdown)試験法によって長期間の活性試験を行った。
<ATR−DSS試験法>
常圧固定床流通式反応装置(反応管の内径21.2mm)に、成形体触媒32mlを充填し、以下に示す条件で耐久試験を実施した:
(前処理条件)
水素と窒素の混合ガス雰囲気下で、常温から900℃まで昇温して2時間維持して、還元処理した後、同雰囲気のもと、700℃まで温度を下げる。
(サイクル試験条件)
反応装置の触媒層の温度を700℃に設定し、反応装置へn−ドデカンと酸素と水蒸気の混合ガス(モル比;1:6:30)を供給して、ATR改質反応を行った。反応の条件は以下のとおりである:
LHSV:25hr−1
水蒸気/カーボン比(S/C):2.5
酸素/カーボン比(O/C):0.5
上記条件にてATR改質反応を5時間行い(工程:1)、
次いで、前記混合ガスの供給量を中止し、その後水蒸気と窒素ガスの混合ガス(モル比=8:1)を投入して、20分間で200℃まで温度を下げ、次いで窒素ガスでパージした後、200℃で30分間保持し(工程:2)、
その後、700℃に昇温する(工程;3)。
以上の工程1と工程2と工程3を1サイクルとし、複数のサイクルを繰り返す。この間のサイクルごとの活性を評価した。
<ATR−DSS試験結果>
CAT1とCAT3を用いて行ったATR−DSS試験(改質反応の合計時間80時間)における、改質反応生成ガス中の水素とエチレンの含有量(モル%)の時間推移を、図7(CAT1の結果)および図8(CAT3の結果)に示す。
本発明の成形体触媒(CAT1)は、図7に示すとおり
生成ガス中の水素濃度は、初期から80時間後まで、61〜60モル%を持続した。
<ATR試験>
実施例2で得られた触媒CAT1、CAT2およびCAT3を、ATR改質反応により評価した。参考例として、触媒CAT5(Ru/Al2O3;Ruをα−アルミナに均一担持した成形体改質触媒。ズード社製RUA)を使用して同様の反応を実施した。
触媒反応管の上部より、原料炭化水素としてガス状の炭化水素(n−C12:ノルマルドデカン)、改質剤として水蒸気及び酸素を供給し、生成ガスの流量及び組成を分析した。
生成ガスの組成(H2、CO、CO2、O2、CH4、エチレン、エタン、プロパン、プロピレン)をガスクロマトグラフィー(FID、TCD)により分析した。また原料炭化水素転化率を以下の式により算出した。
原料炭化水素転化率=100−[(出口CH4、CO及びCO2モル数の総和/分)/(供給n−C12モル数/分)]×100
(注:n−C12の転化率は単位時間あたりにフィードしたn−C12のモル数、並びに、生成したCH4、CO及びCO2の合計モル数より上記式で計算した。)
ATR改質反応試験条件
原料炭化水素:n−C12
n−C12:酸素:水蒸気(モル比)=1:7.2:30
水蒸気/炭素(モル比)=2.5
酸素/炭素(モル比=0.6
触媒の充填量:32cc
LHSV=25hr−1
注:LHSV=[(n−C12の供給量(cc/hr)+H2Oの供給量(cc/hr)]/触媒量(cc)
圧力;常圧
ATR改質反応の結果
表3に示すとおり、CAT1(実施例5A)、CAT2(実施例5B)のいずれも、原料炭化水素(n−C12)の転化率は100%であり、また生成ガス中の水素濃度は60〜62.4モル%であり、700℃における平衡値にほぼ達している。CAT1およびCAT2のRh担持量(それぞれ0.11、0.21wt%)は、参考例1Bに示したCAT3(0.39wt%)に比較して約1/3〜1/2であるが、n−C12の転化率は同等またはそれ以上であり、生成ガス中のエチレン濃度も、CAT3と比較して、低い値であった。
CAT1およびCAT2の成形体の表面層(触媒層)中のRh含有量は、それぞれ0.87wt%、0.35wt%であり、表面に設けた薄膜状の触媒層に大部分のRhが担持されており、前記のような優れた効果を発揮したものと推定される。
<水蒸気改質試験>
実施例3で得られた触媒CAT4を用いて、以下の条件にて、メタンガスの水蒸気改質を実施した。
水蒸気改質反応試験条件
触媒の量 :CAT4(球状成形体触媒)、20ml
供給炭化水素 :メタン(CH4)
CH4/H2Oモル比:1/3
GHSV :4000hr−1
GHSV=[(CH4とH2Oの合計ガス供給量(cc/時)]/触媒量(cc)
温度 :700℃
圧力 :常圧
結果
表3にCAT4を用いて行った水蒸気改質反応の結果(実施例6)を示した。表中の原料炭化水素転化率および生成ガス組成の値は、反応開始から5時間の間の平均値で示した。原料メタンの転化率は100%であり、生成ガス中のエチレン濃度は検出されなかった。スプレーコート法で厚さ100μmの触媒層を設けた成形体触媒CAT4は、触媒全体としてのRh濃度は0.19wt%と、極めて低濃度であるが、優れた改質活性を発揮した。
Claims (17)
- (a) マグネシウムとアルミニウムを、Mg/Al原子比で0.30〜0.49の割合で含有する、Mg−Al複合酸化物で構成された成形体;
(b) 前記成形体の表面に固定された皮膜状の触媒層;および
(c) 前記触媒層に含まれる活性金属;
を含んでなる、炭化水素改質触媒。 - Mg−Al複合酸化物が、(i)マグネシウムとアルミニウムをMg/Al原子比で0.30〜0.49の割合で含有する下記式(1)で表されるハイドロタルサイト様化合物、または(ii)前記ハイドロタルサイト様化合物とアルミナ前駆体との混合物、のいずれかを焼成することによって得られる生成物(焼成生成物)である、請求項1に記載の炭化水素改質触媒。
式(1)[Mg(1−X) AlX(OH)2]・(A)X/n・mH2O
(式1中、xは0.67〜0.77であり、Aは電荷nのアニオンであり、nは1または2であり、mは0または正数である。) - Mg−Al複合酸化物が、MgAl2O4とアルミナとの混合物であって、該混合物のMg/Al原子比が0.30〜0.49である、請求項1〜2のいずれかに記載の炭化水素改質触媒。
- 触媒層が、前記成形体(a)に活性金属を含む溶液を含浸して、形成された触媒層である、請求項1〜3のいずれかに記載の炭化水素改質触媒。
- 触媒層が、耐熱性無機酸化物に活性金属を担持してなる触媒粒子を前記成形体(a)上に固定化して、形成された触媒層である、請求項1〜3のいずれかに記載の炭化水素改質触媒。
- 活性金属が、Rh、RuおよびNiから選択される、いずれか1種または2種以上である、請求項1〜5のいずれかに記載の炭化水素改質触媒。
- 触媒全体に対する活性金属の担持量が、0.05〜15重量%である、請求項1〜6のいずれかに記載の炭化水素改質触媒。
- 触媒層に含まれる活性金属の割合が、触媒全体に含まれる活性金属の60重量%以上である、請求項1〜7のいずれかに記載の炭化水素改質触媒。
- 触媒層の厚さが20〜300μmである、請求項1〜8のいずれかに記載の炭化水素改質触媒。
- 成形体が、球状、半球状、柱状、円筒状、ペレット、ハニカム構造体のいずれかである、請求項1に記載の炭化水素改質触媒。
- 球状成形体触媒が少なくとも5kgf以上の圧壊強度(JIS Z 8841-1993)を有する、請求項10に記載の炭化水素改質触媒。
- 炭化水素を水蒸気改質またはオートサーマル改質して、水素を製造するための触媒である、請求項1〜11のいずれかに記載の炭化水素改質触媒。
- (a) マグネシウムとアルミニウムを、Mg/Al原子比で0.30〜0.49の割合で含有する、Mg−Al複合酸化物で構成された成形体;
(b) 前記成形体の表面に固定された皮膜状の触媒層;および
(c) 前記触媒層に含まれる活性金属;
を含んでなる請求項1〜12のいずれかに記載の炭化水素改質触媒の製造方法であって、下記の工程:
工程1) 下記式(1)で表され、Mg/Al(原子比)0.30〜0.49の(i)ハイドロタルサイト様化合物、もしくは(ii)前記ハイドロタルサイト様化合物とアルミナ前駆体との混合物の、いずれかを用いて、成形体を形成する工程;
式(1)・・・[Mg(1−X) AlX(OH)2]・(A)X/n・mH2O
(式1中、xは0.67〜0.77であり、Aは電荷nのアニオンであり、nは1または2であり、mは0または正数である。)
工程2) 工程1で得られた成形体を乾燥する工程;
工程3) 工程2で得られた成形体を、500〜1400℃の範囲の温度に加熱して、Mg/Al 原子比が0.30〜0.49のMgAl2O4とアルミナとの混合物に変換する工程;
工程4) 工程3で得られた成形体に、Ni、RhおよびRuの少なくとも1種の活性金属の前駆体を含む溶液を含浸し皮膜を形成する工程;および
工程5) 工程4で得られた皮膜付着成形体を、600〜950℃の範囲の温度に加熱して皮膜を固定化して触媒層を形成する工程;
を含む、前記炭化水素改質触媒の製造方法。 - 工程4の含浸処理を、ポアフィリング法で行う、請求項13に記載の炭化水素改質触媒の製造方法。
- (a) マグネシウムとアルミニウムを、Mg/Al原子比で0.30〜0.49の割合で含有する、Mg−Al複合酸化物で構成された成形体;
(b) 前記成形体の表面に固定された皮膜状の触媒層;および
(c) 前記触媒層に含まれる活性金属;
を含んでなる請求項1〜12のいずれかに記載の炭化水素改質触媒の製造方法であって、下記の工程:
工程I) 下記式(1)で表され、Mg/Al(原子比)0.30〜0.49のハイドロタルサイト様化合物、もしくは該ハイドロタルサイト様化合物とアルミナ前駆体との混合物を用いて、成形体を形成する工程;
式(1)・・・[Mg(1−X) AlX(OH)2]・(A)X/n・mH2O
(式1中、xは0.67〜0.77であり、Aは電荷nのアニオンであり、nは1または2であり、mは0または正数である。)
工程II) 工程Iで得られた成形体を乾燥する工程;
工程III) 工程IIで得られた成形体に、Ni、RuおよびRhの少なくとも1種の活性金属を担持した耐熱性無機酸化物よりなる触媒粒子を含むスラリーを塗布して皮膜を形成する工程;および、
工程IV) 工程IIIで得られた皮膜付着成形体を、600〜950℃の範囲の温度で加熱して、成形体を、Mg/Al(原子比)0.30〜0.49の割合で含有する、Mg−Al複合酸化物に転化するとともに、成形体の表面に、触媒粒子の皮膜を固定化して触媒層を形成する工程;
を含む、前記炭化水素改質触媒の製造方法。 - 工程IIIで使用する耐熱性無機酸化物が、Mg/Al原子比が0.3〜3.5のMg−Al複合酸化物である、請求項15に記載の炭化水素改質触媒の製造方法。
- 請求項1〜12のいずれかに記載の触媒と、炭化水素成分及び改質剤を含む原料ガスとを接触反応させる工程を含む、炭化水素の改質方法。
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