JP5611627B2 - 膜分離型反応器、膜分離型水素製造装置及び水素の製造方法 - Google Patents
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Description
外表面に水素分離膜を有する水素分離膜管と、該水素分離膜管の外側に配置された内管と、該内管の外側に配置された外管とを具え、
前記水素分離膜管と前記内管との間の空間が、当該膜分離型反応器の一端で、前記内管と前記外管との間の空間と連通しており、
前記内管と前記外管との間の空間には、水蒸気改質触媒が充填されており、炭化水素と水蒸気の混合ガスが供給され、
前記水素分離膜管と前記内管との間の空間には、水蒸気改質触媒又はシフト反応触媒が充填されていることを特徴とする。
前記内管と前記外管との間の空間に炭化水素と水蒸気の混合ガスを供給して、水蒸気改質反応により水素を主成分とする改質ガスを生成させ、
次に、前記改質ガスを前記水素分離膜管と前記内管との間の空間に供給し、前記水素分離膜により水素を選択的に透過させて水素を取り出し、さらに、水素が分離された改質ガスを前記水素分離膜管と前記内管との間に充填された水蒸気改質触媒又はシフト反応触媒に接触させて水素を更に生成させ、前記水素分離膜により水素を選択的に透過させて水素を取り出す
ことを特徴とする。
改質反応により水素を製造するための原料となる炭化水素としては、沸点が300℃以下の炭化水素及びそれらの混合物を用いることができる。例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、天然ガス、LPガスなどの常温で気体状態の炭化水素の他、ナフサ留分、ガソリン留分、灯油留分、軽油留分などの常温で液体状態の石油系炭化水素を用いることができる。
本発明に用いる水蒸気改質触媒としては、通常の水蒸気改質触媒を用いることができる。例えば、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Ir、Ptのうちから選ばれる少なくとも1種の触媒活性成分を、Mg、Al、Si、Ti、Zr、Ba、Laの酸化物および/または水和酸化物から選ばれた少なくとも1種の担体成分を含む担体に担持したものを使用することができる。コーキングの発生を抑制する点から、触媒活性成分としてRuやRhの使用が好ましい。
さらに、内管12と水素分離膜管11の間に、上述した水蒸気改質触媒又はシフト反応触媒、好ましくはシフト反応触媒を充填して、シフト反応触媒層15とする。このシフト反応触媒層15において、水素分離膜管11により水素が分離され水素分圧が低下した改質ガスは、さらに水素を生成させるとともに、水素分離膜管11により水素を分離することで、より高効率で水素を分離精製することができる。なお、シフト反応触媒層15の温度は、350℃以上600℃未満とすることが好ましく、350〜550℃とすることが更に好ましい。
本発明に用いる水素分離膜管11は、外表面に水素分離膜を有する。該水素分離膜としては、水素の選択的透過性を有する材料であれば特に限定されないが、高い水素透過選択性を有するパラジウム膜、パラジウム合金膜が好ましく、パラジウム−銅、パラジウム−銀などのパラジウム合金膜がより好ましい。
本発明の膜分離型反応器又は膜分離型水素製造装置を用いた水素の製造方法は、次のように行う。上記の炭化水素と水蒸気の混合ガスを、まず、内管12と外管13との間の水蒸気改質触媒層14に供給し、水蒸気改質反応を行い、水素を主成分とする改質ガスを生成させる。ここで、炭化水素と水蒸気の比率は、スチーム/カーボン比(S/C比)として2.5〜4.0の範囲が好ましく、2.8〜3.5の範囲がより好ましい。S/C比が低い状態ではコーキングが発生し、水蒸気改質触媒の活性を低下させてしまう。また、S/C比が必要以上に高い場合は、水素濃度を低下させてしまい、効率を低下させてしまう。
11 水素分離膜管
12 内管
13 外管
14 水蒸気改質触媒層
15 シフト反応触媒層
16,27 炭化水素と水蒸気の入口部
17,29 非透過ガスの出口部
18,28 製品水素の水素出口部
19A,19B 隔壁
20 膜分離型水素製造装置
21 加熱用シェル
22 加熱ガス用の入口部
23 加熱ガス用の出口部
24 炭化水素と水蒸気の混合ガス用流路
25 製品水素用流路
26 非透過ガス用流路
41 冷却管
51 焼結フィルター部
52 金属管
53 バリア層
54 パラジウム又はパラジウム合金の膜
Claims (5)
- 外表面に水素分離膜を有する水素分離膜管と、該水素分離膜管の外側に配置された内管と、該内管の外側に配置された外管とを具え、
前記水素分離膜管と前記内管との間の空間が、当該膜分離型反応器の一端で、前記内管と前記外管との間の空間と連通しており、
前記内管と前記外管との間の空間には、水蒸気改質触媒が充填されており、炭化水素と水蒸気の混合ガスが供給され、
前記水素分離膜管と前記内管との間の空間には、水蒸気改質触媒又はシフト反応触媒が充填されていることを特徴とする、
膜分離型反応器。 - 前記水素分離膜管が、焼結フィルター部を有する金属管の焼結フィルター部上にバリア層を設け、該バリア層の上にパラジウム又はパラジウム合金の膜を配したものであることを特徴とする請求項1に記載の膜分離型反応器。
- 加熱炉又は加熱用シェルを具え、該加熱炉又は加熱用シェル内に請求項1又は2に記載の膜分離型反応器が複数配置されていることを特徴とする、膜分離型水素製造装置。
- 請求項1又は2に記載の膜分離型反応器、或いは、請求項3に記載の膜分離型水素製造装置を用いる水素の製造方法であって、
前記内管と前記外管との間の空間に炭化水素と水蒸気の混合ガスを供給して、水蒸気改質反応により水素を主成分とする改質ガスを生成させ、
次に、前記改質ガスを前記水素分離膜管と前記内管との間の空間に供給し、前記水素分離膜により水素を選択的に透過させて水素を取り出し、さらに、水素が分離された改質ガスを前記水素分離膜管と前記内管との間に充填された水蒸気改質触媒又はシフト反応触媒に接触させて水素を更に生成させ、前記水素分離膜により水素を選択的に透過させて水素を取り出す
ことを特徴とする水素の製造方法。 - 前記炭化水素が、ナフサ留分、ガソリン留分、灯油留分、軽油留分からなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項4に記載の水素の製造方法。
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