JPH04182302A - 水素の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はナフサ、天然ガス、ＬＰＧ、都市ガス等の炭化
水素を主成分とする原料を水蒸気改質して水素を製造す
る方法に関するものであり、特に半導体エピタキシャル
用及びシリコン単結晶用等のＩＣ用途に用いる純度が９
９．９９％以上の高純度水素にも適する製造方法に関す
る。

〔従来の技術及びその課題〕

ナフサ、天然ガス、ＬＰＧ等より水蒸気改質反応を利用
して水素を製造する方法は工業的に広く用いられている
。

この方法は、改質器に原料の炭化水素と水蒸気を連続的
に供給し、７００〜９００℃に加熱された触媒層におい
て、次式に示すような水蒸気改質反応により、Ｈ２，Ｃ
ｏ、　ＣＯ□、　ＣＨ４，ＨｚＯの混合ガスを製造する
ものである。この混合ガスは更にＣＯ変成器、脱炭酸装
置、メタン化装置により分離・精製されて水素ガスが製
造される。

分離・精製法として上記混合ガスを冷却し、水蒸気を凝
縮分離後、水素選択透過性膜により水素を透過させて分
離採取する方法も公知である。

炭化水素の水蒸気改質反応は一般に次の（１）〜（３）
式に従う。

％式％（１） ＣＨ４＋　Ｈ，０≠Ｃｏ　＋３Ｈ２・・・（２）ＣＯ＋
　Ｈ２Ｏ≠Ｃｏ２＋Ｉ＋□　　　　　　・・・（３）（
２Ｌ　（３）の反応は可逆的であり、この熱力学的平衡
より、水素の多いガスを製造するためには高温の条件が
必要である。この方法では次のような問題点を有してい
る。

■　（２Ｌ　（３）弐の反応（以下水素生成反応という
）が可逆的であるため、改質ガスは１１□、　ｃｏ、　
ｃｏ□。

ＣＨ，、ｌｈｏの混合ガスとなる。従って、純度の高い
Ｉｈガスを製造するためには、改質ガスを一旦、系外に
取り出し、分離、精製により１１□ガスを製造する必要
がある。即ち、改質器のほかに分離・精製装置を設ける
必要があり、工程が複雑となる。

■　（２）、　（３）の水素生成反応率を向上させるた
め反応温度を７００℃〜９００℃としあるいは水蒸気／
炭化水素比を高くする必要がある。しかし、水素生成反
応の可逆性から熱力学平衡値を越える転化率は不可能で
ある。

■　装置全体が大型化すると共に、加熱用燃料を多く必
要とする。

■　水蒸気改質用触媒は７００〜９００℃の耐熱性が要
求される。

以上のように、上記技術では高温反応（７００〜９００
℃）を起こさせるため、改質器が大型化し、かつ材料の
耐熱性も必要である。また、エネルギーコストが増大す
る。

上記技術の問題点を解決する方法として、壁の１部を水
素選択透過性膜で形成し、かつ水蒸気改質触媒を内蔵し
た反応器に炭化水素及び水蒸気を導入して接触反応させ
、同時に反応生成ガス中の水素を該水素選択透過性膜を
透過させて分離採取する水素製造方法が知られている（
特開平１−２１９００１号公報）。

この方法によれば、反応と同時に生成水素を反応系外に
除去するため、上記（１）〜（３）式で示す平衡が生成
側に移動し、 ■　水素収率が熱力学的平衡値よりも増大する、■　反
応温度を低下させることができる、■　反応後の分離・
精製操作の省略が可能となる、 ■　これらを通して省エネルギープロセスが実現する等
の長所を持っている。

しかしながら、この方法は次に記すような欠点を持って
いる。

■　一般に水素の膜分離の場合、膜用透過側水素分圧と
膜透過側水素分圧の差が大きくなるほど水素透過量か増
大するが、炭化水素の水蒸気改質反応生成ガス中には通
常水蒸気が２０〜６０　Ｖｏ１％残存し、水蒸気の存在
しない場合に比較してこのふん膜用透過側水素分圧が小
さく、膜透過側の水素分圧との差が小さくなり、水素の
膜透過による回収率（生成水素量に対する透過水素の比
率）に限界がある。

水蒸気改質反応生成ガス中の水蒸気残存量を減少させる
ために、反応器に供給する水蒸気と原料炭化水素のモル
比を小さくすることも考えられるが、このようにすると
改質触媒上に炭素が析出し易くなり、触媒寿命が低下す
るため、改質反応生成ガス中の残存水蒸気をなくすこと
は実用上不可能である。

■　水蒸気改質反応生成ガス中の膜用透過側水素分圧と
膜透過側の水素分圧の差を大きくするために透過ガス側
をアルゴンガス等の不活性ガスでパージし、透過側の水
素分圧を低下させる方法が知られているが、この場合、
製品水素中にアルゴンガス等が混合し、不純物濃度を高
める原因となる。

本発明は炭化水素を主成分とする原料の水蒸気改質によ
る水素の製造において前記従来技術に比較し、高い水素
回収率を与える水素の製造方法を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

即ち本発明は、壁の１部を水素選択透過性の第１の膜で
形成し、且つ水蒸気改質触媒を内蔵した反応器に炭化水
素及び水蒸気を導入して３００〜７００℃で接触反応さ
せ、同時に反応生成ガス中の水素を該第１の膜を透過さ
せ分離し、反応器に残存した水素及び水蒸気を含む非透
過ガスを取り出し冷却して水蒸気を凝縮分離させた後、
このガスから水素を水素選択透過性の第２の膜で分離す
ることを特徴とする水素の製造方法である。

本発明で用いる第１の膜及び第２の膜の材料はＰｃｌ又
は八ｇ、＾ｕ、　Ｃｕ等を含むＰｄ合金が望ましい。

これらの膜は水素ののを透過さ−ヒるため９９．９９％
以上の高純度水素を一挙に得ることができる。

純Ｐｄ膜の場合、Ｈ２存在下では３００℃以下で加熱・
冷却を繰り返すと膜は１１□の吸蔵・放出を繰り返すた
め変形し遂には破壊されやすいが、前記Ｐｄ合金膜は３
００″Ｃ付近での低温での１１□の吸蔵・放出による変
形がなく、耐久性に優れており、特に第２の膜として好
ましい。

第１の膜及び第２の膜の材料としては、旧、Ｃ。

の１種又は２種とＶとからなる合金膜の表面にＰｄ又は
Ｐｄ合金を被覆させた水素分離膜（特開平１−２６２２
９４号公報）でも良い。

更に、第１の膜及び第２の膜の材料としては、多孔質体
の表面にＰｄ薄膜を、Ｐｄ薄膜上にＣｕ薄膜をそれぞれ
化学メツキ法によって形成させ、次いで加熱処理を行う
方法により得られたＰｄ　−Ｃｕ膜が知られており（特
開昭６３−２９４９２５号公報）、この膜を用いても良
い。

Ｐｄ合金膜が代表する膜の形状は、反応器が一般に円筒
形状であるところから、円筒形が好ましく、場合によっ
ては中空糸繊維状にして多数本束ねた膜モジュールが膜
面積の増大と単位面積当たりのガス透過量を増大させる
ことができるところから、更に好ましい。

何れの場合も通常円筒外周側から円筒内部側へ水素が透
過するようこれらの膜を用いるのが一般的である。

本発明で使用する水蒸気改質触媒はＲｈ、　Ｒｕ。

Ｎｉ、　Ｉｒ、　Ｐｄ、　Ｐｔ、　Ｒｅ、　Ｃｏ、　Ｆ
ｅ等の金属が担体に担持されたものが一般的である。こ
のうち、特にＮｉ、　Ｒｕ等を含むものが好ましい。こ
の担体は耐熱性酸化物を含有するのが好ましく、特にア
ルミナ、マグネシア及び／又は酸化ランタンが適してい
る。これらは触媒金属の耐熱性を向上させると共に、触
媒の活性劣化の原因となる炭素析出を抑制する等の効果
がある。

本発明における水蒸気改質反応の温度は、高いほど水素
生成反応が促進されるが、３００〜７００℃の範囲でよ
く、従来技術の７００〜９００℃に比較して低い。本発
明を５５０〜７００℃て実施する場合は従来技術の水蒸
気改質触媒を用いても良いが、３００〜５５０℃で実施
する場合はこれよりも低温活性の優れた触媒を用いる方
が良い。この場合は、特に担体たる耐熱性酸化物へのＲ
ｕ、　Ｎｉ等の触媒金属の分散性を向」ニさせたものが
良く、Ｎｉは触媒金属中３０〜９０ｗ　ｔ％、好ましく
は６０〜８０ｗ　ｔ％とするのが反応収率上好ましく、
−船釣に使用されている炭化水素の水蒸気等によるメタ
ン化用触媒は本発明を反応温度３００〜５５０℃で実施
する際の活性に優れていて適当である。

触媒の製造方法には周知の含漬法、混練法、沈澱法等が
あり、いずれも適する。

触媒の形状は特に制限はなく、従来知られる球、タブレ
ット、リング等の何れの形状のものでも使用できる。

原料である炭化水素としては、ナフサ、ＬＰＧ、天然ガ
ス、都市ガス等が使用できる。原料中の硫黄は触媒を被
毒させるため、硫黄含有原料は触媒を通過する前に脱硫
を行うのが良い。

本発明の反応圧力は特に制限はないが、原料側（膜用透
過側）圧力が膜透過側圧力より高く、圧力差が大きいほ
ど水素透過速度が大きくなり好ましい。しかし、原料側
圧力と膜透過側圧力との圧力差の」１限は、膜の強度に
より制限を受ける。

本発明では、水蒸気改質反応による生成ガス中の水素に
第１の膜を透過させた後に、反応器内に残存した水素及
び水蒸気を含む非透過ガスを取り出して冷却して水蒸気
を凝縮分離してから、これを第２の膜を透過させて分離
するが、この第２の膜の材料、形状、ガス透過条件（膜
温度、膜透過側圧力と膜透過側圧力との圧力差等）は第
１の膜と同じで良いが、特に膜温度については３００〜
５００℃が実用的で好ましい。

第１の膜及び第２の膜の高圧側と低圧側でのガスの流れ
形態としては並流型、向流型、交差流型等があるが、特
に向流型が好ましい。

第１の膜及び第２の膜と反応器等との接合には溶接式、
フランジ式、ねし込み式、オーリング式等があるが、製
品ガスとして純度９９．９９９Ｖｏ１％以上の高純度水
素を目的とする場合は溶接式水蒸気改質反応器の加熱器
としては通常はノ＼−ナーによる火炎燃焼方式を用いる
が、触媒燃焼方式でも良い。又、他の高温ガス源を利用
するものでもよい。

本発明では多くのプロセス流体を加熱する必要があるが
、水蒸気の発生及び原料炭化水素の加熱には水蒸気改質
反応器加熱炉からの高温燃焼排ガスを用い、第２の膜に
供給するガスひいては第２の膜の加熱には、水蒸気改質
反応器からの高温の膜非透過ガスを用い、また第２の膜
の非透過ガス中にはＨ２，ＣＨ，、ＣＯ等の可燃性ガス
が残存するので反応器用加熱炉の燃料源とすることによ
り、熱効率の高い省エネルギープロセスとすることがで
きる。

〔作用〕 本発明では、メタンに代表される炭化水素と水蒸気が水
蒸気改質触媒により反応し、反応生成ガス中の水素の１
部がＰｄ合金膜で代表される第１の水素選択透過性膜（
第１の膜、）を透過して高純度で触媒床外に取り出され
、反応効率が高められる結果、水素生成量が向上し、反
応温度を低下させ得ることから装置材料の耐熱性が緩和
され、また触媒活性がより長く維持される。

また、上記第１の膜の非透過ガス中の水蒸気を冷却除去
した後の水素を含むガスからＰｄ合金膜で代表される第
２の水素選択透過性膜から再び高純度水素を取り出し、
前記第１の膜を透過させた水素と合流させることにより
、水素回収量を増大させることができる。

〔実施例〕

以下実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明
はこれらに限定されるものではない。

実施例１，２ 以下の実施例は図１に示す試験装置によって実施したの
で図１を参照しながら説明する。

本発明の製造装置の１例である反応器は、外径２ｍｍ、
内径１．６ｍｍの先端を閉じたＰｄ合金管を１３本束ね
た膜１８（１本に略記）と、外槽１４との間にＮｉ／Ａ
ｈＯ＋系改質触媒１６を９２２ｇ内蔵している。

水蒸気とメタンのモル比（Ｓ／Ｃ比）を３とした水蒸気
・メタン混合ガスが導管１０により反応器１００に供給
される。混合ガスは反応器ヒーター１２で加熱され、触
媒床１６で改質反応を行い、生成水素の１部は膜１８を
透過して導管２０より排出される。

反応生成ガス中の膜非透過ガスは導管２２より排出され
、冷却器２４により水蒸気は擬縮水４２となり、気液分
離器２８より排出される。

水蒸気が除去された反応生成ガスは導管３０により膜分
離器２００に供給される。膜分離器２００には膜１８と
類似のＰｃ１合金管から成る膜３６が内蔵され、膜温度
は膜分離器ヒーター３２により４００℃に保持されてい
る。

反応生成ガス中に残存した水素は膜３６を透過して導管
３８より排出され、導管２０より排出された水素ととも
に導管４４に流入し、純度がガスクロマトグラフにより
測定され、流量が流量計により測定された後に廃ガス燃
焼器で燃焼され、排出された。

膜３６の非透過ガスは導管４０に排出され、ガスクロマ
トグラフにより組成分析され、流量が流量計により測定
された後に廃ガス燃焼器で燃焼され排出された。

反応温度、膜１８及び膜３６の膜面積、反応器１００で
の接触時間、水素回収量／供給メタン量を表１に示した
。尚、水素回収量とは導管２０及び導管３８より排出さ
れ導管４４に流入した水素の合計量である。

又、他の試験条件は下記の通りである〜。

試験条件：反応圧力　８ｋｇ／ｃｍ”Ｇ膜透過側圧力　
０ｋｇ７ｃｍ２Ｇ 比較例１，２．３ 比較例として実施例１．２で用いた膜分離器２００を除
去し、接触時間と第１の膜の面積を変え、第２の膜を内
蔵する膜分離器を使用しないこと以外は全て同じ条件で
試験した結果を表１に示した。

比較例４，５ 比較例として実施例で用いた第１の膜の代わりに先端を
閉じた金属管を用い、導管２０より排出されるガス量を
ゼロとし、全ての反応生成ガスは、導管２２より排出さ
れるようにし、膜２の面積を増大させた以外は全て同じ
条件で試験した結果を表１に示した。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明に用いる水素製造装置の一例を示す概略図
である。 １０・・・原料供給導管 １６・・・触媒床 １８、３６・・・Ｐｃ１合金膜 ２０、３８．４４・・・Ｐｄ合金膜透過ガス（高純度水
素）出口導管 ２２、４０・・・Ｐｄ合金膜非透過ガス出口導管２４・
・・冷却器 ２Ｂ・・・気液分離器 ４２・・・凝縮水 １００・・・反応器 ２００・・・膜分離器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　壁の１部を水素選択透過性の第１の膜で形成し、且
   つ水蒸気改質触媒を内蔵した反応器に炭化水素及び水蒸
   気を導入して３００〜７００℃で接触反応させ、同時に
   反応生成ガス中の水素を該第１の膜を透過させて分離し
   、反応器に残存した水素及び水蒸気を含む非透過ガスを
   取り出し冷却して水蒸気を凝縮分離させた後、このガス
   から水素を水素選択透過性の第２の膜で分離することを
   特徴とする水素の製造方法。