JPH05193903A - 水蒸気改質反応器 - Google Patents

水蒸気改質反応器

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JPH05193903A JP4008158A JP815892A JPH05193903A JP H05193903 A JPH05193903 A JP H05193903A JP 4008158 A JP4008158 A JP 4008158A JP 815892 A JP815892 A JP 815892A JP H05193903 A JPH05193903 A JP H05193903A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 水素分離型水蒸気改質反応器に関する。 【構成】 炭化水素や含酸素炭化水素が原料として供給
され、水蒸気改質反応によって水素を製造する反応器で
あって、水素分離膜を水蒸気改質反応触媒層内に内蔵
し、圧力差によって水素を選択的に分離しながら反応を
進行させる水素分離型の水蒸気改質反応器において、該
触媒層の上流側に該水素分離膜を内蔵しない領域を設
け、該領域より下流側の領域に前記水素分離膜を内蔵さ
せてなる水素分離型水蒸気改質反応器。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は水素分離型水蒸気改質反
応器に関する。
【0002】
【従来の技術】水蒸気改質反応器では触媒を用いてメタ
ンやメタノール等の炭化水素や含酸素炭化水素からなる
原料ガスを、水蒸気改質反応とCOシフト反応によって
水素、一酸化炭素及び二酸化炭素に分解する。例えば、
メタン等の炭化水素からなる原料ガスはスチームと混合
後、触媒層に導入され下記反応で水素、一酸化炭素及び
二酸化炭素に分解される。 CnHm+ nH2 O= nCO +( n+m/2)H2 (1) CnHm+2nH2 O= nCO2 +(2n+m/2)H2 (2) CnHm+ nCO2 =2nCO + m/2 H2 (3)
【0003】これら原料ガスの水蒸気改質反応は吸熱を
伴う平衡反応であり高温ほど反応が進む。また、その反
応量や反応速度は原料ガス濃度、反応生成物である水素
や一酸化炭素の濃度及び反応温度、圧力に影響される。
例えば、原料ガスの反応量を向上させるためには、原料
ガス濃度を上げ反応生成物濃度を下げ、低圧かつ高温で
反応させる必要がある。そこで、従来の水蒸気改質反応
器では主に反応温度を高く設定することによって原料ガ
スの反応量を確保していた。例えば、メタンの水蒸気改
質反応器では出口温度が約800℃に設定される。この
ため、このような反応器では反応器材料として高温に耐
えられるものが必要であり高価になる問題があった。
【0004】そこで、従来の反応器に比べ低温で反応さ
せるために、反応平衡を崩しながら原料ガスの分解を進
めるタイプの反応器、すなわち水素分離型水蒸気改質反
応器が提案されている。この反応器は反応器の触媒層内
に水素を選択的に分離する膜を内蔵したものであり、前
記水蒸気改質反応(1)〜(3)が進行した結果発生す
る水素を、内蔵した水素分離膜を通して選択的に反応系
外へ分離する機能を有する。このため、低温であっても
水素が分離される限り反応が平衡に達することなく進行
することになる。
【0005】水素分離膜はパラジウム単独、パラジウム
銀合金など、あるいはこれら金属をセラミックスのよう
な多孔質無機材料へコーティングしたもの、または焼結
金属のような金属材料からなる多孔質体へコーティング
したものが用いられる。これらの水素分離膜では、透過
側と非透過側との水素分圧差によって水素が膜内を移動
する現象を利用して水素を分離しているもので反応側と
透過側とに圧力差をつける必要がある。
【0006】水素分離型水蒸気反応器の従来例を図6〜
図8によって説明する。図6は従来の水素分離型水蒸気
改質反応器の一態様の説明図、図7は図6に設定される
水素分離膜の一態様の説明図、図8は他の水素分離型水
蒸気改質反応器の一態様の説明図である。
【0007】以下では、メタンの水蒸気改質反応を例
に、該反応器の構造と機能を説明する。1はシェル&チ
ューブ型の水素分離型水蒸気改質反応器であり複数本の
触媒管2(図7参照)と胴部22から構成される。該触
媒管2は改質触媒層4とほぼ中央に水素分離膜3を有
し、胴部22へ管板20、20′によって固定されてい
る。水素分離膜3は管状であり触媒層4から外の領域は
素管3′で構成され管板21によって胴部22へ固定さ
れている。メタンとスチームとの混合ガス5は反応ガス
入口ノズル6から該反応器1の上部空間19へ供給さ
れ、分散後、分散混合ガス5′として改質触媒層4へ導
入される。該触媒層4では前記改質反応(1)〜(3)
が進行し主に水素と二酸化炭素が生成する。このうちの
水素だけが水素分離膜3を介して該分離膜3の透過側7
へ分離される。反応後の未反応ガス9は触媒層4から流
出し、空間23に集まり、反応ガス出口ノズル10より
未反応ガス9′として反応器1外へ排出される。
【0008】一方、分離された水素は透過側7から流出
し、分離水素8として該反応器1の管板21で区切られ
た下部空間18を経て水素出口ノズル17より分離水素
8′として排出される。この際、透過側7は触媒層4よ
り圧力を低く保たれ、触媒層4側より水素分圧が低くな
るように運転される。
【0009】水蒸気改質反応は前記のごとく多量の反応
熱を伴う吸熱反応であり触媒管2を管外から加熱するこ
とによって反応熱を供給する必要がある。このため、こ
こでは高温の燃焼排ガス11を加熱ガス入口ノズル12
より反応器1の胴側13へ導入することで反応熱を供給
している。胴側13へ供給された燃焼ガス11′は該胴
内に配設されたバッフル14によってその流路が触媒管
2にほぼ垂直となるように制御され流れる。これによっ
て、該燃焼排ガス11′と触媒管2との伝熱が促進し効
率よく触媒管2を加熱することができる。燃焼ガス1
1′は触媒管2を加熱後、燃焼ガス出口ノズル15より
排ガス16として排出される。
【0010】図8の態様例では、水素分離膜3で透過側
7へ分離した水素を払出すのに不活性ガス24を用いる
場合を示す。ここでは、不活性ガス24を供給するため
に胴部22に不活性ガス入口ノズル25を設け、不活性
ガス供給管26を管状の水素分離膜3内に設けている。
他の構造及び機能は前記図7、図8の態様に同じであ
る。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】図9、図10に触媒層
内と水素分離膜の透過側における水素分圧を示す。図9
は図7、図8における水素分圧の変化、また、図10は
図8における変化である。両ケースともに触媒層側は次
第に水素分圧が増加するが、水素分離膜からの水素透過
速度と触媒層における水素の生成速度とが釣りあった位
置で水素分圧は頭打ちとなる。これ以降は原料ガスの多
くが分解し、反応平衡に近くなるため水素が透過する量
だけ反応が進行することになり水素分圧は徐々に低下す
るもののほぼ一定値となる。一方、透過側は触媒層入口
部が水素分圧が高く、出口側が低く、入口側では触媒層
側の方が透過側よりも水素分圧が低くなっている。この
ことから次の問題点が生じる。
【0012】(1)触媒層の入口側では水素分圧が透過
側より小さくなり、透過側から触媒層側への水素の逆流
が生ずるため、触媒層での反応速度が小さくなる。 (2)また、逆流した量だけ回収水素量が少なくなり水
素分離膜の効率を下げている。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は炭化水素や含酸
素炭化水素が原料として供給され、水蒸気改質反応によ
って水素を製造する反応器であって、水素分離膜を水蒸
気改質反応触媒層内に内蔵し、圧力差によって水素を選
択的に分離しながら反応を進行させる水素分離型の水蒸
気改質反応器において、該触媒層の上流側に該水素分離
膜を内蔵しない領域を設け、該領域より下流側の領域に
前記水素分離膜を内蔵させてなることを特徴とする水蒸
気改質反応器である。
【0014】すなわち、本発明の水蒸気改質反応器は触
媒層入口部に水素分離膜のない伝熱部を設け、水素分離
膜は伝熱部以降に設定するようにしたものである。
【0015】
【作用】このように水素分離膜を配置することによっ
て、前記触媒層入口部での水素分圧逆転部がなくなり、
水素の逆流を妨げるため触媒層での反応速度の低下、膜
の分離効率低下も防ぐことができる。
【0016】
【実施例】
(実施例1)本発明の一実施例を図1、図2により説明
する。図1は本発明の一実施例の装置の説明図、図2は
図1に設置される水素分離膜の一実施例の説明図であ
り、基本的には従来技術として説明した図6、図7の構
造と同じであるので、以下では本発明に係る構造の相違
とその作用を主に説明する。
【0017】原料ガスとなるメタンとスチームとの混合
ガス5は原料ガス入口ノズル6より反応器1へ導入され
触媒層4へ供給される。触媒層4の入口部には水素分離
膜3が設置されていない領域、すなわち伝熱部4aが設
けられ、原料ガスとスチームが前記水蒸気改質反応
(1)〜(3)によって主に水素と二酸化炭素に分解さ
れる。この領域には水素分離膜3がないため、水素が水
素分離膜3の透過側7より逆流し触媒層4の水素分圧を
上げ反応速度を低下させることはない。
【0018】伝熱部4aを通過後の水素分圧は透過側7
の水素分圧より高くなっており、伝熱部4aの下流に設
置された水素分離膜3を介して水素は効率よく触媒層4
より透過側7へ透過する。
【0019】以上の通り、本発明に係る実施例によれ
ば、触媒層の入口部に水素分離膜のない伝熱部を設けた
ことによって、水素の透過側から触媒層側への逆流を防
ぎ、水蒸気改質反応の促進と水素分離の効率を向上させ
ることができる。
【0020】(実施例2)次に、図3によって他の実施
例を説明する。この実施例は、図8に示した従来例を改
良したものである。その構造、機能は、基本的には従来
例と同じであるため詳細説明は省き、主に本発明に係る
構造の相違と作用の説明をする。
【0021】この実施例では触媒層2の入口部に水素分
離膜3のない触媒層だけの伝熱部4aを設けてあるた
め、実施例1と同様に、水素の逆流による触媒層4での
水素分圧とそれに伴う反応速度の低下はない。このた
め、水蒸気改質反応の促進と水素分離の向上につなが
る。
【0022】図4(実施例1)及び図5(実施例2)に
水素分圧変化を示すが、従来例に示したような触媒層入
口部での触媒層と透過側との水素分圧の逆転はない。
【0023】
【発明の効果】触媒層入口部に水素分離膜のない伝熱部
を設け、水素分離膜を伝熱部以降に設定する。このよう
に水素分離膜を配置することによって、触媒層入口部で
の水素分圧逆転することがなく、水素の逆流もないため
触媒層での反応速度の低下、膜の分離効率低下も防ぐこ
とができる。従って、装置の性能向上につながり、反応
器のコンパクト化の一助となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の水蒸気改質反応器の実施例1の説明
図。
【図2】本発明の水素分離膜の一実施例の説明図。
【図3】本発明の水蒸気改質反応器の実施例2の説明
図。
【図4】本発明の実施例1の作用・効果の説明図表。
【図5】本発明の実施例2の作用・効果の説明図表。
【図6】従来の水蒸気改質反応器の一態様の説明図。
【図7】従来の水素分離膜の一実施例の説明図。
【図8】従来の水蒸気改質反応器の他の態様の説明図。
【図9】図6の水蒸気改質反応器の作用の説明図表。
【図10】図8の水蒸気改質反応器の作用の説明図。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭化水素や含酸素炭化水素が原料として
    供給され、水蒸気改質反応によって水素を製造する反応
    器であって、水素分離膜を水蒸気改質反応触媒層内に内
    蔵し、圧力差によって水素を選択的に分離しながら反応
    を進行させる水素分離型の水蒸気改質反応器において、
    該触媒層の上流側に該水素分離膜を内蔵しない領域を設
    け、該領域より下流側の領域に前記水素分離膜を内蔵さ
    せてなることを特徴とする水蒸気改質反応器。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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