JPH0813327B2 - 炭化水素を水蒸気リフォーミングするための触媒 - Google Patents

炭化水素を水蒸気リフォーミングするための触媒

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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の概要] 炭化水素を水蒸気リフォーミングするための触媒につ
き開示し、この触媒は酸化アルミニウム−カルシウムア
ルミネート担体上にニッケルを含有し、この担体には0.
2〜10重量%の二酸化チタンを混入する。二酸化チタン
は、カルシウムアルミネートが少なくとも部分的にα−
Al2O3マトリックスにおけるX線写真で規定されたヒボ
ナイト:[CaO・(Al2O3]相として存在させるよう
作用する。
[産業上の利用分野] 本発明は、酸化アルミニウム−カルシウムアルミネー
ト担体上にニッケルを含有し高められた温度変化耐性を
有する、炭化水素の水蒸気リフォーミングに対する触媒
に関するものである。
[従来の技術] 炭化水素の水蒸気リフォーミングは、しばしば水素を
製造するため技術上重要な方法である。炭化水素の水蒸
気リフォーミングは吸熱反応であって、これに必要とさ
れる熱は外部から反応系に供給せねばならない。この方
法の技術上重要な変法は自熱性水蒸気リフォーミングで
あって、反応の熱収支を炭化水素(特にメタン)の部分
酸化によって維持する。
水蒸気リフォーミングは、触媒(特に担体)の物理的
性質に対する要求が極めて高い。これら触媒は、800℃
を越える(特に1000℃を越える)温度および30バール程
度の圧力において実質的に水蒸気と水素と二酸化炭素と
からなる雰囲気中で高度の物理的−熱的な負荷特性と温
度変化耐性とを持たねばならない。他方、高活性を得る
には触媒は連続気孔構造を有する担体マトリックスを持
たねばならない。従来、これらの要求は、触媒の物理的
−熱的な負荷特性を低下させるという犠牲においてのみ
可能であった。
一般に物理的耐性とは、タブレット状もしくはリング
状の触媒につき公知方法で測定される側圧耐性(SDF)
を意味する。苛酷な温度変化およびそれによって生ずる
高い熱応力(すなわち熱処理によって生ずる物理的応
力)に破壊なしに耐えうる触媒の能力を温度変化耐性
(以下、TWBという)と呼ぶ。成形体における或る箇所
で熱応力が臨界値(「破壊耐性」)を越えると、この箇
所で亀裂が生じ、場合によっては成形体の完全な破壊を
もたらしうる。
炭化水素を水蒸気リフォーミングするためのニッケル
含有触媒の担体(主として酸化アルミニウムに基づく)
の熱耐性を、所定の添加物を用いて改善することが既に
試みられている。
たとえば、ヨーロッパ特許出願第130 835号明細書に
記載された酸化アルミニウム担体は、所定の希土類酸化
物を含有する。
ドイツ特許第24 321 983号公報は、炭化水素を水蒸気
リフォーミングするための耐熱性のカルシウムアルミネ
ートを含有したニッケル触媒につき記載しており、その
担体は10〜60重量%の酸化カルシウムと0〜30重量%の
酸化ベリリウム、酸化マグネシウムおよび/または酸化
ストロンチウムと30〜90重量%の酸化アルミニウムと0.
2重量%未満の二酸化珪素とを含有する。耐性の向上
は、主として二酸化珪素の低含有量を有するカルシウム
アルミネートの使用に基づいている。
さらに、キム・テクノロジー(UdSSR)、第5巻、第3
4頁(1979)からは、メタン−水蒸気リフォーミングに
対する触媒の物理的−熱的性質を、担体として使用され
る酸化アルミニウムに少量の他の酸化物を添加すれば改
善しうることが知られている。この場合CaO、Sc2O3もし
くはTiO2の添加が特に有利であると判明している。しか
しながら、この文献は、少量のTiO2の添加により酸化ア
ルミニウムに基づく担体におけるカルシウムアルミネー
トの耐性向上作用がさらに改善されうることを示唆して
いない。
[発明が解決しようとする課題] したがって、本発明の課題は、酸化アルミニウム−カ
ルシウムアルミネート担体上にニッケルを含有し、物理
的−熱的耐性(特に温度変化耐性)を向上させて、水蒸
気リフォーミングの際に支配する反応条件の下で長操作
時間の後にも触媒を劣化させないような、炭化水素を水
蒸気リフォーミングするための触媒を提供するにある。
[課題を解決するための手段] 上記課題は、本発明によれば、担体に0.2〜10重量
%、好ましくは0.8〜5重量%の二酸化チタンを添加す
ることにより解決される。特に好ましくは、担体には1
〜2.5重量%の二酸化チタンを添加する。
二酸化チタンは明らかにカルシウムアルミネートの変
換に作用し、これは少なくとも部分的にα−Al2O3マト
リックスにおいてX線写真により規定されたヒボナイト
−:[CaO・(Al2O3]−相として存在する。ヒドナ
イト相は水蒸気リフォーミングの反応条件下(特に自熱
性水蒸気リフォーミングの反応条件下)で特に安定であ
る。チタン成分を添加せずに、或いは10重量%より多い
TiO2の場合、別の不安定な(すなわち温度変化耐性の低
い)カルシウムアルミネート相が形成する。これは早尚
な担体の破損、すなわち触媒の破損をもたらす。破壊し
た材料は明らかに反応器における流動抵抗を高める原因
となり、したがって比較的短時間の操作時間の後に操作
から外さねばならせない。
好ましくは、担体の元素組成は次の範囲内にある: Al=30〜52重量% Ca=1〜25重量% Ti=0.1〜6重量% (残部の酸素)。
本発明による触媒は2〜20重量%、好ましくは7〜15
重量%のニッケル(担体の重量に基づく)を含有する。
ニッケルの他に、本発明による触媒は少量のコバルを含
有することができる。
好ましくは担体は球体、円筒体、リングまたはその他
の成形体の形態の塊状物質として存在する。
好ましくは本発明による触媒は、水酸化アルミニウム
とカルシウムアルミネートとコロイド状に分散したチタ
ン化合物とを水と混合し、この混合物を成形し、予備焼
成しかつ成形体を燃焼させることにより担体を作成し、
かつこのように作成された担体−成形体にニッケルを担
持させことにより製造される。
特に好ましくは、コロイド状の水性分散物として存在
するメタチタン酸(TiO2・xH2O)が用いられる。温度変
化耐性を向上させるべく要求されるヒボナイト相の形成
は、実質的にチタン成分の分散度の関数である。何故な
ら、粗大な顔料粒子の形態の二酸化チタンを使用すれ
ば、ヒボナイト相へのカルシウムアルミネートの変換が
比較的遅く進行するからである。一般に、チタン成分の
粒子寸法は80000nmを越えてはならない。次の篩分析値
を有するメタチタン酸が特に適している: <40μm 40〜63μm 63〜80μm 20% 77% 3% 一般に担体は、33〜35%の灼熱損失を有するアルミニ
ウム水酸化物と5〜15%の灼熱損失を有するカルシウム
アルミネートセメントおよびメタチタン(TiO2・xH2O)
とを、プレス助材としてのグラファイトおよび約15〜20
重量%の水を添加しながら混合し、これを混練後に成形
体に成形することによって製造される。次いでこの担体
−成形体を乾燥し、好ましくは水蒸気硬化を施こす。次
いで、担体−成形体を予備焼成しかつ燃焼させる。
次いで、物理的性質を決定するため試料を採取し、こ
れらにつき常法にしたがって物理重量(SG)、側圧耐性
(SDF)、見掛け密度(SD)、温度変化耐性(TWB)およ
び衝撃耐性(落下試験)につき試験する。さらに比表面
積、気孔容積および気孔分布をも測定する。
これらのデータが要求に一致した場合、この担体−成
形体にニッケル塩水溶液(特に硝酸ニッケル溶液)を含
浸させ、その際、好ましくは熱い塩溶液に浸漬させる。
次いでニッケル塩を熱分解させる(硝酸ニッケルを用い
る場合には約450℃)。特にニッケルの高含有量を有す
る触媒が望ましければ、浸漬を多数回反復することがで
きる。各浸漬の後、ニッケル塩は熱分解される。熱分解
の際に酸化ニッケルが形成し、これは工程条件下で或い
は還元剤を用いてニッケルまで還元される。
さらに本発明の課題は、炭化水素を水蒸気リフォーミ
ングするための(特に自熱性メタン−水蒸気リフォーミ
ングのための)上記触媒の使用である。好ましくは、水
蒸気リフォーミングは800℃よりも高い温度にて高めら
れた圧力で行なわれる。
[実施例] 以下、本発明を実施例により説明する。
例 1(比較例) (a)担体の製造 150kgのアルミニウム水酸化物と50kgのカルシウムア
ルミネートセメントとを乾式混合する。その後、水を添
加しかつ混合物を移送した。次いで、10kgのグラファイ
トを添加し、かつ混合した後に得られた材料を空気によ
り4〜10重量%の乾燥損失となるまで乾燥させた。その
後、この材料を粉砕しかつ4×4mmの篩に通過させた。
次いで、この材料を17×17×6mmのリング状にプレスし
た。続いて、これを水蒸気硬化させ、焼成し、最後に燃
焼させた。
製造された担体の物理的−機械的データを第I表およ
び第II表に要約する。
(b)ニッケル触媒の性能 製造された140kgの担体を1000の硝酸ニッケル水溶
液(1400kgのNi(NO3)に浸漬した。浸漬後、含浸
した担体を450℃にて硝酸ニッケルが完全に分解するま
で焼成した。この手順を2回もしくは3回反復し、仕上
がり触媒におけるニッケル含有量を約10重量%に達せし
めた。
この触媒をH2OおよびH2からなる混合物で750℃にて3
時間活性化させた。活性化した触媒をメタン−水蒸気リ
フォーミング試験にかけた。
反応条件は次の通りである: T=750℃、モル比H2O/CH4=3、CH4−空時速度=350
0Nl/h。
活性試験の結果を第III表に示す。
例 2 (a)TiO2含有担体(1重量%のTiO2)の製造 150kgのアルミニウム水酸化物と50kgのカルシウムア
ルミネートセメントと1.9kgのメタチタン酸とを乾式混
合し、次いで例1にしたがって後処理した。
製造された担体の物理的−機械的データを第I表およ
び第II表に要約する。X線回折図は、ヒボナイト相につ
き特徴的な数値を示した。屈折角度 相対強度 D(Å) 34.1786 100 2.6227 36.2089 100 2.4794 67.4094 70 1.3906 (b)ニッケル触媒の製造 製造された142kgの担体を例1におけると同様に硝酸
ニッケル水溶液中に浸漬しかつ後処理した。製造された
ニッケル触媒を、例1におけると同様にメタン−水蒸気
リフォーミング試験にかけた。
その結果を第III表に示す。
例 3 (a)TiO2含有担体(5重量%のTiO2)の製造 150kgのアルミニウム水酸化物と50kgのカルシウムア
ルミネートセメントと10kgのメタチタン酸とを乾式混合
し、次いで例1にしたがって後処理した。
製造された担体の物理的−機械的データを第I表およ
び第II表に要約する。ヒボナイト相につき特徴的なX線
回折線は例2による担体の場合よりも若干弱かった。こ
れはヒボナイトと共に他のカルシウムアルミネート相も
形成されたからである。
(b)ニッケル触媒の製造 製造された145kgの担体を例1に記載したように硝酸
ニッケル水溶液に浸漬しかつ後処理した。製造されたニ
ッケル触媒を例1におけると同様にメタン−水蒸気リフ
ォーミング試験にかけた。その結果を第II表に示す。
第I表から判るように、TiO2の添加は明らかに担体の
温度変化耐性を向上させる。例2の触媒における狭い気
孔寸法分布も特に顕著である(全気孔容積の97.0%が17
50〜80nmの範囲にある)。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸化アルミニウム−カルシウムアルミネー
    ト担体上にニッケルを含有してなり、担体は0.2〜10重
    量%、好ましくは0.8〜5重量%の二酸化チタンを含有
    することを特徴とする炭化水素を水蒸気リフォーミング
    するための触媒。
  2. 【請求項2】カルシウムアルミネートが、少なくとも部
    分的にα−Al2O3−マトリックスにおけるX線写真で規
    定されたヒボナイト:[CaO・(Al2O3]相として存
    在することを特徴とする請求項1記載の触媒。
  3. 【請求項3】担体の元素組成が次の範囲:Al=30〜52重
    量%、Ca=1〜25重量%、Ti=0.1〜6重量%(残部の
    酸素)で存在することを特徴とする請求項1または2記
    載の触媒。
  4. 【請求項4】2〜20重量%、好ましくは7〜15重量%の
    ニッケル(担体の重量に対し)を含有することを特徴と
    する請求項1〜3のいずれか一項に記載の触媒。
  5. 【請求項5】担体が球体、円筒体、リングまたはその他
    の成形体の形態の塊状物質として存在することを特徴と
    する請求項1〜4のいずれか一項に記載の触媒。
  6. 【請求項6】水酸化アルミニウム、カルシウムアルミネ
    ートおよびコロイド状に分散したチタン化合物を水と混
    合し、この混合物を成形し、予備焼成しかつ成形体を燃
    焼させることにより担体を作成し、この作成された担体
    −成形体にニッケルを担持させることを特徴とする請求
    項1〜5のいずれか一項に記載の触媒の製造方法。
  7. 【請求項7】チタン化合物としてメタチタン酸(TiO2
    xH2O)を使用することを特徴とする請求項6記載の方
    法。
  8. 【請求項8】担体−成形体を焼成前に水蒸気硬化にかけ
    ることを特徴とする請求項6または7記載の方法。
  9. 【請求項9】担体−成形体にニッケル塩水溶液、特に硝
    酸ニッケル溶液を含浸させ、かつニッケル塩を熱的に酸
    化ニッケルまで分解させることを特徴とする請求項6〜
    8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 【請求項10】炭化水素を水蒸気リフォーミングするた
    めの、特に自熱メタン−水蒸気リフォーミングのための
    請求項1〜5のいずれか一項に記載の触媒または請求項
    6〜9のいずれか一項に記載の方法により製造された触
    媒の使用。
  11. 【請求項11】水蒸気リフォーミングを、高められた圧
    力下に800℃より高い温度にて行なうことを特徴とする
    請求項10記載の使用。
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