KR20120050908A - Apparatus for producing hydrogen gas - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은, 수소 가스 제조 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 수소 가스를 효율적으로 제조할 수 있는 수소 가스 제조 장치 및 수소 가스 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a hydrogen gas production apparatus. More specifically, the present invention relates to a hydrogen gas production apparatus and a hydrogen gas production method capable of efficiently producing hydrogen gas.
최근, 연료 전지의 연료 등에 유용한 수소 가스의 제조 장치에 관해 다양하게 연구가 이루어지고 있다. In recent years, various studies have been made on a production apparatus of hydrogen gas useful for fuel of a fuel cell.
기동 시간이 짧고, 장치의 구성 및 제어 시스템이 간소화된 수소 제조 장치로서, 수증기를 발생시키기 위한 보일러, 개질 반응기, 시프트 반응기 및 선택산화 반응기를 포함하고, 보일러 및 각 반응기를 가열하기 위해, 각각 버너가 설치된 수소 제조 장치가 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 그러나, 이 수소 제조 장치에는, 보일러 및 각 반응기에 각각 버너를 설치할 필요가 있기 때문에, 장치 전체적으로 소형화시키는 것이 어렵고, 각 버너에서 연소시키기 위한 연료가 각각 필요하기 때문에, 에너지 효율이 떨어진다고 하는 결점이 있다. A hydrogen production apparatus with a short start-up time and a simplified configuration and control system of the apparatus, comprising a boiler, a reforming reactor, a shift reactor, and a selective oxidation reactor for generating steam, and each burner for heating the boiler and each reactor. The hydrogen production apparatus provided with is proposed (for example, refer patent document 1). However, since this burner must be equipped with a burner in the boiler and each reactor, it is difficult to miniaturize the whole device, and since the fuel for burning each burner is required, respectively, there is a disadvantage that energy efficiency is low. .
또한, 폐열을 열원으로서 이용하는 수소 제조 장치로서, 산소 함유 탄화수소 기화기, 수증기 발생기, 산소 함유 탄화수소ㆍ수증기 혼합기, 혼합 가스 예열기, 개질 반응기, 외부 열원, 열매 순환 라인, 순환 펌프 또는 순환 블로워, 및 열매 히터를 갖는 수소 발생 장치가 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조). 그러나, 이 수소 제조 장치에는, 전열 매체를 순환시키기 위한 열매 순환 라인이 필요하고, 열원으로서 혼합 가스 예열기, 외부 열원 및 열매 히터를 필요로 하기 때문에, 장치 자체가 대형화되고, 외부 열원 및 가열 매체 히터를 필요로 하기 때문에, 열효율이 낮다고 하는 결점이 있다. Further, as a hydrogen production apparatus using waste heat as a heat source, an oxygen-containing hydrocarbon vaporizer, a steam generator, an oxygen-containing hydrocarbon / steam mixer, a mixed gas preheater, a reforming reactor, an external heat source, a fruit circulation line, a circulation pump or a circulation blower, and a fruit heater A hydrogen generator having the above has been proposed (see
본 발명은, 상기 종래 기술을 감안하여 이루어진 것으로, 장치 자체의 소형화가 용이하고, 수소 가스를 효율적으로 제조할 수 있는 수소 가스 제조 장치를 제공하는 것을 과제로 한다. 본 발명은 또한, 수소 가스를 효율적으로 제조할 수 있고, 또한 소형화된 수소 가스 제조 장치에 적합하게 적용할 수 있는 수소 가스 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다. This invention is made | formed in view of the said prior art, Comprising: It aims at providing the hydrogen gas manufacturing apparatus which is easy to miniaturize the apparatus itself and can manufacture hydrogen gas efficiently. Another object of the present invention is to provide a hydrogen gas production method that can efficiently produce hydrogen gas and can be suitably applied to a miniaturized hydrogen gas production apparatus.
본 발명은, The present invention,
(1) 메탄올로부터 수소 가스를 제조하기 위한 수소 가스 제조 장치로서, 메탄올 및 물을 기화시킴으로써 원료 가스를 제조하기 위한 원료 가스 제조기, 상기 원료 가스 제조기와 접속되어, 상기 원료 가스 제조기에서 얻어진 원료 가스와 산소 함유 가스를 반응시켜, 반응 가스를 제조하기 위한 반응 가스 제조기, 상기 반응 가스 제조기와 접속되어, 상기 반응 가스 제조기에서 얻어진 반응 가스로부터 상기 반응 가스에 포함되어 있는 수소 가스를 분리하기 위한 수소 가스 분리기, 및 상기 수소 가스 분리기와 접속되어, 상기 수소 가스 분리기에서 반응 가스로부터 수소 가스가 분리된 잔존 가스를 연소하기 위한 가스 연소 장치를 갖는 보열 용기를 구비하며, 상기 원료 가스 제조기 및 상기 반응 가스 제조기가, 상기 가스 연소 장치에서 잔존 가스를 연소함으로써 생긴 열이 전달되도록 상기 보열 용기 내에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 가스 제조 장치, (1) A hydrogen gas production apparatus for producing hydrogen gas from methanol, comprising: a source gas maker for producing a source gas by vaporizing methanol and water, and a source gas obtained by the source gas maker connected to the source gas maker; A hydrogen gas separator for separating hydrogen gas contained in the reaction gas from a reaction gas obtained by reacting an oxygen-containing gas to produce a reaction gas and the reaction gas manufacturer and reacting the gas produced in the reaction gas manufacturer. And a heat holding container connected to the hydrogen gas separator, the heat gas container having a gas combustion device for burning the remaining gas from which hydrogen gas is separated from the reaction gas in the hydrogen gas separator, wherein the source gas maker and the reactive gas maker include: Open the remaining gas in the gas combustion apparatus; Caused the hydrogen gas production apparatus, it characterized in that it is provided in the vessel such that heat is transferred by boyeol,
(2) 메탄올로부터 수소 가스를 제조하기 위한 수소 가스 제조 방법으로서, 메탄올 및 물을 기화시킴으로써 원료 가스를 제조하는 원료 가스 제조 공정, 상기 원료 가스와 산소 함유 가스를 반응시킴으로써 반응 가스를 제조하는 반응 가스 제조 공정, 상기 반응 가스로부터 상기 반응 가스에 포함되어 있는 수소 가스를 분리하는 수소 가스 분리 공정, 및 상기 반응 가스로부터 수소 가스가 분리된 잔존 가스를 연소하는 잔존 가스 연소 공정을 포함하며, 상기 잔존 가스 연소 공정에서 잔존 가스를 연소할 때 발생하는 열에 의해, 상기 원료 가스 제조 공정에서 메탄올 및 물을 기화시키고, 상기 반응 가스 제조 공정에서 원료 가스와 산소 함유 가스를 반응시키는 것을 특징으로 하는 수소 가스 제조 방법, (2) A hydrogen gas production method for producing hydrogen gas from methanol, comprising: a raw material gas production process for producing a source gas by vaporizing methanol and water; and a reaction gas for producing a reaction gas by reacting the source gas and an oxygen-containing gas. A hydrogen gas separation step of separating a hydrogen gas contained in the reaction gas from the reaction gas, and a residual gas combustion step of burning the remaining gas from which the hydrogen gas is separated from the reaction gas; Hydrogen gas production method characterized by vaporizing methanol and water in the raw material gas production step by heat generated when burning residual gas in the combustion step, and reacting the raw material gas and the oxygen-containing gas in the reactive gas production step. ,
(3) 반응 가스 제조 공정에서, 산소 함유 기체의 공급을 정기적으로 정지시키는 것인 상기 (2)에 기재된 수소 가스 제조 방법, (3) The hydrogen gas production method according to the above (2), wherein the supply of the oxygen-containing gas is periodically stopped in the reaction gas production step,
(4) 잔존 가스 연소 공정에서, 잔존 가스와 산소 함유 가스를 혼합한 후, 상기 잔존 가스를 연소하는 것인 상기 (2) 또는 (3)에 기재된 수소 가스 제조 방법, 및(4) The hydrogen gas manufacturing method as described in said (2) or (3) which combusts the said residual gas after mixing a residual gas and an oxygen containing gas in a residual gas combustion process, and
(5) 잔존 가스 연소 공정에서, 잔존 가스를 백금 촉매의 존재하에 연소하는 것인 상기 (2)∼(4) 중 어느 하나에 기재된 수소 가스 제조 방법(5) The hydrogen gas manufacturing method in any one of said (2)-(4) which burns a residual gas in presence of a platinum catalyst in a residual gas combustion process.
에 관한 것이다. .
본 발명의 수소 가스 제조 장치에 의하면, 장치 자체의 소형화가 용이하고, 효율적으로 수소 가스를 제조할 수 있다고 하는 효과가 나타난다. 또, 본 발명의 수소 가스 제조 방법은, 수소 가스를 효율적으로 제조할 수 있고, 또한 소형화된 수소 가스 제조 장치에 적용할 수 있다고 하는 효과를 나타낸다. According to the hydrogen gas manufacturing apparatus of this invention, the effect that the apparatus itself can be downsized easily and it can manufacture hydrogen gas efficiently is exhibited. Moreover, the hydrogen gas manufacturing method of this invention has the effect that it can manufacture hydrogen gas efficiently, and can apply to the miniaturized hydrogen gas manufacturing apparatus.
도 1은 본 발명의 수소 가스 제조 장치의 일 실시형태를 나타내는 개략 설명도이다.
도 2는 본 발명의 수소 가스 제조 장치에서, 보열 용기의 다른 실시형태를 나타내는 개략 설명도이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic explanatory drawing which shows one Embodiment of the hydrogen gas manufacturing apparatus of this invention.
It is a schematic explanatory drawing which shows another embodiment of a heat storage container in the hydrogen gas manufacturing apparatus of this invention.
본 발명의 수소 가스 제조 장치는, 상기와 같이, 메탄올로부터 수소 가스를 제조하기 위한 수소 가스 제조 장치로서, 메탄올 및 물을 기화시킴으로써 원료 가스를 제조하기 위한 원료 가스 제조기, 상기 원료 가스 제조기와 접속되어, 상기 원료 가스 제조기에서 얻어진 원료 가스와 산소 함유 가스를 반응시켜, 반응 가스를 제조하기 위한 반응 가스 제조기, 상기 반응 가스 제조기와 접속되어, 상기 반응 가스 제조기에서 얻어진 반응 가스로부터 상기 반응 가스에 포함되어 있는 수소 가스를 분리하기 위한 수소 가스 분리기, 및 상기 수소 가스 분리기와 접속되어, 상기 수소 가스 분리기에서 반응 가스로부터 수소 가스가 분리된 잔존 가스를 연소하기 위한 가스 연소 장치를 갖는 보열 용기를 가지며, 상기 원료 가스 제조기 및 상기 반응 가스 제조기가, 상기 가스 연소 장치에서 잔존 가스를 연소함으로써 생긴 열이 전달되도록 상기 보열 용기 내에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 수소 가스 제조 장치는, 장치 자체의 소형화가 용이하고, 효율적으로 수소 가스를 제조할 수 있으며, 수소 가스의 원료로서 이송 및 저장이 용이한 메탄올이 이용되고 있기 때문에, 필요할 때 필요한 양으로 수소 가스를 제조할 수 있다고 하는 이점을 갖는다. The hydrogen gas production apparatus of the present invention is a hydrogen gas production apparatus for producing hydrogen gas from methanol as described above, and is connected to a source gas maker for producing a source gas by vaporizing methanol and water, and the source gas maker. And a reactant gas manufacturer for reacting the source gas obtained in the source gas maker with the oxygen-containing gas and producing a reaction gas, and connected to the reaction gas maker and included in the reaction gas from the reaction gas obtained in the reactant gas maker. A heat retention container having a hydrogen gas separator for separating hydrogen gas present therein, and a gas combustion device connected to the hydrogen gas separator, for burning residual gas from which hydrogen gas has been separated from a reaction gas in the hydrogen gas separator; Source gas maker and the reactive gas maker, It is characterized in that it is installed in the heat storage container so that heat generated by burning residual gas in the gas combustion device is transferred. In the hydrogen gas production apparatus of the present invention, since the size of the apparatus itself can be easily reduced, the hydrogen gas can be efficiently produced, and methanol, which is easy to be transported and stored, is used as a raw material of hydrogen gas. It has the advantage of being able to produce hydrogen gas.
또, 본 발명의 수소 가스 제조 방법은, 상기와 같이, 메탄올로부터 수소 가스를 제조하기 위한 수소 가스 제조 방법으로, 메탄올 및 물을 기화시킴으로써 원료 가스를 제조하는 원료 가스 제조 공정, 상기 원료 가스와 산소 함유 가스를 반응시킴으로써 반응 가스를 제조하는 반응 가스 제조 공정, 상기 반응 가스로부터 상기 반응 가스에 포함되어 있는 수소 가스를 분리하는 수소 가스 분리 공정, 및 상기 반응 가스로부터 수소 가스가 분리된 잔존 가스를 연소하는 잔존 가스 연소 공정을 포함하며, 상기 잔존 가스 연소 공정에서 잔존 가스를 연소할 때 발생하는 열에 의해, 상기 원료 가스 제조 공정에서 메탄올 및 물을 기화시키고, 상기 반응 가스 제조 공정에서 원료 가스와 산소 함유 가스를 반응시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 수소 가스 제조 방법에 의하면, 수소 가스의 원료로서 메탄올이 이용되고 있기 때문에, 필요할 때 필요한 양으로 수소 가스를 제조할 수 있고, 수소 가스를 효율적으로 제조할 수 있으며, 또한 소형화된 수소 가스 제조 장치에 적용할 수 있다고 하는 효과가 나타난다. Moreover, the hydrogen gas manufacturing method of this invention is a hydrogen gas manufacturing method for producing hydrogen gas from methanol as mentioned above, The raw material gas manufacturing process which manufactures source gas by vaporizing methanol and water, The said source gas and oxygen A reaction gas production process for producing a reaction gas by reacting a gas contained therein, a hydrogen gas separation step for separating hydrogen gas contained in the reaction gas from the reaction gas, and a residual gas from which hydrogen gas is separated from the reaction gas is burned. And a remaining gas combustion process, vaporizing methanol and water in the source gas manufacturing process by heat generated when burning the remaining gas in the remaining gas combustion process, and containing the source gas and oxygen in the reaction gas manufacturing process. It is characterized by reacting the gas. According to the hydrogen gas production method of the present invention, since methanol is used as a raw material of hydrogen gas, hydrogen gas can be produced in a required amount when necessary, hydrogen gas can be efficiently produced, and the hydrogen gas can be miniaturized. The effect of being applicable to a manufacturing apparatus appears.
이하에, 본 발명의 수소 가스 제조 장치 및 수소 가스 제조 방법을 도면에 기초하여 설명한다. EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the hydrogen gas manufacturing apparatus and hydrogen gas manufacturing method of this invention are demonstrated based on drawing.
도 1은, 본 발명의 수소 가스 제조 장치의 일 실시형태를 나타내는 개략 설명도이다. 도 1에 나타낸 수소 가스 발생 장치는, 원료 가스 제조기(1), 반응 가스 제조기(2), 수소 가스 분리기(3) 및 보열 용기(4)를 구비한다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic explanatory drawing which shows one Embodiment of the hydrogen gas manufacturing apparatus of this invention. The hydrogen gas generator shown in FIG. 1 includes a
[원료 가스 제조 공정][Raw gas production process]
원료 가스 제조 공정에서는, 메탄올 및 물을 기화시킴으로써 원료 가스가 제조된다. 원료 가스 제조 공정에서는, 메탄올 및 물을 기화시킴으로써 원료 가스를 제조하기 위한 원료 가스 제조기(1)가 이용된다. In the raw material gas production process, the raw material gas is produced by vaporizing methanol and water. In the source gas production process, a
수소 가스의 원료인 메탄올 및 물은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 예를 들어, 펌프(5)로부터 배관(6)을 통해 원료 가스 제조기(1)에 송액된다. 배관(6)에는, 필요에 따라 밸브(7a, 7b)가 설치되어 있어도 좋다. As shown in FIG. 1, methanol and water which are raw materials of hydrogen gas are sent to the
펌프(5)와 원료 가스 제조기(1) 사이에는, 필요에 따라 열교환기(8)가 설치되어 있어도 좋다. 열교환기(8)를 설치한 경우, 메탄올 및 물은, 열교환기(8)에 의해, 반응 가스 제조기(2)에서 얻어진 반응 가스와 열교환함으로써 가열할 수 있고, 반응 가스 제조기(2)에서 얻어진 반응 가스는, 메탄올 및 물과 열교환함으로써 냉각시킬 수 있다. 이에 따라, 메탄올 및 물은, 원료 가스 제조기(1)에 송액되기 전에 미리 가열되기 때문에, 효율적으로 원료 가스를 제조할 수 있다고 하는 이점이 있다. The heat exchanger 8 may be provided between the pump 5 and the
메탄올 1 몰당의 물의 양은, 수소 가스를 효율적으로 생성하고 일산화탄소 가스의 잔존량을 저감시킴으로써 수소 가스의 수율을 높이는 관점에서, 바람직하게는 1.2 몰 이상, 보다 바람직하게는 1.5 몰 이상이고, 물의 양이 현저하게 많아지더라도 수소 가스의 수율이 그다지 향상되지 않고, 증발 잠열이 큰 물의 양을 저감시킴으로써 에너지 효율을 높이는 관점에서, 바람직하게는 2.5 몰 이하, 보다 바람직하게는 2.0 몰 이하이다. The amount of water per mol of methanol is preferably 1.2 mol or more, more preferably 1.5 mol or more, from the viewpoint of increasing the yield of hydrogen gas by efficiently generating hydrogen gas and reducing the amount of carbon monoxide gas remaining. Even if it becomes remarkably large, the yield of hydrogen gas does not improve so much, and it is 2.5 mol or less, More preferably, it is 2.0 mol or less from a viewpoint of improving energy efficiency by reducing the quantity of the water with large latent heat of evaporation.
원료 가스 제조기(1)에 송액되는 메탄올 및 물의 액온은 특별히 한정되지 않고, 상온이어도 좋고, 상온보다 고온이어도 좋지만, 수소 가스의 수율을 향상시키는 관점에서, 가능한 한 높은 것이 바람직하다. 상기 액온의 상한 온도는, 에너지 효율을 높이는 관점에서, 바람직하게는 메탄올의 비점 이하이다. The liquid temperature of methanol and water to be fed to the raw
원료 가스 제조기(1)로는, 예를 들어 도 1에 나타낸 바와 같이, 나선 형상을 갖는 금속관 등을 들 수 있지만, 본 발명은 이러한 예시에만 한정되는 것은 아니다. 금속관에 이용되는 금속으로는, 예를 들어 스테인리스강을 비롯하여, 열전도성이 우수하다는 점에서, 구리, 황동 등을 들 수 있다. As the raw
원료 가스 제조기(1)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 가스 연소 장치(9)에서 잔존 가스를 연소함으로써 생긴 열이 효율적으로 전달되도록 하기 위해 보열 용기(4) 내에 설치되어 있다. 본 발명에서는, 이와 같이 원료 가스 제조기(1)가 보열 용기(4) 내에 설치되어 있는 점에 하나의 큰 특징이 있다. As shown in FIG. 1, the
본 발명에서는, 원료 가스 제조기(1)가, 가스 연소 장치(9)에서 잔존 가스를 연소함으로써 발생한 열이 효율적으로 전달되도록 보열 용기(4) 내에 설치되어 있기 때문에, 보열 용기(4)에서 연소된 잔존 가스의 열을 이용하여 메탄올 및 물이 가열되어 기화하므로, 원료 가스를 효율적으로 제조할 수 있다. 또한, 원료 가스 제조기(1)는, 보열 용기(4) 내에 수납되어 있기 때문에, 본 발명의 수소 가스 제조 장치 자체를 소형화할 수 있다고 하는 이점이 있다. In the present invention, since the raw
도 1에 나타낸 실시형태에서, 나선형으로 감긴 금속관을 포함하는 원료 가스 제조기(1)의 나선부 내에 가스 연소 장치(9)가 삽입되어 있기 때문에, 가스 연소 장치(9)에서 잔존 가스를 연소함으로써 생긴 열이 원료 가스 제조기(1)에 효율적으로 전달된다. In the embodiment shown in FIG. 1, since the
본 발명은, 도 1에 나타낸 실시형태에만 한정되지 않고, 예를 들어 원료 가스 제조기(1)는, 가스 연소 장치(9)에서 잔존 가스를 연소함으로써 생긴 열이 전달되는 정도로 가스 연소 장치(9)와 간극을 두고 배치되어 있어도 좋고, 또는 가스 연소 장치(9)에서 잔존 가스를 연소함으로써 생긴 열이 직접 전달되도록 하기 위해, 가스 연소 장치(9)와 접촉시켜 배치되어 있어도 좋다. This invention is not limited only to embodiment shown in FIG. 1, For example, the
원료 가스 제조기(1)에서 메탄올 및 물이 기화함으로써 얻어진 메탄올 가스와 수증기를 함유하는 원료 가스는, 원료 가스 제조기(1)와 접속된 반응 가스 제조기(2)에 송기된다. 원료 가스 제조기(1)는, 예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이 배관(10) 등을 통해 반응 가스 제조기(2)와 접속되어 있어도 좋고, 또는 반응 가스 제조기(2)와 직접적으로 접속되어 있어도 좋다. The raw material gas containing methanol gas and water vapor obtained by vaporizing methanol and water in the raw
도 1에 나타낸 원료 가스 제조기(1)에서는, 메탄올과 물이 동시에 가열되는 구성을 갖지만, 반드시 메탄올과 물이 동시에 가열될 필요는 없다. 원료 가스 제조기(1)에서는, 메탄올의 증발과 물의 증발을 따로따로 나눠 행해도 좋고, 또는 메탄올과 물을 혼합하여, 얻어진 메탄올 수용액을 증발시켜도 좋다. In the raw
원료 가스를 반응 가스 제조기(2)에 도입할 때의 원료 가스의 온도는, 메탄올의 산화 반응을 촉진시키고 미반응의 메탄올의 잔존량을 저감시키는 관점에서, 바람직하게는 150℃ 이상, 보다 바람직하게는 200℃ 이상이고, 에너지 효율을 높이고, 고온으로 하기 위해 연소되는 잔존 가스량의 증대에 따른 수소 가스의 수율의 저하를 억제하는 관점에서, 바람직하게는 300℃ 이하, 보다 바람직하게는 280℃ 이하이다. The temperature of the source gas when introducing the source gas into the
[반응 가스 제조 공정][Reaction gas manufacturing process]
반응 가스 제조 공정에서는, 상기에서 얻어진 원료 가스와 산소 함유 가스를 반응시킴으로써 반응 가스가 제조된다. 반응 가스 제조 공정에서는, 원료 가스 제조기(1)에서 얻어진 원료 가스와 산소 함유 가스를 반응시켜, 반응 가스를 제조하기 위한 반응 가스 제조기(2)가 이용된다. In the reaction gas production step, a reaction gas is produced by reacting the raw material gas obtained above with an oxygen-containing gas. In the reaction gas manufacturing process, the
원료 가스 제조기(1)에서 제조된 원료 가스는, 원료 가스 제조기(1)와 접속된 반응 가스 제조기(2)에 공급된다. 반응 가스 제조기(2)에서는, 원료 가스와 산소 함유 가스를 반응시킴으로써, 반응 가스가 제조된다. The raw material gas manufactured by the raw
본 발명에서는, 반응 가스 제조기(2)가 보열 용기(4) 내에 설치되어 있는 점에도 하나의 큰 특징이 있다. In the present invention, there is one big feature also in that the
본 발명에서는, 이와 같이 반응 가스 제조기(2)가 보열 용기(4) 내에 설치되어 있기 때문에, 보열 용기(4) 내에 설치되어 있는 가스 연소 장치(9)에서 잔존 가스를 연소함으로써 생긴 열에 의해, 반응 가스 제조기(2) 내에서 이하의 반응식 (2)∼(4)에 기인하는 온도 저하가 억제되므로, 효율적으로 수소 가스를 생성할 수 있다. 또한, 반응 가스 제조기(2)는, 원료 가스 제조기(1)와 함께 보열 용기(4) 내에 수납되어 있기 때문에, 수소 가스 제조 장치 자체의 소형화를 도모할 수 있다고 하는 이점이 있다. In the present invention, since the
도 1에 나타낸 반응 가스 제조기(2)는, 가스 연소 장치(9)와는 간극을 두고 설치되어 있기 때문에, 가스 연소 장치(9)로부터 발생한 열이 상기 간극을 통해 반응 가스 제조기(2)에 전달된다. 반응 가스 제조기(2)는, 상기 간극을 두지 않고 가스 연소 장치(9)와 접촉시켜 설치되어 있어도 좋다. Since the
반응 가스 제조기(2) 내에서는, 원료 가스와 산소 함유 가스가 반응하여, 식 (1) : In the
CH3OH+0.5O2 → CO2+2H2 (1)CH 3 OH + 0.5O 2 → CO 2 + 2H 2 (1)
로 표시되는 것처럼, 메탄올이 산화하여, 수소 가스와 이산화탄소 가스가 생성된다. 이 메탄올의 산화 반응은 발열 반응이므로, 반응 가스 제조기(2)의 계내의 온도가 상승한다. As indicated by, methanol is oxidized to produce hydrogen gas and carbon dioxide gas. Since the oxidation reaction of this methanol is exothermic reaction, the temperature in the system of the
또, 이 메탄올의 산화 반응과 평행하여 메탄올의 일부는 산소 가스가 관여하지 않고, 식 (2) : In parallel with the oxidation reaction of methanol, part of the methanol does not participate in oxygen gas, and the equation (2):
CH3OH → CO+2H2 (2)CH 3 OH → CO + 2H 2 (2)
로 표시되는 것처럼, 일산화탄소 가스와 수소 가스로 분해되거나, 식 (3) : Decomposed into carbon monoxide gas and hydrogen gas, as represented by Eq. (3):
CH3OH+H2O → CO2+3H2 (3)CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 (3)
로 표시되는 것처럼, 이산화탄소 가스와 수소 가스로 분해된다. 이러한 분해 반응은 흡열 반응이므로, 상기 산화 반응에서 발생한 열의 일부가 상쇄된다. 그 결과, 반응 가스 제조기(2)의 계내의 온도는, 상기 산화 반응만이 일어나는 경우와 대비하여, 어느 정도는 낮은 온도가 된다. 또, 이들 반응 이외에도, 식 (4) : As indicated by, it is decomposed into carbon dioxide gas and hydrogen gas. Since this decomposition reaction is an endothermic reaction, part of the heat generated in the oxidation reaction is canceled out. As a result, the temperature in the system of the
CO+H2O → H2+CO2 (4)CO + H 2 O → H 2 + CO 2 (4)
로 표시되는 시프트 반응이 일어난다고 생각된다. It is thought that a shift reaction represented by.
원료 가스와는 별도로 산소 함유 가스를 반응 가스 제조기(2) 내에 도입해도 좋지만, 연속적으로 수소 가스를 발생시키도록 하는 관점에서, 원료 가스와 산소 함유 가스를 혼합함으로써 얻어진 원료 혼합 가스를 반응 가스 제조기(2)에 도입하는 것이 바람직하다. The oxygen-containing gas may be introduced into the
원료 혼합 가스를 반응 가스 제조기(2)에 도입하는 경우, 예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이, 배관(10)과 산소 함유 가스용의 배관(11)을 T자관, Y자관 등(도시하지 않음)을 통해 접속함으로써 원료 가스와 산소 함유 가스를 혼합하여, 얻어진 원료 혼합 가스를, 배관(12)을 통해 반응 가스 제조기(2) 내에 도입할 수 있다. 또, 산소 함유 가스는, 원료 가스와는 별도의 배관을 통해, 원료 가스와는 별개로 독립적으로 반응 가스 제조기(2)에 도입해도 좋다. 산소 함유 가스용의 배관(11)에는, 산소 함유 가스의 도입량을 제어하기 위해 밸브(13)가 설치되어 있어도 좋다. In the case where the raw material mixed gas is introduced into the
산소 함유 가스는, 메탄올 및 물과 대비하여 열용량이 작기 때문에, 특별히 가열할 필요가 없지만, 예를 들어, 산소 함유 가스의 배관을 보열 용기(4) 내에 도입하여, 가스 연소 장치(9)에서 잔존 가스의 연소열에 의해 상기 산소 함유 가스의 배관을 가열한 후에, 상기 배관으로부터 산소 함유 가스를 반응 가스 제조기(2)에 도입해도 좋다. Since the oxygen-containing gas has a smaller heat capacity as compared to methanol and water, there is no need to heat the oxygen in particular, but for example, a pipe of the oxygen-containing gas is introduced into the heat storage container 4 to remain in the
산소 함유 가스로는, 예를 들어, 공기, 산소 가스 등을 비롯하여, 질소 가스, 아르곤 가스 등의 불활성 가스와 산소 가스의 혼합 가스 등을 들 수 있지만, 본 발명은 이러한 예시에만 한정되는 것은 아니다. As the oxygen-containing gas, for example, a mixed gas of an inert gas such as nitrogen gas, argon gas, and oxygen gas, as well as air and oxygen gas, may be cited. However, the present invention is not limited only to these examples.
메탄올 1 몰당의 산소 함유 가스에 포함되어 있는 산소 가스의 양은, 미반응의 메탄올의 잔존량을 저감시키는 관점에서, 바람직하게는 0.05 몰 이상, 보다 바람직하게는 0.1 몰 이상이고, 메탄올로부터 생성된 수소 가스와 산소 가스의 반응에 의해 반응 온도가 높아지는 것을 회피하고, 생성된 수소 가스가 산소 가스의 반응에 의해 소비되는 것을 회피하는 관점에서, 바람직하게는 0.25 몰 이하, 보다 바람직하게는 0.2 몰 이하이다. The amount of oxygen gas contained in the oxygen-containing gas per mol of methanol is preferably 0.05 mol or more, more preferably 0.1 mol or more, from the viewpoint of reducing the amount of unreacted methanol remaining, and hydrogen generated from methanol. From the viewpoint of avoiding an increase in the reaction temperature due to the reaction between the gas and the oxygen gas, and avoiding consumption of the generated hydrogen gas by the reaction of the oxygen gas, the content is preferably 0.25 mol or less, and more preferably 0.2 mol or less. .
반응 가스 제조기(2) 내에서, 원료 가스와 산소 함유 가스를 반응시킬 때에는, 수소 가스의 생성 효율을 높이는 관점에서 촉매를 이용하는 것이 바람직하다. 촉매는, 통상 반응기(도시하지 않음) 내에 충전함으로써 이용된다. When reacting the source gas and the oxygen-containing gas in the
촉매로는, 예를 들어, 백금, 팔라듐 등의 백금족계 촉매, 구리계 촉매 등을 들 수 있지만, 본 발명은, 이러한 예시에만 한정되는 것은 아니다. 구리계 촉매로는, 예를 들어, 산화세륨, 산화지르코늄, 산화티탄, 산화마그네슘, 산화갈륨, 산화인듐 등의 금속 산화물을 포함하는 입자의 표면상에 산화구리가 첨착된 입자를 포함하는 산화구리계 촉매 등을 들 수 있지만, 본 발명은 이러한 예시에만 한정되는 것은 아니다. Examples of the catalyst include platinum group catalysts such as platinum and palladium, copper catalysts, and the like, but the present invention is not limited only to these examples. As a copper type catalyst, copper oxide containing the particle which copper oxide was impregnated on the surface of particle | grains containing metal oxides, such as a cerium oxide, a zirconium oxide, titanium oxide, magnesium oxide, a gallium oxide, an indium oxide, for example Although a system catalyst etc. are mentioned, this invention is not limited only to this illustration.
촉매 중에서는, 내열성의 관점에서, CuO/Al2O3 및 CuO/ZnO/Al2O3이 바람직하고, CuO/Al2O3가 보다 바람직하다. CuO/ZnO/Al2O3의 내열 온도는, 일반적으로 300℃ 이하이기 때문에, 그것보다 높은 온도에서는 신터링에 의해 촉매 활성이 시간의 경과와 함께 저하하게 된다. 이에 비해, CuO/Al2O3는 CuO/ZnO/Al2O3과 대비하여, 예를 들어 600℃ 정도의 고온으로 가열된 경우라 하더라도, 신터링이 일어나기 어렵다고 하는 이점을 갖는다. Among the catalysts, from the viewpoint of heat resistance, CuO / Al 2 O 3 and CuO / ZnO / Al 2 O 3 are preferable, and CuO / Al 2 O 3 is more preferable. Since the heat-resistant temperature of CuO / ZnO / Al 2 O 3 is generally 300 ° C. or less, at higher temperatures, the catalytic activity decreases with time by sintering. In contrast, CuO / Al 2 O 3 has the advantage that sintering is unlikely to occur even when heated to a high temperature of about 600 ° C., in contrast to CuO / ZnO / Al 2 O 3 .
촉매의 입경은, 촉매 입자 사이의 간극에서의 원료 혼합 가스의 통기성을 높이는 관점에서, 바람직하게는 0.5 ㎜ 이상, 보다 바람직하게는 1 ㎜ 이상이고, 촉매와 원료 혼합 가스와의 접촉 효율을 높이는 관점에서, 바람직하게는 20 ㎜ 이하, 보다 바람직하게는 10 ㎜ 이하이다. The particle diameter of the catalyst is preferably 0.5 mm or more, more preferably 1 mm or more from the viewpoint of improving the air permeability of the raw material mixed gas in the gap between the catalyst particles, and the viewpoint of increasing the contact efficiency between the catalyst and the raw material mixed gas. Is preferably at most 20 mm, more preferably at most 10 mm.
촉매의 양은, 촉매층의 형상 등에 따라 상이하지만, 통상 반응 가스 제조기(2)에 보내는 메탄올 1 g/분당 20∼300 ㎖ 정도이다. 또, 촉매층의 길이는 특별히 한정되지 않고, 촉매층 중에서 원료 혼합 가스가 어느 정도의 시간으로 체류하도록 설정하는 것이 바람직하지만, 통상 0.5∼5 m 정도이다. The amount of the catalyst is different depending on the shape of the catalyst layer and the like, but is usually about 20 to 300 ml per 1 g / min of methanol sent to the
촉매층에서의 원료 혼합 가스의 체류 시간은, 식 (I) : The residence time of the raw material mixed gas in the catalyst layer is represented by the formula (I):
〔원료 혼합 가스의 체류 시간〕[Retention time of raw material mixed gas]
=〔반응기 내의 공탑 용적〕= [Column volume in reactor]
÷〔단위 시간에 도입되는 원료 혼합 가스의 표준 상태에서의 체적〕 (I)÷ [volume at standard state of raw material mixed gas introduced in unit time] (I)
에 기초하여 구할 수 있다. 여기서, 공탑 용적은, 촉매가 충전되어 있지 않은 반응기의 내용적을 의미하며, 원료 혼합 가스의 표준 상태에서의 체적은, 1 기압, 0℃에서의 원료 혼합 가스의 체적을 의미한다. 촉매층에서의 원료 혼합 가스의 체류 시간은, 잔존하는 메탄올량을 저감시킴으로써 수소 가스의 수율을 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 0.5초 이상, 보다 바람직하게는 1초 이상이고, 수소 가스를 신속하게 제조함으로써 제조 효율을 높이는 관점에서, 바람직하게는 10초 이하, 보다 바람직하게는 5초 이하이다. Can be obtained based on Here, the empty column volume means the internal volume of the reactor which is not filled with a catalyst, and the volume in the standard state of the raw material mixed gas means the volume of the raw material mixed gas at 1 atm and 0 ° C. The residence time of the raw material mixed gas in the catalyst layer is preferably 0.5 seconds or more, more preferably 1 second or more from the viewpoint of improving the yield of hydrogen gas by reducing the amount of methanol remaining, and rapidly producing hydrogen gas. By the viewpoint of improving manufacturing efficiency by doing so, Preferably it is 10 second or less, More preferably, it is 5 second or less.
촉매층은 여러가지 형태로 이용할 수 있다. 촉매층의 형태로는, 예를 들어, 2장의 금속판 사이에 촉매층을 끼워 넣은 평판형 촉매층, 단면 형상이 사각형이나 원형인 통형상체의 내부에 촉매가 충전된 기둥형 촉매층, 동심원형으로 2개의 통형상체가 서로 겹쳐지고, 이들 통형상체의 간극에 촉매가 충전된 통형상 촉매층, 복수개의 상기 기둥형 촉매가 병렬적으로 배치된 병렬형 촉매층 등을 들 수 있지만, 본 발명은 이러한 예시에만 한정되는 것은 아니다. The catalyst layer can be used in various forms. In the form of a catalyst layer, for example, a plate-shaped catalyst layer in which a catalyst layer is sandwiched between two metal plates, a columnar catalyst layer in which a catalyst is filled in a cylindrical body having a rectangular or circular cross-sectional shape, and two cylindrical shapes concentrically The sieves overlap each other, and a cylindrical catalyst layer filled with a catalyst in the gap between these cylindrical bodies, a parallel catalyst layer in which a plurality of the columnar catalysts are arranged in parallel, and the like, but the present invention is not limited to these examples. .
반응 가스 제조기(2) 내의 반응 가스 흐름의 수직 방향에서 봤을 때, 촉매층의 중심부로부터 상기 반응 가스 제조기(2)의 기벽(器壁)까지의 거리는, 보열 용기(4) 내에 설치되어 있는 가스 연소 장치(9)로부터의 열이 촉매층의 중심부까지 효율적으로 전달되도록 하는 관점에서, 4 ㎝ 이내인 것이 바람직하다. 예를 들어, 두께가 8 ㎝인 촉매층의 경우, 촉매층의 중심부로부터 상기 반응 가스 제조기(2)의 기벽까지의 거리는 4 ㎝가 된다. When viewed from the vertical direction of the reaction gas flow in the
또, 일반적으로 식 (II) : Again, generally formula (II):
〔상당 직경〕=(〔촉매층의 단면적〕÷〔촉매에 접촉하는 기벽 길이〕)×4 (II)[Equivalent diameter] = ([cross-sectional area of catalyst layer] ÷ [base wall length in contact with catalyst]) x 4 (II)
로 표시되는 상당 직경은, 16 ㎝ 이하인 것이 상기 촉매층의 중심부까지 효율적으로 가열하는 관점에서 바람직하고, 2 ㎝ 이상인 것이 반응기를 효율적으로 제조하는 관점에서 바람직하다. 상당 직경은, 예를 들어 평면을 8 ㎝ 떨어지게 위치시킨 경우에는 16 ㎝가 되고, 한변이 16 ㎝의 사각기둥인 경우에도 16 ㎝가 되어, 동심원형으로 2장의 통형상체가 서로 겹쳐지고, 이들 통형상체의 간극에 촉매가 충전되어 있는 경우에는, 상기 2개의 통형상체의 직경의 차이가 16 ㎝인 경우에도 16 ㎝가 된다. The equivalent diameter represented by is preferably 16 cm or less from the viewpoint of efficiently heating up to the center of the catalyst layer, and preferably 2 cm or more from the viewpoint of efficiently producing the reactor. The equivalent diameter is, for example, 16 cm when the plane is placed 8 cm apart, and 16 cm even when one side is a 16 cm square pillar. The two cylindrical bodies overlap each other in concentric circles, and these cylinder shapes In the case where the catalyst is filled in the gap between the upper bodies, even when the difference between the diameters of the two cylindrical bodies is 16 cm, the diameter becomes 16 cm.
촉매층에 공급되는 원료 혼합 가스의 공급 속도는, 상기 표준 상태에서의 원료 혼합 가스의 양을 촉매층의 단면적으로 나눈 값(이하, 선속도라고 함)은, 부생성물인 디메틸에테르의 생성을 억제하는 관점에서, 바람직하게는 0.2 m/초 이상, 보다 바람직하게는 0.4 m/초 이상이고, 반응 온도가 높아지는 것을 억제하는 관점에서, 바람직하게는 2 m/초 이하, 보다 바람직하게는 1.5 m/초 이하이다. The supply rate of the raw material mixed gas supplied to the catalyst layer is a value obtained by dividing the amount of the raw material mixed gas in the standard state by the cross-sectional area of the catalyst layer (hereinafter referred to as linear velocity). Is preferably at least 0.2 m / sec, more preferably at least 0.4 m / sec, and from the viewpoint of suppressing the reaction temperature from increasing, preferably at most 2 m / sec, more preferably at most 1.5 m / sec. to be.
촉매층에 도입된 원료 혼합 가스는, 촉매층 내를 진행함에 따라서 상기 산화 반응에 의해 촉매층의 온도가 높아진다. 원료 혼합 가스의 반응 온도는, 미반응의 메탄올이 잔존하는 것을 회피하는 관점 및 일반적으로 촉매층의 하류측에서는 원료 혼합 가스의 흡열 반응이 생기고, 반응 온도가 저하함으로써 반응 속도가 낮아지는 것을 방지하는 관점에서, 바람직하게는 220℃ 이상, 보다 바람직하게는 240℃ 이상, 더욱 바람직하게는 260℃ 이상이다. 또, 원료 혼합 가스의 반응 온도는, 촉매 활성을 장시간 안정적으로 유지하는 관점에서, 바람직하게는 550℃ 이하, 보다 바람직하게는 500℃ 이하, 더욱 바람직하게는 450℃ 이하이다. As the raw material mixed gas introduced into the catalyst layer proceeds inside the catalyst layer, the temperature of the catalyst layer is increased by the oxidation reaction. The reaction temperature of the raw material mixed gas is from the viewpoint of avoiding remaining of unreacted methanol and generally from the viewpoint of preventing endothermic reaction of the raw material mixed gas from occurring on the downstream side of the catalyst layer, and preventing the reaction rate from decreasing as the reaction temperature decreases. Preferably it is 220 degreeC or more, More preferably, it is 240 degreeC or more, More preferably, it is 260 degreeC or more. In addition, the reaction temperature of the raw material mixed gas is preferably 550 ° C. or less, more preferably 500 ° C. or less, and even more preferably 450 ° C. or less from the viewpoint of keeping the catalyst activity stable for a long time.
촉매로서 구리계 촉매를 이용한 경우, 촉매층에서 산화 반응이 일어나는 개소에서는, 시간의 경과와 함께 반응 온도가 상승하게 된다. 이것은, 구리계 촉매로서 예를 들어 CuO/Al2O3를 이용했을 때, 식 (2)∼(4)로 표시되는 반응은, CuO/Al2O3의 환원체인 Cu/Al2O3 상에서 진행되지만, 산화 반응이 생기는 개소에서는, Cu/Al2O3이 점차 산화되어 CuO/Al2O3가 된다. 그 결과, 식 (2)∼(4)로 표시되는 반응이 진행되기 어려워지므로, 산화 반응만이 우선적으로 일어나기 때문에 발열이 현저하게 나타나고, 반응 온도가 점차 높아져 가기 때문에 촉매 수명이 짧아지는 것이 우려된다. In the case where a copper-based catalyst is used as the catalyst, the reaction temperature rises with time as the oxidation reaction occurs in the catalyst layer. This is, for example, when using CuO / Al 2 O 3 as the copper-containing catalyst, the formula (2) to the reaction represented by the formula (4), CuO / Al 2 O 3 reduced chain Cu / Al 2 O 3 of In the phase where the oxidation reaction occurs, Cu / Al 2 O 3 is gradually oxidized to CuO / Al 2 O 3 . As a result, since the reactions represented by the formulas (2) to (4) are less likely to proceed, the heat generation is remarkable because only the oxidation reaction occurs preferentially, and the reaction temperature is gradually increased, so that the catalyst life is shortened. .
따라서, 반응 온도가 높아지는 것을 억제하는 방법에 관해, 본 발명자들이 예의 연구를 거듭한 결과, 산소 함유 기체의 공급을 정기적으로 정지시키면 되는 것이 발견되었다. 이와 같이 촉매층에 대한 산소 함유 기체의 공급을 정기적으로 정지시킨 경우에는, 산화 반응부의 촉매층이 메탄올 등의 환원 물질과 접촉함으로써 환원되기 때문에, CuO/Al2O3가 촉매 활성을 갖는 Cu/Al2O3로 개질되는 것으로 생각된다. Therefore, as a result of earnest research by the present inventors regarding the method of suppressing the reaction temperature from increasing, it was found that the supply of the oxygen-containing gas should be stopped regularly. In this way, when the supply of the oxygen-containing gas to the catalyst layer is stopped regularly, since the catalyst layer of the oxidation reaction portion is reduced by contact with a reducing substance such as methanol, Cu / Al 2 having a catalytic activity of CuO / Al 2 O 3 It is thought to be modified with O 3 .
촉매층에 산소 함유 기체의 공급을 정지시키는 주기는, 촉매 활성을 회복시키는 관점 및 수소 가스의 제조 효율을 높이는 관점에서, 10초∼1시간인 것이 바람직하고, 10초∼10분인 것이 보다 바람직하다. 촉매층에 산소 함유 기체의 공급을 정지시키는 시간은, 촉매 활성을 회복시키는 관점 및 수소 가스의 제조 효율을 높이는 관점에서, 촉매층에 산소 함유 기체의 공급을 개시하고 나서 그 공급을 정지시키고, 다시 산소 함유 기체의 공급을 개시하기까지의 1주기당 3초∼60초인 것이 바람직하다. 또, 촉매층에 산소 함유 기체의 공급을 정지시키는 시간은, 촉매 활성을 회복시키는 관점 및 수소 가스의 제조 효율을 높이는 관점에서, 1주기당 시간의 30% 이내의 시간인 것이 바람직하다. 예를 들어, 1주기를 10초로 했을 때, 산소 함유 기체를 7초간 공급하고, 산소 함유 기체의 공급을 3초간 차단하는 것이 1주기가 된다. The period for stopping the supply of the oxygen-containing gas to the catalyst layer is preferably 10 seconds to 1 hour, more preferably 10 seconds to 10 minutes from the viewpoint of restoring the catalytic activity and increasing the production efficiency of the hydrogen gas. The time for stopping the supply of the oxygen-containing gas to the catalyst layer is, from the viewpoint of restoring the catalytic activity and increasing the production efficiency of the hydrogen gas, the supply of the oxygen-containing gas to the catalyst layer is stopped, and then the oxygen-containing It is preferable that they are 3 second-60 second per cycle until starting supply of gas. The time for stopping the supply of the oxygen-containing gas to the catalyst layer is preferably within 30% of the time per cycle from the viewpoint of restoring the catalyst activity and increasing the production efficiency of the hydrogen gas. For example, when one cycle is 10 seconds, one cycle is to supply the oxygen-containing gas for 7 seconds and to block the supply of the oxygen-containing gas for 3 seconds.
[수소 가스 분리 공정][Hydrogen Gas Separation Process]
반응 가스 제조 공정에서 얻어진 반응 가스에는, 수소 가스 외에, 미반응 메탄올의 증기, 이산화탄소 가스, 일산화탄소 가스, 수증기 등의 불순물 가스가 포함되어 있다. 고순도를 갖는 수소 가스를 제조하기 위해서는, 반응 가스에 포함되어 있는 수소 가스를 불순물 가스와 분리해야 한다. 따라서, 수소 가스 분리 공정에서는, 상기에서 얻어진 반응 가스로부터 상기 반응 가스에 포함되어 있는 수소 가스가 분리된다. 수소 가스 분리 공정에서는, 반응 가스로부터 상기 반응 가스에 포함되어 있는 수소 가스를 분리하기 위한 수소 가스 분리기(3)가 이용된다. In addition to hydrogen gas, the reaction gas obtained by the reaction gas manufacturing process contains impurity gases, such as steam of unreacted methanol, a carbon dioxide gas, carbon monoxide gas, and water vapor. In order to produce the hydrogen gas having high purity, the hydrogen gas contained in the reaction gas must be separated from the impurity gas. Therefore, in the hydrogen gas separation process, the hydrogen gas contained in the reaction gas is separated from the reaction gas obtained above. In the hydrogen gas separation process, a hydrogen gas separator 3 for separating hydrogen gas contained in the reaction gas from the reaction gas is used.
도 1에 나타내는 수소 가스 제조 장치에서는, 수소 가스 분리기(3)는, 배관(14, 15)을 통해 반응 가스 제조기(2)와 접속되어 있다. 배관(14)과 배관(15) 사이에는 열교환기(8)가 설치되어 있지만, 반드시 설치되어 있을 필요는 없다. 그러나, 열교환기(8)가 설치되어 있는 경우에는, 상기와 같이, 열교환기(8)에 의해, 반응 가스 제조기(2)에서 얻어진 반응 가스와, 원료의 메탄올 및 물이 열교환함으로써, 상기 메탄올 및 물을 효율적으로 가열할 수 있고, 반응 가스는, 메탄올 및 물과 열교환함으로써 효율적으로 냉각시킬 수 있다. In the hydrogen gas manufacturing apparatus shown in FIG. 1, the hydrogen gas separator 3 is connected to the
수소 가스 분리기(3)로는, 예를 들어 흡착제가 충전된 흡착탑 등을 들 수 있다. 흡착탑은, 1개만 이용해도 좋지만, 고순도를 갖는 수소 가스를 효율적으로 제조하는 관점에서, 예를 들어 2∼5개 정도의 복수개를 이용하는 것이 바람직하다. As the hydrogen gas separator 3, for example, an adsorption tower filled with an adsorbent may be mentioned. Although only one adsorption tower may be used, it is preferable to use a plurality of, for example, about 2 to 5 pieces from the viewpoint of efficiently producing hydrogen gas having high purity.
흡착제로는, 이산화탄소, 메탄올 등을 제거하는 경우에는 탄소계 흡착제 등을 들 수 있고, 일산화탄소를 제거하는 경우에는 제올라이트 등을 들 수 있고, 또 수증기 등을 제거하는 경우에는 알루미나 등을 들 수 있지만, 본 발명은 이러한 예시에만 한정되는 것은 아니다. 통상, 이들 흡착제는, 미반응 메탄올의 증기, 이산화탄소 가스, 일산화탄소 가스, 수증기 등의 불순물 가스를 흡착함으로써 제거하기 위해, 혼합하여 이용하는 것이 바람직하다. Examples of the adsorbent include carbon-based adsorbents for removing carbon dioxide and methanol, zeolites for removing carbon monoxide, and alumina for removing water vapor. The present invention is not limited only to this example. Usually, it is preferable to mix and use these adsorbents in order to remove by adsorbing impurity gases, such as vapor of unreacted methanol, carbon dioxide gas, carbon monoxide gas, and water vapor.
수소 가스 분리 공정은, 보다 구체적으로는, 예를 들어 일본 특허 공개 제2004-66125호 공보에 기재된 목적 가스의 분리 방법 등에 준하여 행할 수 있다. More specifically, the hydrogen gas separation step can be carried out in accordance with, for example, the separation method of the target gas described in JP-A-2004-66125.
도 1에 나타낸 수소 가스 제조 장치에서는, 수소 가스 분리 공정에서 얻어진 고순도를 갖는 수소 가스는, 배관(16)을 통해 수소 가스 저장용 탱크(17)에 저장되지만, 예를 들어, 얻어진 고순도의 수소 가스를 현장에서 신속하게 사용하는 경우에는, 수소 가스 저장용 탱크(17)는 꼭 필요하지는 않다. In the hydrogen gas manufacturing apparatus shown in FIG. 1, the hydrogen gas having high purity obtained in the hydrogen gas separation step is stored in the hydrogen
한편, 수소 가스 분리기(3)에서 흡착 제거된 불순물 가스는, 예를 들어 수소 가스의 제조를 정지시킨 후, 수소 가스 분리기(3) 내를 탈기함으로써, 수소 가스 분리기(3) 내에 잔존하고 있는 잔존 가스로서 회수할 수 있다. 잔존 가스에는, 불순물 가스 외에 수소 가스가 포함되어 있다. 잔존 가스는, 배관(18)을 통해 보열 용기(4)에 설치되어 있는 가스 연소 장치(9)에 송기된다. On the other hand, the impurity gas adsorbed and removed in the hydrogen gas separator 3 remains in the hydrogen gas separator 3 by, for example, degassing the hydrogen gas separator 3 after stopping the production of the hydrogen gas. It can be recovered as a gas. The remaining gas contains hydrogen gas in addition to the impurity gas. The remaining gas is sent to the
[잔존 가스 연소 공정][Residual Gas Combustion Process]
잔존 가스 연소 공정에서는 잔존 가스가 연소된다. 잔존 가스 연소 공정에서는, 반응 가스로부터 수소 가스가 분리된 잔존 가스를 연소하기 위한 가스 연소 장치(9)를 갖는 보열 용기(4)가 이용된다. In the remaining gas combustion process, the remaining gas is burned. In the residual gas combustion process, the heat storage container 4 which has the
본 발명에서는, 잔존 가스를 폐기 가스로서 처분하거나 연소하거나 하는 것이 아니고, 상기와 같이, 보열 용기(4) 내에 설치된 가스 연소 장치(9)에서 연소함으로써 잔존 가스의 유효 이용을 도모하는 점에도 하나의 큰 특징이 있다. In the present invention, the remaining gas is not disposed as a waste gas or burned, but as described above, the gas is burned by the
본 발명에서는, 보열 용기(4) 내의 가스 연소 장치(9)에 의해 잔존 가스를 연소할 때 발생하는 열이, 원료 가스 제조기(1) 및 반응 가스 제조기(2)에 전달되도록 설치되어 있기 때문에, 잔존 가스의 연소열을 이용하여 메탄올 및 물이 가열되어 기화하므로, 원료 가스를 효율적으로 제조할 수 있다. 또, 잔존 가스의 연소열에 의해, 반응 가스 제조기(2) 내에서의 일련의 반응, 즉 반응식 (2)∼(4)로 표시되는 반응에서, 흡열 반응에 의한 반응 가스 제조기(2) 내의 온도 저하가 억제되기 때문에, 효율적으로 수소 가스를 생성할 수 있다. 또한, 원료 가스 제조기(1) 및 반응 가스 제조기(2)는 보열 용기(4) 내에 수납되어 있기 때문에, 본 발명의 수소 가스 제조 장치 자체를 소형화할 수 있다. In the present invention, since the heat generated when burning the remaining gas by the
가스 연소 장치(9)에 의해 잔존 가스를 연소할 때에는 촉매를 이용하는 것이 바람직하다. 촉매 중에서는, 촉매 활성이 높고, 내열성이 우수하다는 점에서, 백금 촉매가 바람직하다. 백금 촉매는, 백금 입자이어도 좋고, 알루미나 입자 등의 단체에 백금이 담지된 것이어도 좋고, 또는 허니컴 구조를 갖는 단체에 백금이 담지된 것이어도 좋다. It is preferable to use a catalyst when burning the remaining gas by the
잔존 가스를 연소할 때에는, 잔존 가스를 연소시키기 위해 공기를 이용하는 것이 바람직하다. 공기는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 예를 들어, 공기 블로워(19)에 의해 공기 가열기(20)에 송기하고, 배관(21)을 통해 가스 연소 장치(9)에 송기할 수 있다. When burning residual gas, it is preferable to use air in order to burn residual gas. As shown in FIG. 1, air can be sent to the
공기의 양은, 잔존 가스에 포함되어 있는 수소 가스가 충분히 연소하는 양이면 되고, 특별히 한정되지 않는다. 잔존 가스를 연소시킴으로써 발생하는 연소 가스의 온도는, 이 공기량으로 제어할 수 있다는 점에서, 상기 공기량을 제어함으로써 연소 가스의 온도를 조절할 수 있다. 또, 연소 가스의 온도는, 발생한 연소 가스에 공기를 도입함으로써 조절할 수도 있다. The amount of air may be an amount in which hydrogen gas contained in the remaining gas is sufficiently burned, and is not particularly limited. Since the temperature of the combustion gas generated by burning the remaining gas can be controlled by this air amount, the temperature of the combustion gas can be adjusted by controlling the air amount. The temperature of the combustion gas can also be adjusted by introducing air into the generated combustion gas.
연소 가스의 온도는, 반응 가스 제조기(2)를 충분히 가열하는 관점에서, 바람직하게는 400℃ 이상이고, 반응 가스 제조기(2)가 과열되지 않도록 하는 관점에서, 바람직하게는 800℃ 이하이다. The temperature of the combustion gas is preferably 400 ° C. or more from the viewpoint of sufficiently heating the
원료 가스 제조기(1) 및 반응 가스 제조기(2)는, 보열 용기(4) 내에 연소 가스를 송기하고, 이 송기된 연소 가스에 의해 가열되도록 해도 좋고, 원료 가스 제조기(1) 및 반응 가스 제조기(2)를 각각 보열 용기(4) 내에서 설치되어 있는 가스 연소 장치(9)와 접촉시키거나 또는 상기 가스 연소 장치(9)의 근방에 설치함으로써, 가스 연소 장치(9)에서 잔존 가스가 연소함으로써 발생하는 연소열에 의해 가열되도록 해도 좋다. The raw
원료 가스 제조기(1) 및 반응 가스 제조기(2)를, 보열 용기(4) 내에 연소 가스를 송기함으로써 가열하는 경우, 보열 용기(4) 내를 폐쇄 공간으로 하고, 상기 공간 내에 연소 가스를 충만시켜도 좋다. When heating the
도 1에 나타낸 실시형태에서는, 보열 용기(4) 내에 가스 연소 장치(9)가 설치되어 있지만, 본 발명에서는, 도 1에 나타낸 실시형태뿐만 아니라, 도 2에 나타낸 바와 같이, 보열 용기(4)에 보열 용기(4)의 일부로서, 내부 공간이 연통하고 있는 별실(4a)을 설치하고, 이 별실(4a) 내에 가스 연소 장치(9)를 설치해도 좋다. 또, 도 2에 나타낸 바와 같이, 필요에 따라, 원료 가스 제조기(1)와 반응 가스 제조기(2) 사이에 격벽(22)을 설치해도 좋다. In the embodiment shown in FIG. 1, the
잔존 가스를 연소할 때 발생하는 연소열에 의한 원료 가스 제조기(1)의 가열 온도는, 원료 가스를 충분히 증발시키는 관점에서, 바람직하게는 300℃ 이상이고, 원료 가스 제조기(1)의 내열성 등을 고려하여, 바람직하게는 1000℃ 이하이다. 또, 잔존 가스를 연소할 때 발생하는 연소열에 의한 반응 가스 제조기(2)의 가열 온도는, 미반응의 메탄올의 잔존량을 적게 하여 수소 가스의 발생량을 증대시키는 관점에서, 바람직하게는 250℃ 이상이고, 촉매의 열화를 억제하는 관점에서, 바람직하게는 600℃ 이하이다. The heating temperature of the
가스 연소 장치 내에는, 연소 촉매를 이용할 수 있다. 연소 촉매로는, 예를 들어, 백금, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 은 등의 귀금속이나 이들 금속의 화합물 등을 들 수 있지만, 본 발명은 이러한 예시에만 한정되는 것은 아니다. 연소 촉매는, 예를 들어, 메탈 허니컴, 세라믹 허니컴, 볼팰릿 등에 첨착시켜 이용할 수 있다. In the gas combustion apparatus, a combustion catalyst can be used. Examples of the combustion catalyst include noble metals such as platinum, palladium, ruthenium, rhodium, silver, compounds of these metals, and the like, but the present invention is not limited only to these examples. The combustion catalyst can be used, for example, by adhering to a metal honeycomb, a ceramic honeycomb, a ball pallet, or the like.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 보열 용기(4) 내에, 잔존 가스 연소 공정에서 잔존 가스를 연소할 때 발생하는 연소열에 의해 원료 가스 제조기(1) 및 반응 가스 제조기(2)가 가열되도록 설치되어 있기 때문에, 메탄올 및 물을 효율적으로 기화시킬 수 있다는 점에서 원료 가스를 효율적으로 제조할 수 있고, 또한 원료 가스와 산소 함유 가스를 효율적으로 반응시킬 수 있다는 점에서 원료의 메탄올로부터 수소 가스를 효율적으로 제조할 수 있다. As described above, according to the present invention, the raw
(실시예)(Example)
다음으로, 본 발명을 실시예에 기초하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명은 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니다. Next, the present invention will be described in more detail based on Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
실시예 1Example 1
도 1에 나타낸 수소 가스 제조 장치와 동일한 수소 가스 제조 장치를 이용했다. The same hydrogen gas production apparatus as that used for the hydrogen gas production apparatus shown in FIG. 1 was used.
1. 원료 가스 제조 공정1. Raw material gas manufacturing process
메탄올 및 물을 기화시킴으로써 원료 가스를 제조하기 위한 원료 가스 제조기를 이용하여, 메탄올 및 물을 150∼300℃로 가열함으로써 메탄올 및 물을 기화시켜, 원료 가스를 제조했다. Methanol and water were vaporized by heating methanol and water at 150-300 degreeC using the source gas maker for manufacturing source gas by vaporizing methanol and water, and source gas was manufactured.
2. 반응 가스 제조 공정2. Reaction gas manufacturing process
상기 원료 가스 제조기와 접속되어, 상기 원료 가스 제조기에서 얻어진 원료 가스와 산소 함유 가스를 반응시켜, 반응 가스를 제조하기 위한 반응 가스 제조기를 이용하여, 원료 가스와 산소 함유 가스를 반응시킴으로써 반응 가스를 제조했다. A reaction gas is produced by reacting the source gas and the oxygen-containing gas using a reaction gas maker for connecting the source gas maker and reacting the source gas and the oxygen-containing gas obtained in the source gas maker and producing a reaction gas. did.
보다 구체적으로는, 반응 가스 제조기는 다음 2개의 부분으로 구성했다. 우선, 반응 가스 제조기의 상류측에 위치하고, 주로 반응식 (1)로 표시되는 산화 반응이 일어나는 산화 반응부에는, 촉매〔시그마알드리치재팬(주) 제조, 산화구리/알루미나 촉매〕가 충전된 내경 8.5 ㎝ 및 길이 20 ㎝를 갖는 반응관을 이용했다. 또, 반응 가스 제조기의 하류측에 위치하고, 주로 반응식 (2)∼(4)로 표시되는 반응이 일어나는 개질 반응부에는, 내경 14 ㎝ 및 길이 95 ㎝를 갖는 원통관과 내경 21 ㎝ 및 길이 95 ㎝를 갖는 원통관을 서로 겹치게 하여, 양자간의 공극(상당 직경 : 6.9 ㎝)에 상기 촉매가 충전된 반응관을 이용했다. 이 반응 가스 제조기를 이용하여 반응 가스를 제조했다. More specifically, the reaction gas maker consists of the following two parts. First, an internal diameter 8.5 cm filled with a catalyst (Sigma Aldrich Japan Co., Ltd. product, copper oxide / alumina catalyst) is placed in an upstream side of the reaction gas maker and mainly undergoes an oxidation reaction represented by the reaction formula (1). And a reaction tube having a length of 20 cm. Moreover, in the reforming reaction part which is located downstream of the reaction gas maker and mainly reacts represented by Reaction formula (2)-(4), the cylindrical tube which has an inner diameter of 14 cm and a length of 95 cm, an inner diameter of 21 cm, and a length of 95 cm Cylindrical tubes having s overlapped with each other, and a reaction tube filled with the catalyst in the pores (equivalent diameter: 6.9 cm) between the two was used. The reaction gas was manufactured using this reaction gas maker.
상기 반응 가스 제조기 내에, 상기 원료 가스 제조 공정에서 얻어진 원료 가스와 공기를, 메탄올 증기 259 g/분, 수증기 220 g/분 및 공기 102 N 리터/분(평균치)의 유량이 되도록 통기시켰다. 보다 구체적으로는, 공기를 113 N 리터/분의 유량으로 108초간 통기시킨 후, 공기의 통기를 12초간 정지시키는 조작을 주기적으로 반복했다. 상기 원료 가스 및 공기를 통기시킬 때, 물/메탄올의 몰비는 1.5/1이고, 산소 가스/메탄올의 몰비는 0.12/1이었다. In the reaction gas maker, the source gas and air obtained in the source gas production process were vented to have a flow rate of 259 g / min of methanol vapor, 220 g / min of steam, and 102 N liter / min of air (average value). More specifically, after the air was vented for 108 seconds at a flow rate of 113 N liter / minute, the operation of stopping the air passage for 12 seconds was periodically repeated. When the source gas and air were aerated, the molar ratio of water / methanol was 1.5 / 1 and the molar ratio of oxygen gas / methanol was 0.12 / 1.
또, 반응 가스 제조기의 산화 반응부에서의 반응 가스의 선속도를 1.6 m/초, 체류 시간을 0.12초로 하고, 반응 가스 제조기의 개질 반응부에서의 선속도를 0.48 m/초, 체류 시간을 2.0초로 했다. Moreover, the linear velocity of the reaction gas in the oxidation reaction part of the reaction gas machine was 1.6 m / sec, the residence time was 0.12 sec, the linear velocity in the reforming reaction part of the reactant gas machine was 0.48 m / sec, and the residence time was 2.0. It was elderly.
도 1에 나타낸 바와 같이, 반응 가스 제조기의 개질 반응부를 보열 용기 중에 위치시키고, 반응에 앞서 보열 용기를 전기 히터로 270℃로 예열했다. As shown in FIG. 1, the reforming reaction part of the reaction gas maker was placed in a heat storage container, and the heat storage container was preheated to 270 ° C by an electric heater prior to the reaction.
원료 가스 제조기에 이 메탄올수를 통과시켜 증기로 하고, 공기와 합하여 반응 가스 제조기의 산화 반응부에 통기시키면 신속하게 부분 산화 반응이 시작하여, 상기 촉매의 상부로부터 7 ㎝의 위치에서 최고 온도가 391℃였다. 이 산화 반응부로부터 배출된 반응 가스를 개질 반응부에 송기하여, 개질 반응을 행했다. 개질 반응기로부터의 가스에 포함되어 있는 수분을 응축시킨 후, 기상을 가스 크로마토그래피로 분석하면, 수소 가스 64.9 용량%, 일산화탄소 가스 1.2 용량%, 디메틸에테르 가스 0.4 용량%, 이산화탄소 가스 22.8 용량% 및 질소 가스 10.8 용량%가 포함되었다. 한편, 응축시킨 수분중에는, 미반응의 메탄올이 검출되지 않았다. This methanol water is passed through a source gas maker to form a vapor, and when combined with air and vented to an oxidation reaction unit of a reaction gas maker, a partial oxidation reaction starts rapidly, and the maximum temperature is 391 at a position of 7 cm from the top of the catalyst. ° C. The reaction gas discharged from this oxidation reaction part was sent to a reforming reaction part, and the reforming reaction was performed. After condensing the water contained in the gas from the reforming reactor and analyzing the gas phase by gas chromatography, 64.9% by volume of hydrogen gas, 1.2% by volume of carbon monoxide gas, 0.4% by volume of dimethylether gas, 22.8% by volume of carbon dioxide gas, and nitrogen 10.8% by volume of gas was included. On the other hand, unreacted methanol was not detected in the condensed water.
이상의 결과에서, 메탄올 1 몰로부터 0.054 N㎥(2.4 몰)의 수소 가스가 얻어지는 것을 알 수 있다.From the above results, it can be seen that hydrogen gas of 0.054 Nm 3 (2.4 mol) is obtained from 1 mol of methanol.
3. 수소 가스 분리 공정3. Hydrogen Gas Separation Process
상기 반응 가스 제조기와 접속되어, 상기 반응 가스 제조기에서 얻어진 반응 가스로부터 상기 반응 가스에 포함되어 있는 수소 가스를 분리하기 위한 수소 가스 분리기를 이용하여, 상기 반응 가스로부터 상기 반응 가스에 포함되어 있는 수소 가스를 분리했다. Hydrogen gas contained in the reaction gas from the reaction gas, using a hydrogen gas separator connected to the reaction gas producer and separating hydrogen gas contained in the reaction gas from the reaction gas obtained in the reaction gas manufacturer. Separated.
보다 구체적으로는, 상기 반응 가스 제조기에서 얻어진 반응 가스로부터 생성된 수분을 응축함으로써 제거한 후의 반응 가스를, 흡착제로서 제올라이트 몰레큘러시브(Ca5A형)와 카본 몰레큘러시브(CMS)를 1:1.3의 체적비로 합계 50리터의 양으로 채운 3탑식의 수소 가스 분리기〔스미토모정화(주) 제조〕에 통과시킴으로써, 순도 99%의 수소 가스를 22.5 N㎥/시간의 속도로 얻었다. 이것에서, 메탄올 1 몰로부터 수소 가스가 0.046 N㎥(2.07 몰) 얻어지는 것을 알 수 있다.More specifically, the zeolite molecular (Ca5A type) and carbon molecular (CMS) as the adsorbent are removed from the reactant gas after the moisture generated from the reactant gas obtained by the reaction gas maker is condensed. By passing through a three column type hydrogen gas separator (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) filled in a total volume of 50 liters at a volume ratio of, hydrogen gas having a purity of 99% was obtained at a rate of 22.5 Nm 3 / hour. This shows that 0.046 Nm <3> (2.07 mol) of hydrogen gas are obtained from 1 mol of methanol.
4. 잔존 가스 연소 공정4. Residual Gas Combustion Process
상기 수소 가스 분리기와 접속되어, 상기 수소 가스 분리기에서 반응 가스로부터 수소 가스가 분리된 잔존 가스를 연소하기 위한 가스 연소 장치를 갖는 보열 용기를 이용하여, 상기 반응 가스로부터 수소 가스가 분리된 잔존 가스를 연소했다. The remaining gas from which the hydrogen gas was separated from the reaction gas was connected to the hydrogen gas separator by using a heat storage vessel having a gas combustion device for burning the remaining gas from which hydrogen gas was separated from the reaction gas in the hydrogen gas separator. Burned out.
보다 구체적으로는, 수소 가스 분리기에서 반응 가스로부터 수소 가스가 분리된 잔존 가스와 공기를, 잔존 가스 18 N㎥/시간, 공기 108 N㎥/시간의 유량으로 혼합하고, 얻어진 혼합 가스를 백금 촉매층에 통과시켜 연소시킴으로써, 온도 517℃의 가열 가스를 생성했다. More specifically, in the hydrogen gas separator, the remaining gas and air from which the hydrogen gas is separated from the reaction gas are mixed at a flow rate of 18 Nm 3 / hour of residual gas and 108 Nm 3 / hour of air, and the obtained mixed gas is mixed into the platinum catalyst layer. The gas was burned through to produce a heating gas having a temperature of 517 ° C.
상기에서 발생한 가열 가스로, 상기 메탄올 증발기 및 상기 반응기를 가열했다. 반응기의 개질부에서의 온도는 270℃, 보열 용기로부터 가열 가스가 배출될 때의 온도는 281℃였다. The methanol evaporator and the reactor were heated with the heating gas generated above. The temperature at the reforming part of the reactor was 270 ° C and the temperature when the heating gas was discharged from the heat storage vessel was 281 ° C.
실시예 2Example 2
실시예 1의 반응 가스 제조기의 개질 반응부에 이용한 촉매 대신에, 촉매 〔Sud-Chemie Catalysts Japan 제조, 산화구리/산화아연/알루미나 촉매〕를 이용한 것 외에는, 실시예 1과 동일한 조작을 행했다. 그 결과, 반응 가스 제조기의 개질 반응부로부터 배출된 가스의 수분을 응축시킨 후, 기상을 가스 크로마토그래피로 분석한 결과, 수소 가스 65.7 용량%, 일산화탄소 가스 1.0 용량%, 디메틸에테르 가스가 온도로부터 추정하여 0.1 용량%, 이산화탄소 가스 23.0 용량% 및 질소 가스 10.2 용량%가 포함되었다. 한편, 응축시킨 수분중에는 미반응의 메탄올이 검출되지 않았다. The same operation as in Example 1 was carried out except that a catalyst (manufactured by Sud-Chemie Catalysts Japan, copper oxide / zinc oxide / alumina catalyst) was used instead of the catalyst used in the reforming reaction unit of the reaction gas maker of Example 1. As a result, after condensing the water of the gas discharged from the reforming reaction part of the reaction gas maker, the gas phase was analyzed by gas chromatography. As a result, 65.7% by volume of hydrogen gas, 1.0% by volume of carbon monoxide gas, and dimethylether gas were estimated from the temperature. 0.1% by volume, 23.0% by volume of carbon dioxide gas, and 10.2% by volume of nitrogen gas. On the other hand, unreacted methanol was not detected in the condensed water.
이것으로부터, 메탄올 1 몰로부터 수소 가스 0.058 N㎥(2.6 몰)이 생성되는 것이 확인되었다. 이 수분을 응축에 의해 제거한 후의 반응 가스를 3탑식의 수소 가스 분리기〔스미토모정화(주) 제조〕에 통과시켜, 순도 99.9%의 수소 가스를 23 N㎥/시간의 속도로 얻었다. 이 결과로부터, 메탄올 1 몰로부터 수소 가스 0.047 N㎥(2.12 몰)이 얻어지는 것이 확인되었다. From this, it was confirmed that 0.058 Nm3 (2.6 mol) of hydrogen gas were produced from 1 mol of methanol. The reaction gas after this water was removed by condensation was passed through a three tower hydrogen gas separator (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) to obtain hydrogen gas having a purity of 99.9% at a rate of 23 Nm 3 / hour. From this result, it was confirmed that 0.047 Nm <3> (2.12 mol) of hydrogen gas were obtained from 1 mol of methanol.
실시예 3Example 3
반응 가스 제조기의 개질 반응부로서 길이 95 ㎝, 내경 14 ㎝의 촉매〔시그마알드리치재팬(주) 제조, 산화구리/알루미나 촉매〕를 충전한 것을 이용한 것 외에는, 실시예 1과 동일하게 행했다. 반응 가스 제조기의 개질 반응부에서의 반응 가스의 체류 시간을 식: It carried out similarly to Example 1 except having used the catalyst (Sigma Aldrich Japan Co., Ltd. product, copper oxide / alumina catalyst) of 95 cm in length and 14 cm in inner diameter as a reforming reaction part of a reaction gas maker. The residence time of the reaction gas in the reforming reaction part of the reaction gas maker is expressed as:
〔반응 가스의 체류 시간〕[Retention time of reaction gas]
=〔반응 가스 제조기내의 용적〕÷〔단위 시간에 도입되는 반응 가스의 표준 상태에서의 체적〕= [Volume in reaction gas machine] ÷ [volume in standard state of reaction gas introduced in unit time]
에 기초하여 구한 결과 1.6초였다. 반응 가스 제조기의 개질 반응부에서 나온 가스로부터 수분을 응축시켜 제거한 후, 기상을 가스 크로마토그래피로 분석한 결과, 수소 가스 65.6 용량%, 일산화탄소 가스 1.0 용량%, 디메틸에테르 가스 0.3 용량%, 이산화탄소 가스 22.8 용량% 및 질소 가스 10.3 용량%가 포함되었다. 한편, 응축시킨 수분중에는 미반응의 메탄올이 6.7 질량%로 포함되었다. 이것으로부터, 메탄올 1 몰로부터 0.057 N㎥의 수소 가스가 얻어지는 것을 알 수 있다.Based on the calculation, it was 1.6 seconds. After condensing and removing moisture from the gas from the reforming reaction unit of the reaction gas maker, the gas phase was analyzed by gas chromatography. As a result, 65.6 vol% of hydrogen gas, 1.0 vol% of carbon monoxide gas, 0.3 vol% of dimethyl ether gas, and 22.8 carbon dioxide gas were analyzed. % By volume and 10.3% by nitrogen gas were included. On the other hand, the condensed water contained 6.7 mass% of unreacted methanol. This shows that 0.057 Nm3 hydrogen gas is obtained from 1 mol of methanol.
이 수분을 응축에 의해 제거한 후의 반응 가스를 3탑식의 수소 가스 분리기〔스미토모정화(주) 제조〕에 통과시켜, 순도 99%의 수소 가스를 21.5 N㎥/시간의 속도로 얻었다. 이것으로부터, 메탄올 1 몰로부터 수소 가스가 0.044 N㎥(1.97 몰) 얻어지는 것이 확인되었다. The reaction gas after this water was removed by condensation was passed through a three tower hydrogen gas separator (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) to obtain hydrogen gas having a purity of 99% at a rate of 21.5 Nm 3 / hour. From this, it was confirmed that 0.044 Nm <3> (1.97 mol) of hydrogen gas were obtained from 1 mol of methanol.
비교예 1Comparative Example 1
산화 반응의 발열에 의해 개질 반응부에 열량을 공급하는 것을 목적으로, 내통을 산화 반응부, 외통을 개질 반응부로 한 2중관 반환 방식의 반응 가스 제조기를 이용했다. 내통의 산화 반응부에 길이 38 ㎝, 내경 8.5 ㎝의 반응관, 외통의 개질 반응부에 길이 70 ㎝, 상당 직경 7.4 ㎝를 이용한 것과, 수소 가스를 분리한 후의 잔존 가스를, 메탄올 및 물에 대한 기화열의 공급을 주목적으로 연소시킨 것 외에는, 실시예 1과 동일하게 반응을 행했다. 반응 가스 제조기의 개질 반응부에서 나온 가스에 포함되어 있는 수분을 응축시킨 후, 기상을 가스 크로마토그래피로 분석한 결과, 수소 가스 63.8 용량%, 일산화탄소 가스 1.5 용량%, 디메틸에테르 가스 0.1 용량%, 이산화탄소 가스 22.3 용량% 및 질소 가스 12.3 용량%가 포함되었다. 한편, 응축된 수분에는, 미반응의 메탄올이 17.6 질량%로 포함되었다. 이것으로부터, 메탄올 1 몰로부터 0.049 N㎥(2.2 몰)의 수소 가스가 얻어지는 것을 알 수 있다.For the purpose of supplying heat to the reforming reaction unit by exothermic heat of the oxidation reaction, a double-gas return type reaction gas maker was used in which the inner cylinder was the oxidation reaction unit and the outer cylinder was the reforming reaction unit. The reaction tube of 38 cm in length, 8.5 cm in inner diameter, 70 cm in length and 7.4 cm in equivalent diameter was used for the oxidation reaction portion of the inner cylinder, and the remaining gas after the separation of hydrogen gas was applied to methanol and water. The reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that the supply of vaporization heat was mainly burned. After condensing the water contained in the gas from the reforming reaction unit of the reaction gas maker, the gas phase was analyzed by gas chromatography. As a result, 63.8 vol% of hydrogen gas, 1.5 vol% of carbon monoxide gas, 0.1 vol% of dimethyl ether gas, and carbon dioxide 22.3% gas and 12.3% nitrogen gas were included. On the other hand, the condensed water contained 17.6 mass% of unreacted methanol. This shows that 0.049 Nm <3> (2.2 mol) of hydrogen gas is obtained from 1 mol of methanol.
비교예 1에서는, 실시예 3과 비교하여 반응율이 저하되고, 미반응의 메탄올량이 증가하고 있는 것이 확인되었다. In Comparative Example 1, the reaction rate was lowered compared to Example 3, and it was confirmed that the amount of unreacted methanol was increased.
이상의 결과에서, 각 실시예에 의하면, 에너지 효율이 우수하고, 수소 가스를 효율적으로 제조할 수 있고, 또한 소형화된 수소 가스 제조 장치에 적용할 수 있는 것을 알 수 있다. As a result, according to each example, it is understood that the energy efficiency is excellent, the hydrogen gas can be efficiently produced and can be applied to the miniaturized hydrogen gas production apparatus.
1 : 원료 가스 제조기 2 : 반응 가스 제조기
3 : 수소 가스 분리기 4 : 보열 용기
9 : 가스 연소 장치1: source gas maker 2: reactive gas maker
3: hydrogen gas separator 4: heat storage container
9: gas combustion device
Claims (5)
메탄올 및 물을 기화시킴으로써 원료 가스를 제조하기 위한 원료 가스 제조기와,
상기 원료 가스 제조기와 접속되어, 상기 원료 가스 제조기에서 얻어진 원료 가스와 산소 함유 가스를 반응시켜, 반응 가스를 제조하기 위한 반응 가스 제조기와,
상기 반응 가스 제조기와 접속되어, 상기 반응 가스 제조기에서 얻어진 반응 가스로부터 상기 반응 가스에 포함되어 있는 수소 가스를 분리하기 위한 수소 가스 분리기, 그리고
상기 수소 가스 분리기와 접속되어, 상기 수소 가스 분리기에서 반응 가스로부터 수소 가스가 분리된 잔존 가스를 연소하기 위한 가스 연소 장치를 갖는 보열 용기
를 구비하며,
상기 원료 가스 제조기 및 상기 반응 가스 제조기가, 상기 가스 연소 장치에서 잔존 가스를 연소함으로써 생긴 열이 전달되도록 상기 보열 용기 내에 설치되어 있는 것인 수소 가스 제조 장치. A hydrogen gas producing apparatus for producing hydrogen gas from methanol,
A raw material gas maker for producing a raw material gas by vaporizing methanol and water,
A reactive gas producer connected to the raw material gas maker, for reacting a raw material gas obtained in the raw material gas maker with an oxygen-containing gas to produce a reactive gas;
A hydrogen gas separator connected to the reactive gas producer for separating hydrogen gas contained in the reactive gas from the reactive gas obtained by the reactive gas producer, and
A heat retention container connected to the hydrogen gas separator and having a gas combustion device for burning residual gas from which hydrogen gas is separated from a reaction gas in the hydrogen gas separator.
Equipped with
The source gas maker and the reactive gas maker are installed in the heat storage container such that heat generated by burning residual gas in the gas combustion device is transferred.
메탄올 및 물을 기화시킴으로써 원료 가스를 제조하는 원료 가스 제조 공정과,
상기 원료 가스와 산소 함유 가스를 반응시킴으로써 반응 가스를 제조하는 반응 가스 제조 공정과,
상기 반응 가스로부터 상기 반응 가스에 포함되어 있는 수소 가스를 분리하는 수소 가스 분리 공정, 그리고
상기 반응 가스로부터 수소 가스가 분리된 잔존 가스를 연소하는 잔존 가스 연소 공정
을 포함하며,
상기 잔존 가스 연소 공정에서 잔존 가스를 연소할 때 발생하는 열에 의해, 상기 원료 가스 제조 공정에서 메탄올 및 물을 기화시키고, 상기 반응 가스 제조 공정에서 원료 가스와 산소 함유 가스를 반응시키는 것을 특징으로 하는 수소 가스 제조 방법. A hydrogen gas production method for producing hydrogen gas from methanol,
A raw material gas manufacturing step of producing a raw material gas by vaporizing methanol and water;
A reaction gas production process for producing a reaction gas by reacting the source gas with an oxygen-containing gas;
A hydrogen gas separation process for separating hydrogen gas contained in the reaction gas from the reaction gas, and
Residual gas combustion process of burning residual gas from which hydrogen gas was isolate | separated from the said reaction gas
Including;
Hydrogen characterized by vaporizing methanol and water in the raw material gas production step by heat generated when burning the residual gas in the residual gas combustion step, and reacting the raw material gas and the oxygen-containing gas in the reactive gas production step. Gas production method.
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