WO2021065892A1 - Ammonia synthesis catalyst - Google Patents

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難波 哲哉
工 藤田
和寛 八木田
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国立研究開発法人産業技術総合研究所
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Abstract

An ammonia synthesis catalyst that is for synthesizing ammonia from nitrogen and hydrogen. The ammonia synthesis catalyst comprises an iron-based alloy piece that contains vanadium.

Description

アンモニア合成触媒Ammonia synthesis catalyst
 本発明は、アンモニア合成触媒に関する。 The present invention relates to an ammonia synthesis catalyst.
 アンモニアは食料生産に欠かせない化学肥料の重要原料であると同時に、膨大な窒素系化学品の主要原料でもあり、アンモニアの生産量は増え続けている。そして、空気中の窒素を水素と反応させてアンモニアを合成するハーバー・ボッシュ法は、約100年前に工業化された方法であるが、現在でもアンモニアの生産によって人類社会を支えるのに必要不可欠となっている。 Ammonia is an important raw material for chemical fertilizers that are indispensable for food production, and at the same time, it is also a major raw material for a huge amount of nitrogen-based chemicals, and the production of ammonia continues to increase. The Haber-Bosch method, which synthesizes ammonia by reacting nitrogen in the air with hydrogen, was industrialized about 100 years ago, but it is still indispensable for supporting human society by producing ammonia. It has become.
 ハーバー・ボッシュ法は、触媒成分であるFeに、助触媒としてAl及びKOを数質量%添加した二重促進鉄触媒(doubly promoted iron catalyst)の存在下において、窒素と水素とを400℃~600℃及び200~400気圧の高温高圧条件で直接反応させ、アンモニアを製造する方法である。 The Haber-Bosch method uses nitrogen in the presence of a doubly promoted iron catalyst in which several mass% of Al 2 O 3 and K 2 O are added as co-catalysts to Fe 3 O 4 , which is a catalyst component. This is a method for producing ammonia by directly reacting hydrogen with hydrogen under high temperature and high pressure conditions of 400 ° C. to 600 ° C. and 200 to 400 atm.
 これまでに、ハーバー・ボッシュ法触媒の代替アンモニア合成触媒として、ルテニウム触媒が開発されている。しかしながら、ルテニウム触媒は、水素の圧力が高くなると活性が低下し、十分な触媒活性が得られないなどの問題がある。加えて、ルテニウム触媒は高価である。そのため、ハーバー・ボッシュ法触媒の代替となる、高触媒活性かつ安価なアンモニア合成触媒の開発が望まれている。 So far, a ruthenium catalyst has been developed as an alternative ammonia synthesis catalyst for the Haber-Bosch method catalyst. However, the ruthenium catalyst has a problem that the activity decreases as the hydrogen pressure increases, and sufficient catalytic activity cannot be obtained. In addition, ruthenium catalysts are expensive. Therefore, it is desired to develop a highly catalytically active and inexpensive ammonia synthesis catalyst that can replace the Haber-Bosch catalyst.
 本発明の課題は、窒素及び水素から効率よくアンモニアを合成することができ、かつ安価なアンモニア合成触媒を提供することである。 An object of the present invention is to provide an inexpensive ammonia synthesis catalyst capable of efficiently synthesizing ammonia from nitrogen and hydrogen.
 本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、バナジウムを含有する鉄基合金片がアンモニア合成触媒として機能することを見出し、本発明を完成させた。
 即ち、本発明は、以下の通りである。
The present inventors have made diligent studies to solve the above problems. As a result, they found that the iron-based alloy piece containing vanadium functions as an ammonia synthesis catalyst, and completed the present invention.
That is, the present invention is as follows.
〔1〕
 窒素と水素とからアンモニアを合成するためのアンモニア合成触媒であって、バナジウムを含有する鉄基合金片からなる、アンモニア合成触媒。
〔2〕
 前記バナジウムを含有する鉄基合金片全体に対するバナジウムの含有量が、0.1質量%以上5.2質量%以下である、〔1〕に記載のアンモニア合成触媒。
〔3〕
 前記バナジウムを含有する鉄基合金片は、表面にバナジウムを含有する四三酸化鉄層を有する、〔1〕又は〔2〕に記載のアンモニア合成触媒。
〔4〕
 前記バナジウムを含有する鉄基合金片の形状が、球体である、〔1〕~〔3〕の何れかに記載のアンモニア合成触媒。
〔5〕
 前記球体の直径が、0.2mm以上1.0cm以下である、〔4〕に記載のアンモニア合成触媒。
〔6〕
 前記バナジウムを含有する鉄基合金片の比表面積が、0m/g超1.0m/g以下である、〔1〕~〔5〕の何れかに記載のアンモニア合成触媒。
〔7〕
 前記バナジウムを含有する鉄基合金片が、バナジウムを含有する鋼片である、〔1〕~〔6〕の何れかに記載のアンモニア合成触媒。
〔8〕
 触媒の存在下において窒素と水素とを反応させてアンモニアを合成するアンモニア合成工程を含み、
 前記触媒が、〔1〕~〔7〕の何れかに記載のアンモニア合成触媒である、アンモニアの製造方法。
〔9〕
 前記アンモニア合成工程における反応温度が、350℃以上600℃以下である、〔8〕に記載のアンモニアの製造方法。
〔10〕
 前記アンモニア合成工程における反応圧力が、1.0bar以上100bar以下である、〔8〕又は〔9〕に記載のアンモニアの製造方法。
〔11〕
 内部で窒素と水素とからアンモニア合成を行う反応容器を備え、
 前記反応容器の内部には、〔1〕~〔7〕の何れかに記載のアンモニア合成触媒が配置されている、アンモニア製造システム。
[1]
Ammonia synthesis catalyst for synthesizing ammonia from nitrogen and hydrogen, which is composed of vanadium-containing iron-based alloy pieces.
[2]
The ammonia synthesis catalyst according to [1], wherein the content of vanadium with respect to the entire iron-based alloy piece containing vanadium is 0.1% by mass or more and 5.2% by mass or less.
[3]
The ammonia synthesis catalyst according to [1] or [2], wherein the vanadium-containing iron-based alloy piece has a vanadium-containing triiron tetroxide layer on the surface.
[4]
The ammonia synthesis catalyst according to any one of [1] to [3], wherein the vanadium-containing iron-based alloy piece has a spherical shape.
[5]
The ammonia synthesis catalyst according to [4], wherein the diameter of the sphere is 0.2 mm or more and 1.0 cm or less.
[6]
The ammonia synthesis catalyst according to any one of [1] to [5], wherein the specific surface area of the vanadium-containing iron-based alloy piece is more than 0 m 2 / g and 1.0 m 2 / g or less.
[7]
The ammonia synthesis catalyst according to any one of [1] to [6], wherein the vanadium-containing iron-based alloy piece is a vanadium-containing steel piece.
[8]
Includes an ammonia synthesis step in which nitrogen and hydrogen are reacted in the presence of a catalyst to synthesize ammonia.
A method for producing ammonia, wherein the catalyst is the ammonia synthesis catalyst according to any one of [1] to [7].
[9]
The method for producing ammonia according to [8], wherein the reaction temperature in the ammonia synthesis step is 350 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.
[10]
The method for producing ammonia according to [8] or [9], wherein the reaction pressure in the ammonia synthesis step is 1.0 bar or more and 100 bar or less.
[11]
Equipped with a reaction vessel that synthesizes ammonia from nitrogen and hydrogen inside
An ammonia production system in which the ammonia synthesis catalyst according to any one of [1] to [7] is arranged inside the reaction vessel.
 本発明の製造方法によれば、窒素及び水素から効率よくアンモニアを合成することのできる安価なアンモニア合成触媒を提供することができる。 According to the production method of the present invention, it is possible to provide an inexpensive ammonia synthesis catalyst capable of efficiently synthesizing ammonia from nitrogen and hydrogen.
実験例1及び実験例2における反応温度と生成ガス中のアンモニア濃度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the reaction temperature in Experimental Example 1 and Experimental Example 2 and the ammonia concentration in a product gas.
 本発明の詳細を説明するにあたり、具体例を挙げて説明するが、本発明の趣旨を逸脱しない限り以下の内容に限定されるものではなく、適宜変更して実施することができる。 In explaining the details of the present invention, specific examples will be given, but the contents are not limited to the following as long as they do not deviate from the gist of the present invention, and they can be modified as appropriate.
<アンモニア合成触媒>
 本発明の第1の実施態様に係るアンモニア合成触媒は、窒素と水素とからアンモニアを合成するための触媒であって、バナジウムを含有する鉄基合金片からなる。なお、バナジウムを含有する鉄基合金片からなるアンモニア合成触媒とは、バナジウムを含有する鉄基合金以外の成分を一切含んでいないことを意味するものでなく、例えば数質量%程度の不純物を含んでいてもよく、表面に酸化物層を有していてもよい。また、触媒性能を発揮するための必要成分である「バナジウム」は、バナジウムそれ自体(即ち、バナジウム原子)だけでなく、バナジウム酸化物、バナジウム窒化物、バナジウム炭化物、バナジウム炭窒化物等のバナジウム化合物の態様で鉄基合金片に含まれていてよい。
<Ammonia synthesis catalyst>
The ammonia synthesis catalyst according to the first embodiment of the present invention is a catalyst for synthesizing ammonia from nitrogen and hydrogen, and is composed of a vanadium-containing iron-based alloy piece. The ammonia synthesis catalyst composed of vanadium-containing iron-based alloy pieces does not mean that it does not contain any components other than vanadium-containing iron-based alloy pieces, and contains, for example, impurities of about several mass%. It may be, and may have an oxide layer on the surface. In addition, "vanadium", which is a necessary component for exhibiting catalytic performance, is not only vanadium itself (that is, vanadium atom), but also vanadium compounds such as vanadium oxide, vanadium nitride, vanadium carbide, and vanadium carbonitride. It may be contained in the iron-based alloy piece in the above embodiment.
 本実施態様に係るアンモニア合成触媒は、単位表面積あたりの触媒活性が高く、ルテニウム触媒よりも安価である。 The ammonia synthesis catalyst according to this embodiment has high catalytic activity per unit surface area and is cheaper than the ruthenium catalyst.
 なお、本明細書において、単位表面積あたりの触媒活性は、下記式(I)の通り、アンモニア収量をアンモニア合成触媒の総表面積及び反応時間で除した値により評価するものとする。なお、アンモニア合成触媒の総表面積は、BET比表面積(m/g)にアンモニア合成触媒の質量を乗じることによって算出することができる。本実施態様におけるアンモニア合成触媒は、後述するようにBET比表面積測定法では比表面積を測定できない場合がある。この場合、アンモニア合成触媒の総表面積は、幾何学的な計算式から求めればよい。 In the present specification, the catalytic activity per unit surface area shall be evaluated by the value obtained by dividing the ammonia yield by the total surface area of the ammonia synthesis catalyst and the reaction time as shown in the following formula (I). The total surface area of the ammonia synthesis catalyst can be calculated by multiplying the BET specific surface area (m 2 / g) by the mass of the ammonia synthesis catalyst. As will be described later, the ammonia synthesis catalyst in this embodiment may not be able to measure the specific surface area by the BET specific surface area measuring method. In this case, the total surface area of the ammonia synthesis catalyst may be obtained from a geometric calculation formula.
単位表面積あたりの触媒活性(mmol/m/hour)=
アンモニア収量(mmol)/アンモニア合成触媒の総表面積(m)/反応時間(hour)                (I)
Catalytic activity per unit surface area (mmol / m 2 / hour) =
Ammonia yield (mmol) / total surface area of ammonia synthesis catalyst (m 2 ) / reaction time (hour) (I)
(バナジウムを含有する鉄基合金)
 本実施態様において、バナジウムを含有する鉄基合金片を構成するバナジウムを含有する鉄基合金とは、鉄が50質量%以上含む合金を意味し、バナジウム及び鉄以外に、マンガン、クロム、モリブデン、ニッケル、ケイ素、炭素等の他の元素を含んでいてよい。当該他の元素の含有量、含有比等は特に限定されない。
(Iron-based alloy containing vanadium)
In the present embodiment, the vanadium-containing iron-based alloy constituting the vanadium-containing iron-based alloy piece means an alloy containing 50% by mass or more of iron, and in addition to vanadium and iron, manganese, chromium, molybdenum, etc. It may contain other elements such as nickel, silicon and carbon. The content, content ratio, etc. of the other element are not particularly limited.
 バナジウムを含有する鉄基合金全体に対するバナジウムの含有量は、バナジウムを含有する鉄基合金片の硬度、強度、靱性、耐摩耗性、及び耐熱性に悪影響を与えない限り、特に限定されないが、通常0.1質量%以上5.2質量%以下である。バナジウムの含有量の下限は、好ましくは1.0質量%以上、1.5質量%以上、2.0質量%以上、又は2.5質量%以上である。また、バナジウムの含有量の上限は、好ましくは、5.0質量%以下、又は4.5質量%以下である。バナジウムの含有量が上記範囲であることにより、反応速度及び反応収率が高まり、高い製造効率でアンモニアを製造することができる。なお、バナジウムがバナジウム化合物の態様でバナジウム化合物に含まれる場合は、上記バナジウムの含有量は、原子換算の含有量である。 The content of vanadium with respect to the entire vanadium-containing iron-based alloy is not particularly limited as long as it does not adversely affect the hardness, strength, toughness, abrasion resistance, and heat resistance of the vanadium-containing iron-based alloy piece, but is usually limited. It is 0.1% by mass or more and 5.2% by mass or less. The lower limit of the vanadium content is preferably 1.0% by mass or more, 1.5% by mass or more, 2.0% by mass or more, or 2.5% by mass or more. The upper limit of the vanadium content is preferably 5.0% by mass or less, or 4.5% by mass or less. When the vanadium content is in the above range, the reaction rate and the reaction yield are increased, and ammonia can be produced with high production efficiency. When vanadium is contained in the vanadium compound in the form of a vanadium compound, the content of the vanadium is an atomic conversion content.
 バナジウムを含有する鉄基合金は、硬度、強度、靭性、耐摩耗性等に優れる点で、バナジウムを含有する鋼であることが好ましい。バナジウムを含有する鋼としては、例えばクロム鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロム鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、マンガン鋼、マンガンクロム鋼等にバナジウムが添加された鋼が挙げられる。バナジウムを含有する鋼中の各構成元素の含有量としては、前述した各種鋼において一般的な含有量の範囲とすることができる。 The vanadium-containing iron-based alloy is preferably vanadium-containing steel in that it is excellent in hardness, strength, toughness, wear resistance, and the like. Examples of the vanadium-containing steel include chrome steel, chrome molybdenum steel, nickel chrome steel, nickel chrome molybdenum steel, manganese steel, manganese chrome steel and the like with vanadium added. The content of each constituent element in the vanadium-containing steel can be in the range of a general content in the above-mentioned various steels.
 バナジウムを含有する鋼の具体的な組成としては、例えば下記組成が挙げられる。
 組成A
  バナジウム:0.1質量%以上5.2質量%以下
  マンガン:0.3質量%以上2.0質量%以下
  クロム:0質量%以上30質量%以下
  モリブデン:0質量%以上7.0質量%以下
  ニッケル:30質量%以下
  ケイ素:0.15質量%以上5.0質量%以下
  炭素:2.2質量%以下
  鉄及び不可避的不純物:残部
Specific compositions of vanadium-containing steel include, for example, the following compositions.
Composition A
Vanadium: 0.1% by mass or more and 5.2% by mass or less Manganese: 0.3% by mass or more and 2.0% by mass or less Chromium: 0% by mass or more and 30% by mass or less Molybdenum: 0% by mass or more and 7.0% by mass or less Nickel: 30% by mass or less Silicon: 0.15% by mass or more and 5.0% by mass or less Carbon: 2.2% by mass or less Iron and unavoidable impurities: balance
 バナジウムを含有する鋼の具体例としては、例えばAMS(航空宇宙材料規格;米国)6278;AMS6491;特開2012-237062号、特開2014-58729号、又は特開2015-151621号に開示されているような、JIS規格SUJ2にバナジウムを添加して得られる鋼;等が挙げられる。 Specific examples of the vanadium-containing steel are disclosed in, for example, AMS (Aerospace Material Standard; USA) 6278; AMS6491; JP2012-237062, JP2014-58729, or JP2015-151621. Such as steel obtained by adding vanadium to JIS standard SUJ2; and the like.
 本実施態様において、バナジウムを含有する鉄基合金中のバナジウムの分布状態は特に限定されない。即ち、バナジウムは、鉄基合金の素地中に均一に分布していてもよく、局所的に分布していてもよい。バナジウムが鉄基合金中に局所的に分布する態様としては、例えば、バナジウムが、鉄基合金の素地中の一部、表面等に他の部分より高い存在比率で存在している態様が挙げられる。これらのうち、バナジウムは、少なくとも鉄基合金片の表面の一部に存在するよう分布していることが好ましい。触媒活性成分であるバナジウムが鉄基合金片の表面に存在することにより、触媒活性成分に接触した窒素と水素との反応が促進され、高い反応速度及び反応収率でアンモニアを製造することができると推測されるからである。 In this embodiment, the distribution state of vanadium in the vanadium-containing iron-based alloy is not particularly limited. That is, vanadium may be uniformly distributed in the base material of the iron-based alloy, or may be locally distributed. Examples of the mode in which vanadium is locally distributed in the iron-based alloy include a mode in which vanadium is present in a part, surface, etc. of the base material of the iron-based alloy at a higher abundance ratio than other parts. .. Of these, vanadium is preferably distributed so as to be present at least on a part of the surface of the iron-based alloy piece. The presence of vanadium, which is a catalytically active component, on the surface of the iron-based alloy piece promotes the reaction between nitrogen and hydrogen in contact with the catalytically active component, and ammonia can be produced at a high reaction rate and reaction yield. This is because it is presumed.
(バナジウムを含有する四三酸化鉄層)
 本実施態様に係るバナジウムを含有する鉄基合金片は、表面にバナジウムを含有する四三酸化鉄(Fe)層を有することが好ましい。バナジウムを含有する鉄基合金片の表面にバナジウムを含有する四三酸化鉄層が形成されていることにより、窒素と水素が触媒活性成分に接触する頻度が高くなるため、反応速度及び反応収率を向上させることができる。また、バナジウムを含有する四三酸化鉄層は、バナジウムを含有する鉄基合金の防錆にも効果を発揮する。
(Vanadium-containing triiron tetroxide layer)
The vanadium-containing iron-based alloy piece according to this embodiment preferably has a vanadium-containing ferric tetraoxide (Fe 3 O 4 ) layer on its surface. Since the vanadium-containing triiron tetraoxide layer is formed on the surface of the vanadium-containing iron-based alloy piece, the frequency of contact between nitrogen and hydrogen with the catalytically active component increases, so that the reaction rate and reaction yield are increased. Can be improved. In addition, the vanadium-containing triiron tetroxide layer is also effective in preventing rust on the vanadium-containing iron-based alloy.
 バナジウムを含有する四三酸化鉄層は、表面に四三酸化鉄層が形成されていないバナジウムを含有する鉄基合金片の表面を酸化処理することにより形成することができる。表面に四三酸化鉄層が形成されていないバナジウムを含有する鉄基合金片としては、バナジウムを含有する鋼の具体例として挙げたものを採用することができる。酸化処理は、大気中で加熱することにより行うことができる。加熱温度は、通常500℃以上、好ましくは600℃以上、650℃以上、又は800℃以上、また、通常バナジウムを含有する鉄基合金の変態点未満である。また、加熱時間は、通常0.5時間以上、好ましくは1.0時間以上、また、通常10時間以下、好ましくは5時間以下である。このような酸化処理としては、例えば特開2012-237062号、又は特開2014-58729号に開示されている、鋼部材の酸化処理の方法を採用してもよい。 The vanadium-containing triiron tetroxide layer can be formed by oxidizing the surface of a vanadium-containing iron-based alloy piece in which the triiron tetroxide layer is not formed on the surface. As the vanadium-containing iron-based alloy piece on which the triiron tetroxide layer is not formed on the surface, those mentioned as specific examples of vanadium-containing steel can be adopted. The oxidation treatment can be carried out by heating in the atmosphere. The heating temperature is usually 500 ° C. or higher, preferably 600 ° C. or higher, 650 ° C. or higher, or 800 ° C. or higher, and usually less than the transformation point of the iron-based alloy containing vanadium. The heating time is usually 0.5 hours or more, preferably 1.0 hours or more, and usually 10 hours or less, preferably 5 hours or less. As such an oxidation treatment, for example, the method of oxidation treatment of a steel member disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-237062 or Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-58729 may be adopted.
(形状)
 バナジウムを含有する鉄基合金片の形状は、特に限定されない。本実施態様に係るアンモニア合成触媒は、上述したように単位表面積あたりの触媒活性が高いため、形状の制約を受けにくく、即ち、形状の自由度が高い。従って、バナジウムを含有する鉄基合金片の形状としては、反応容器、プロセス、アンモニア製造システム等に応じた様々な形状を採用することができる。
 具体的な形状としては、球体;立方体、六角柱、三角錐等の多面体;針状形状;板形状;等が挙げられる。これらのうち、強度に優れる点で、球体であることが好ましい。なお、「球体」とは、真球に限らず、断面形状が円形、楕円形、略円形、又は略楕円形となる立体形状を意味する。触媒の形状は、1種類に限られず、2種類以上を組み合わせることもできる。
(shape)
The shape of the iron-based alloy piece containing vanadium is not particularly limited. As described above, the ammonia synthesis catalyst according to this embodiment has high catalytic activity per unit surface area, and is therefore less susceptible to shape restrictions, that is, has a high degree of freedom in shape. Therefore, as the shape of the iron-based alloy piece containing vanadium, various shapes can be adopted depending on the reaction vessel, the process, the ammonia production system, and the like.
Specific shapes include a sphere; a polyhedron such as a cube, a hexagonal column, and a triangular pyramid; a needle shape; a plate shape; and the like. Of these, a sphere is preferable because it has excellent strength. The term "sphere" is not limited to a true sphere, but means a three-dimensional shape having a circular, elliptical, substantially circular, or substantially elliptical cross-sectional shape. The shape of the catalyst is not limited to one type, and two or more types can be combined.
(サイズ)
 バナジウムを含有する鉄基合金片のサイズは、反応容器に配置できる限り、特に限定されず、触媒活性、製造するアンモニアの量、反応装置のスケール等に応じて適宜選択することができる。
 上述したように、本実施態様に係るアンモニア合成触媒は、単位表面積あたりの触媒活性が高く、触媒活性を向上させるために触媒の表面積を大きくする必要がない。従って、バナジウムを含有する鉄基合金片の長径は、0.2mm、1.0mm、2.0mm、4.0mm、5.0mm、6.0mm、8.0mm、又は1.0cm程度であってよい。バナジウムを含有する鉄基合金片をこの程度のサイズとすることで、作業性が向上し、簡便にアンモニアを製造することができる。また、当然、触媒の表面積が大きくてもアンモニア合成反応を促進することができるため、バナジウムを含有する鉄基合金片の長径は、数nm~数百μm程度であってもよい。
(size)
The size of the vanadium-containing iron-based alloy piece is not particularly limited as long as it can be arranged in the reaction vessel, and can be appropriately selected depending on the catalytic activity, the amount of ammonia produced, the scale of the reaction apparatus, and the like.
As described above, the ammonia synthesis catalyst according to the present embodiment has high catalytic activity per unit surface area, and it is not necessary to increase the surface area of the catalyst in order to improve the catalytic activity. Therefore, the major axis of the iron-based alloy piece containing vanadium is about 0.2 mm, 1.0 mm, 2.0 mm, 4.0 mm, 5.0 mm, 6.0 mm, 8.0 mm, or 1.0 cm. Good. By setting the vanadium-containing iron-based alloy piece to this size, workability is improved and ammonia can be easily produced. Further, as a matter of course, since the ammonia synthesis reaction can be promoted even if the surface area of the catalyst is large, the major axis of the iron-based alloy piece containing vanadium may be about several nm to several hundred μm.
 例えば、バナジウムを含有する鉄基合金片の形状が球体である場合、その直径は通常0.05mm以上5.0cm以下である。直径の下限は、好ましくは0.2mm以上、0.3mm以上、1.0mm以上、2.0mm以上、2.5mm以上、又は3.0mm以上である。また、直径の上限は、好ましくは3.0cm以下、1.0cm以下、8.0mm以下、6.0mm以下、又は4.0mm以下である。球体の直径を上記範囲とすることで、触媒の取り扱いの容易性が向上する。 For example, when the shape of the iron-based alloy piece containing vanadium is spherical, its diameter is usually 0.05 mm or more and 5.0 cm or less. The lower limit of the diameter is preferably 0.2 mm or more, 0.3 mm or more, 1.0 mm or more, 2.0 mm or more, 2.5 mm or more, or 3.0 mm or more. The upper limit of the diameter is preferably 3.0 cm or less, 1.0 cm or less, 8.0 mm or less, 6.0 mm or less, or 4.0 mm or less. By setting the diameter of the sphere within the above range, the ease of handling the catalyst is improved.
(比表面積)
 従来、工業的に使用されている二重促進鉄触媒は、高い反応速度、反応収率等を得るため、比表面積が数十m/gに調整されていた。一方、本実施態様に係るアンモニア合成触媒は、単位表面積あたりの触媒活性が高いため、比表面積を従来の二重促進鉄触媒のように大きくする必要がない。従って、本実施態様に係るアンモニア合成触媒の比表面積は、特に限定されず、触媒の形状、触媒のサイズ、製造するアンモニアの量、反応装置のスケール等に応じて適宜選択することができる。
(Specific surface area)
Conventionally, the double-accelerated iron catalyst used industrially has a specific surface area adjusted to several tens of m 2 / g in order to obtain a high reaction rate, a reaction yield, and the like. On the other hand, since the ammonia synthesis catalyst according to this embodiment has high catalytic activity per unit surface area, it is not necessary to increase the specific surface area as in the conventional double-accelerated iron catalyst. Therefore, the specific surface area of the ammonia synthesis catalyst according to this embodiment is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the shape of the catalyst, the size of the catalyst, the amount of ammonia to be produced, the scale of the reaction apparatus, and the like.
 本実施態様において、バナジウムを含有する鉄基合金片の比表面積(即ち、アンモニア合成触媒の比表面積)は、上述した形状、サイズ等によって定まるものであり、通常0m/g超1.0m/g以下である。バナジウムを含有する鉄基合金片の表面積の下限は、好ましくは1.0×10-7/g以上、又は1.0×10-6/g以上である。また、バナジウムを含有する鉄基合金片の表面積の上限は、好ましくは1.0×10-3/g以下、1.0×10-4/g以下、又は1.0×10-5/g以下である。 In this embodiment, the specific surface area of the vanadium-containing iron-based alloy piece (that is, the specific surface area of the ammonia synthesis catalyst) is determined by the shape, size, etc. described above, and is usually more than 0 m 2 / g and 1.0 m 2. It is less than / g. The lower limit of the surface area of the vanadium-containing iron-based alloy piece is preferably 1.0 × 10 -7 m 2 / g or more, or 1.0 × 10 -6 m 2 / g or more. The upper limit of the surface area of the vanadium-containing iron-based alloy piece is preferably 1.0 × 10 -3 m 2 / g or less, 1.0 × 10 -4 m 2 / g or less, or 1.0 × 10 It is -5 m 2 / g or less.
 なお、アンモニア合成触媒の比表面積は、N吸着によるBET比表面積測定法によって求められる単位質量あたりの表面積である。しかしながら、バナジウムを含有する鉄基合金片は、表面が平滑であるためにBET比表面積測定法では装置の測定限界未満となり、比表面積を測定することができない(即ち、測定結果が0m/gとなる)場合がある。そのような場合は、バナジウムを含有する鉄基合金片の表面が平滑であることを考慮し、幾何学的な計算式から求められるバナジウムを含有する鉄基合金片の表面積をバナジウムを含有する鉄基合金片の質量で除した値を、バナジウムを含有する鉄基合金片の比表面積とする。例えば、バナジウムを含有する鉄基合金片の比表面積は、バナジウムを含有する鉄基合金片の形状が球体である場合には式(II)により算出され、バナジウムを含有する鉄基合金片の形状が立方体である場合には式(III)により算出される。 The specific surface area of the ammonia synthesis catalyst is the surface area per unit mass determined by the BET specific surface area measurement method by N 2 adsorption. However, since the surface of the iron-based alloy piece containing vanadium is smooth, it is less than the measurement limit of the device by the BET specific surface area measurement method, and the specific surface area cannot be measured (that is, the measurement result is 0 m 2 / g). ) May be. In such a case, considering that the surface of the vanadium-containing iron-based alloy piece is smooth, the surface area of the vanadium-containing iron-based alloy piece obtained from the geometric calculation formula is the vanadium-containing iron. The value divided by the mass of the base alloy piece is taken as the specific surface area of the iron base alloy piece containing vanadium. For example, the specific surface area of the vanadium-containing iron-based alloy piece is calculated by the formula (II) when the shape of the vanadium-containing iron-based alloy piece is spherical, and the shape of the vanadium-containing iron-based alloy piece. When is a cube, it is calculated by equation (III).
バナジウムを含有する鉄基合金片の比表面積(m/g)
=バナジウムを含有する鉄基合金片の表面積4πr(m)/バナジウムを含有する鉄基合金片の質量(g)     (II)
(式中、rは、球体の半径を表す。)
Specific surface area of vanadium-containing iron-based alloy pieces (m 2 / g)
= Surface area of iron-based alloy piece containing vanadium 4πr 2 (m 2 ) / Mass of iron-based alloy piece containing vanadium (g) (II)
(In the formula, r represents the radius of the sphere.)
バナジウムを含有する鉄基合金片の比表面積(m/g)=
バナジウムを含有する鉄基合金片の表面積6a(m)/バナジウムを含有する鉄基合金片の質量(g)     (III)
(式中、aは、立方体の一辺の長さを表す。)
Specific surface area (m 2 / g) of iron-based alloy pieces containing vanadium =
Surface area of vanadium-containing iron-based alloy piece 6a 2 (m 2 ) / Mass of vanadium-containing iron-based alloy piece (g) (III)
(In the formula, a represents the length of one side of the cube.)
<アンモニアの製造方法>
 本発明の第2の実施態様に係るアンモニアの製造方法は、本発明の第1の実施態様に係るアンモニア合成触媒の存在下において窒素と水素とを反応させてアンモニアを合成するアンモニア合成工程を含む。
 具体的な製造方法としては、窒素と水素とを本発明の第1の実施態様に係るアンモニア合成触媒に接触させてアンモニアを合成する方法であれば、特に限定されず、適宜公知の製造方法に準じた方法を採用することができる。
<Ammonia production method>
The method for producing ammonia according to the second embodiment of the present invention includes an ammonia synthesis step of reacting nitrogen with hydrogen in the presence of the ammonia synthesis catalyst according to the first embodiment of the present invention to synthesize ammonia. ..
The specific production method is not particularly limited as long as it is a method of synthesizing ammonia by contacting nitrogen and hydrogen with the ammonia synthesis catalyst according to the first embodiment of the present invention, and any known production method may be used as appropriate. A similar method can be adopted.
(触媒量)
 アンモニア合成反応に用いるアンモニア合成触媒の量は、特に限定されず、アンモニア合成触媒の形状、アンモニア合成触媒のサイズ、製造するアンモニアの量、反応容器の容量、反応装置のスケール等に応じて適宜選択することができる。
(Catalyst amount)
The amount of the ammonia synthesis catalyst used in the ammonia synthesis reaction is not particularly limited, and is appropriately selected according to the shape of the ammonia synthesis catalyst, the size of the ammonia synthesis catalyst, the amount of ammonia to be produced, the capacity of the reaction vessel, the scale of the reaction apparatus, and the like. can do.
(反応温度)
 アンモニア合成工程における反応温度は、反応圧力、反応時間等の反応条件にもよるが、通常350℃以上600℃以下である。反応温度の下限は、好ましくは400℃以上又は450℃以上である。また、反応温度の上限は、好ましくは550℃以下である。反応温度を上記範囲とすることで、高いアンモニア生成速度、及びアンモニア収率を得ることができる。
(Reaction temperature)
The reaction temperature in the ammonia synthesis step is usually 350 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, although it depends on the reaction conditions such as reaction pressure and reaction time. The lower limit of the reaction temperature is preferably 400 ° C. or higher or 450 ° C. or higher. The upper limit of the reaction temperature is preferably 550 ° C. or lower. By setting the reaction temperature in the above range, a high ammonia production rate and an ammonia yield can be obtained.
(反応圧力)
 アンモニア合成工程における反応圧力は、触媒量、反応温度等の反応条件に応じて適宜選択することができるが、通常0.1bar以上100bar以下である。反応圧力の下限は、好ましくは1.0bar以上又は2.0bar以上である。また、反応圧力の上限は、好ましくは10bar以下又は5.0bar以下である。なお、本明細書において、アンモニア合成工程における反応圧力は、ゲージ圧である。
(Reaction pressure)
The reaction pressure in the ammonia synthesis step can be appropriately selected depending on the reaction conditions such as the amount of catalyst and the reaction temperature, but is usually 0.1 bar or more and 100 bar or less. The lower limit of the reaction pressure is preferably 1.0 bar or more or 2.0 bar or more. The upper limit of the reaction pressure is preferably 10 bar or less or 5.0 bar or less. In the present specification, the reaction pressure in the ammonia synthesis step is a gauge pressure.
(反応時間)
 アンモニア合成反応の反応時間は、特に制限されず、反応温度、スケール等に応じて適宜選択することができる。バナジウムを含有する鉄基合金片からなるアンモニア合成触媒は、高い触媒活性を示すため、反応時間が短くとも効率的にアンモニアを製造することができる。また、上述した通り、本発明の第1の実施態様に係るアンモニア合成触媒は、硬度、強度、靱性、耐摩耗性、及び耐熱性に優れるため、長期間にわたって連続的にアンモニア合成触媒としての使用が可能である。具体的な反応時間としては、1時間以上、12時間以上、24時間以上、又は36時間以上であってよく、また、60時間以上、又は48時間以下であってよい。これらのうち、反応時間は24時間以上であることが好ましい。
(Reaction time)
The reaction time of the ammonia synthesis reaction is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the reaction temperature, scale and the like. Since the ammonia synthesis catalyst composed of vanadium-containing iron-based alloy pieces exhibits high catalytic activity, ammonia can be efficiently produced even if the reaction time is short. Further, as described above, the ammonia synthesis catalyst according to the first embodiment of the present invention is excellent in hardness, strength, toughness, abrasion resistance, and heat resistance, and therefore is continuously used as an ammonia synthesis catalyst for a long period of time. Is possible. The specific reaction time may be 1 hour or more, 12 hours or more, 24 hours or more, or 36 hours or more, and may be 60 hours or more, or 48 hours or less. Of these, the reaction time is preferably 24 hours or more.
(反応装置)
 アンモニア合成工程に用いる反応装置は、特に限定されず、アンモニア合成に用いられる公知の反応装置を用いることができる。公知の反応装置としては、回分式反応形装置、閉鎖循環式反応装置、流通式反応装置等が挙げられる。これらのうち、実用的な観点からは流通式反応装置、例えば常圧固定床流通反応装置、高圧固定床流通反応装置等が好ましい。また、触媒を充填した一種類の反応器、触媒を充填した複数の反応器を連結させた反応装置、及び同一反応器内に複数の反応層を有する反応器の何れの装置も使用することができる。
(Reactor)
The reactor used in the ammonia synthesis step is not particularly limited, and a known reactor used for ammonia synthesis can be used. Examples of the known reaction device include a batch type reaction device, a closed circulation type reaction device, a distribution type reaction device, and the like. Of these, from a practical point of view, a distribution type reaction device, for example, a normal pressure fixed bed flow reaction device, a high pressure fixed bed flow reaction device, or the like is preferable. Further, any one type of reactor filled with a catalyst, a reactor in which a plurality of reactors filled with a catalyst are connected, and a reactor having a plurality of reaction layers in the same reactor can be used. it can.
 反応装置において、アンモニア合成が行われる反応容器には、アンモニア合成触媒が配置される。アンモニア合成触媒を反応容器内に配置する方法としては、特に限定されず、触媒の量、形状等に応じて適宜選択することができる。 In the reactor, an ammonia synthesis catalyst is placed in the reaction vessel where ammonia synthesis is performed. The method of arranging the ammonia synthesis catalyst in the reaction vessel is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the amount, shape, etc. of the catalyst.
 反応容器の内部において、窒素及び水素が接触するのに適した位置にアンモニア合成触媒を配置する観点からは、触媒支持体により触媒を反応容器の内部に固定することが好ましい。例えば、アンモニア合成触媒を触媒支持体に挟んだり、包んだりした状態で反応容器の内部に配置すればよい。
 触媒支持体は、アンモニア合成触媒を反応容器内に固定でき、かつ、触媒反応に悪影響を与えない限り特に限定されない。具体的な触媒支持体としては、石英ウール;ガラスウール;反応ガス流通用の穴の開いたアルミナ、ジルコニア、マグネシア等の板;等が挙げられる。これらの触媒支持体は、1種類に限られず、2種類以上を組み合わせて用いることもできる。
From the viewpoint of arranging the ammonia synthesis catalyst at a position suitable for contact with nitrogen and hydrogen inside the reaction vessel, it is preferable to fix the catalyst inside the reaction vessel with a catalyst support. For example, the ammonia synthesis catalyst may be placed inside the reaction vessel in a state of being sandwiched or wrapped in the catalyst support.
The catalyst support is not particularly limited as long as the ammonia synthesis catalyst can be fixed in the reaction vessel and the catalytic reaction is not adversely affected. Specific examples of the catalyst support include quartz wool; glass wool; a plate having holes for the flow of reaction gas, such as alumina, zirconia, and magnesia. These catalyst supports are not limited to one type, and two or more types can be used in combination.
 反応装置は、除熱手段を備えることが好ましい。窒素及び水素からアンモニアを合成する反応は、平衡反応であり、かつ、体積収縮を伴う発熱反応であるため、アンモニア収率を向上させる観点からは、反応熱を除去することが好ましいからである。
 除熱手段としては、インタークーラーのような公知の除熱手段を用いることができる。従って、例えばアンモニア合成触媒が配置された反応容器を直列に複数個連結し、各反応容器の出口に除熱手段としてインタークーラーを設置することで、アンモニア収率を向上させることができる。
The reaction apparatus is preferably provided with heat removing means. This is because the reaction for synthesizing ammonia from nitrogen and hydrogen is an equilibrium reaction and an exothermic reaction accompanied by volume shrinkage. Therefore, from the viewpoint of improving the ammonia yield, it is preferable to remove the heat of reaction.
As the heat removing means, a known heat removing means such as an intercooler can be used. Therefore, for example, by connecting a plurality of reaction vessels in which an ammonia synthesis catalyst is arranged in series and installing an intercooler as a heat removing means at the outlet of each reaction vessel, the ammonia yield can be improved.
<アンモニア製造システム>
 本発明の第3の実施態様に係るアンモニア製造システムは、窒素と水素とからアンモニアを合成するための反応容器を備え、前記反応容器の内部には、本発明の第1の実施態様に係るアンモニア合成触媒が配置されている。
 本実施態様に係るアンモニア製造システムは、本発明の第1の実施態様に係るアンモニア合成触媒を反応容器の内部に備えている限り、その他の構成は特に限定されず、任意の構成を備えることができる。好適には、本実施態様に係るアンモニア製造システムは、本発明の第2の実施態様に係るアンモニアの製造方法に用いる反応装置を備える。
<Ammonia production system>
The ammonia production system according to the third embodiment of the present invention includes a reaction vessel for synthesizing ammonia from nitrogen and hydrogen, and the inside of the reaction vessel is the ammonia according to the first embodiment of the present invention. A synthetic catalyst is arranged.
The ammonia production system according to the present embodiment is not particularly limited in other configurations as long as the ammonia synthesis catalyst according to the first embodiment of the present invention is provided inside the reaction vessel, and may include any configuration. it can. Preferably, the ammonia production system according to the present embodiment includes a reaction apparatus used in the method for producing ammonia according to the second embodiment of the present invention.
 以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
 実施例における触媒のBET比表面積の測定方法は、以下の通りである。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention can be appropriately modified as long as it does not deviate from the gist of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as limited by the specific examples shown below.
The method for measuring the BET specific surface area of the catalyst in the examples is as follows.
<BET比表面積の測定方法>
 触媒の表面に液体窒素温度で窒素ガスを吸着させ、単分子層吸着した窒素の量を測定した。測定条件は以下の通りである。
(測定条件)
比表面積測定装置:マイクロトラック・ベル社製、BELSORP-mini II
吸着ガス:窒素(99.999体積%)
吸着温度:液体窒素温度(-196℃)
<Measurement method of BET specific surface area>
Nitrogen gas was adsorbed on the surface of the catalyst at the temperature of liquid nitrogen, and the amount of nitrogen adsorbed in the monolayer was measured. The measurement conditions are as follows.
(Measurement condition)
Specific surface area measuring device: BELSORP-mini II manufactured by Microtrac Bell
Adsorbed gas: Nitrogen (99.999% by volume)
Adsorption temperature: Liquid nitrogen temperature (-196 ° C)
<実験例1>
(バナジウムを含有する鋼片の製造)
 AMS6419を、大気雰囲気下、950℃で1時間加熱し、バナジウムを含有する鋼片をアンモニア合成触媒として得た。得られたバナジウムを含有する鋼片は、直径3.0mmの球体であり、球体1個あたりの質量は2.0gであった。また、得られたバナジウムを含有する鋼片におけるバナジウムの含有量は2.0質量%であった。
 得られたアンモニア合成触媒のBET比表面積を上述の方法により測定した結果、測定値は0m/gを示し、アンモニア合成触媒のBET比表面積は、測定限界未満であることがわかった。かかるアンモニア合成触媒は球体であるため、アンモニア合成触媒の比表面積を上記式(II)により算出した結果、5.7×10-5/gであった。
<Experimental example 1>
(Manufacturing of steel pieces containing vanadium)
AMS6419 was heated at 950 ° C. for 1 hour in an air atmosphere to obtain vanadium-containing steel pieces as an ammonia synthesis catalyst. The obtained vanadium-containing steel piece was a sphere having a diameter of 3.0 mm, and the mass per sphere was 2.0 g. The vanadium content in the obtained vanadium-containing steel piece was 2.0% by mass.
As a result of measuring the BET specific surface area of the obtained ammonia synthesis catalyst by the above-mentioned method, the measured value was 0 m 2 / g, and it was found that the BET specific surface area of the ammonia synthesis catalyst was less than the measurement limit. Since the ammonia synthesis catalyst is a sphere, the specific surface area of the ammonia synthesis catalyst was calculated by the above formula (II) and found to be 5.7 × 10-5 m 2 / g.
(アンモニアの合成)
 アンモニア合成触媒2.0gを石英ウールで挟持し、常圧固定床流通反応装置の石英反応管(内径:22mm)に充填した。
 次に、アンモニア合成触媒に前処理を行った。具体的には、アンモニア合成触媒が充填された石英反応管に、常圧下でN及びHからなる原料ガス(N:H=1:3(体積比))を80mL/minで流通させながら30分かけて600℃まで昇温し、600℃で30分間保持した。
(Synthesis of ammonia)
2.0 g of the ammonia synthesis catalyst was sandwiched between quartz wool and filled in the quartz reaction tube (inner diameter: 22 mm) of the atmospheric pressure fixed bed flow reactor.
Next, the ammonia synthesis catalyst was pretreated. Specifically, a raw material gas consisting of N 2 and H 2 (N 2 : H 2 = 1: 3 (volume ratio)) is distributed at 80 mL / min in a quartz reaction tube filled with an ammonia synthesis catalyst under normal pressure. The temperature was raised to 600 ° C. over 30 minutes, and the temperature was maintained at 600 ° C. for 30 minutes.
 続いて、上記原料ガスを、前記石英反応管に80mL/minで流通し、アンモニアを合成した。アンモニアの合成において、反応温度は600℃とし、反応圧力は1bar、反応時間は1時間とした。生成ガス中のアンモニア濃度を、光路長2.4mの多重反射型ガスセルを備えた赤外分光装置(ThermoFisher社製、iS50)により測定した。アンモニア合成触媒の単位表面積あたりの触媒活性を式(I)により算出したところ、514mmol/m/hourであった。 Subsequently, the raw material gas was passed through the quartz reaction tube at 80 mL / min to synthesize ammonia. In the synthesis of ammonia, the reaction temperature was 600 ° C., the reaction pressure was 1 bar, and the reaction time was 1 hour. The ammonia concentration in the produced gas was measured by an infrared spectroscope (manufactured by Thermo Fisher, iS50) equipped with a multi-reflective gas cell having an optical path length of 2.4 m. The catalytic activity per unit surface area of the ammonia synthesis catalyst was calculated by the formula (I) and found to be 514 mmol / m 2 / hour.
 前述したように600℃でアンモニアを合成した後、反応温度を約50℃降温して1時間アンモニアの合成を行うサイクルを6回行った。これらのサイクルにおける反応条件は、反応温度を除き、600℃におけるアンモニア合成と同様の反応条件とした。また、各サイクルにおいて、常時ガスセルに生成ガスを導入し、生成ガス中のアンモニア濃度を上述の方法により測定した。 As described above, after synthesizing ammonia at 600 ° C., the reaction temperature was lowered by about 50 ° C., and the cycle of synthesizing ammonia for 1 hour was performed 6 times. The reaction conditions in these cycles were the same as those for ammonia synthesis at 600 ° C., except for the reaction temperature. Further, in each cycle, the produced gas was constantly introduced into the gas cell, and the ammonia concentration in the produced gas was measured by the above-mentioned method.
 反応温度と測定したアンモニア濃度との関係を図1に示した。図1中には、1.0barにおけるアンモニア合成反応の熱力学的平衡曲線を破線で示した。また、最も高いアンモニア濃度を示した反応温度490℃におけるアンモニア合成触媒の単位表面積あたりの触媒活性を式(I)により算出したところ、815mmol/m/hourであった。 The relationship between the reaction temperature and the measured ammonia concentration is shown in FIG. In FIG. 1, the thermodynamic equilibrium curve of the ammonia synthesis reaction at 1.0 bar is shown by a broken line. The catalytic activity per unit surface area of the ammonia synthesis catalyst at the reaction temperature of 490 ° C., which showed the highest ammonia concentration, was calculated by the formula (I) and found to be 815 mmol / m 2 / hour.
<実験例2>
 アンモニア合成触媒を、バナジウムを含有しない鋼片(JISに規定のSUJ2製鋼片)からなる直径3mmの球状の触媒2.0gに変更した以外は、実験例1と同様の方法により、各温度においてアンモニアを合成し、生成ガス中のアンモニア濃度を測定した。なお、本実験例におけるアンモニア合成触媒の比表面積は、BET比表面積測定法では測定限界未満であったため、式(II)により算出したところ、5.7×10-5/gであった。
<Experimental example 2>
Ammonia at each temperature by the same method as in Experimental Example 1 except that the ammonia synthesis catalyst was changed to 2.0 g of a spherical catalyst having a diameter of 3 mm made of vanadium-free steel pieces (SUJ2 steel pieces specified in JIS). Was synthesized and the ammonia concentration in the produced gas was measured. Since the specific surface area of the ammonia synthesis catalyst in this experimental example was less than the measurement limit in the BET specific surface area measurement method, it was 5.7 × 10 -5 m 2 / g when calculated by the formula (II). ..
 反応温度と測定したアンモニア濃度との関係を図1に示した。また、最も高いアンモニア濃度を示した反応温度480℃におけるアンモニア合成触媒の単位表面積あたりの触媒活性を式(I)により算出したところ、17mmol/m/hourであった。 The relationship between the reaction temperature and the measured ammonia concentration is shown in FIG. The catalytic activity per unit surface area of the ammonia synthesis catalyst at the reaction temperature of 480 ° C., which showed the highest ammonia concentration, was calculated by the formula (I) and found to be 17 mmol / m 2 / hour.
<参考例>
 酸化マグネシウムにRu及びCsを共担持して得られる触媒Cs-Ru/MgOを、F. Rosowski, et al., Appl. Catal. A: Gen., 151 (2), 443-460 (1997)に記載の方法に準拠して、調製した。ICP-AESによる測定の結果、触媒におけるRuの担持量は、3質量%であった。また、触媒のBET比表面積は、41m/gであった。
<Reference example>
The catalyst Cs-Ru / MgO obtained by co-supporting Ru and Cs on magnesium oxide was described in F. Rosowski, et al., Appl. Catal. A: Gen., 151 (2), 443-460 (1997). Prepared according to the described method. As a result of measurement by ICP-AES, the amount of Ru supported in the catalyst was 3% by mass. The BET specific surface area of the catalyst was 41 m 2 / g.
 アンモニア合成触媒をCs-Ru/MgO 0.1gに変更した以外は、実験例1と同様にアンモニアを合成し、生成ガス中のアンモニア濃度を測定した。最も高いアンモニア濃度を示した反応温度380℃におけるアンモニア合成触媒の単位表面積あたりの触媒活性を式(I)により算出したところ、0.07mmol/m/hourであった。 Ammonia was synthesized in the same manner as in Experimental Example 1 except that the ammonia synthesis catalyst was changed to 0.1 g of Cs-Ru / MgO, and the ammonia concentration in the produced gas was measured. The catalytic activity per unit surface area of the ammonia synthesis catalyst at the reaction temperature of 380 ° C., which showed the highest ammonia concentration, was calculated by the formula (I) and found to be 0.07 mmol / m 2 / hour.
<考察>
 図1から、バナジウムを含有する鋼片をアンモニア合成触媒として用いた場合、反応温度が約350℃以上でアンモニア合成反応が促進され、高い収率でアンモニアを製造できることがわかった。また、490℃付近でアンモニアの収率が最も高いことがわかった。さらに、図1から、バナジウムを含有する鋼片をアンモニア合成触媒として用いると、反応温度を550℃以上でアンモニア合成反応の熱力学的平衡曲線に達しており、効率よくアンモニアを製造できることが示された。一方、バナジウムを含有しない鋼片を触媒として用いた場合、反応温度に関係なく、アンモニアはごくわずかしか得られないことがわかった。
 即ち、実験例1及び2の結果により、バナジウムを含有するか否かによってアンモニア合成触媒の触媒活性が大きく異なり、バナジウムを含有する鋼片は、バナジウムを含有しない鋼片と比較して格段に高い触媒活性を示すことが確認された。
<Discussion>
From FIG. 1, it was found that when a steel piece containing vanadium was used as an ammonia synthesis catalyst, the ammonia synthesis reaction was promoted at a reaction temperature of about 350 ° C. or higher, and ammonia could be produced in a high yield. It was also found that the yield of ammonia was highest at around 490 ° C. Further, from FIG. 1, it is shown that when a steel piece containing vanadium is used as an ammonia synthesis catalyst, the thermodynamic equilibrium curve of the ammonia synthesis reaction is reached at a reaction temperature of 550 ° C. or higher, and ammonia can be efficiently produced. It was. On the other hand, when a steel piece containing no vanadium was used as a catalyst, it was found that very little ammonia was obtained regardless of the reaction temperature.
That is, according to the results of Experimental Examples 1 and 2, the catalytic activity of the ammonia synthesis catalyst differs greatly depending on whether or not it contains vanadium, and the vanadium-containing steel pieces are significantly higher than the vanadium-free steel pieces. It was confirmed that it showed catalytic activity.
 また、バナジウムを含有する鋼片からなるアンモニア合成触媒の単位表面積あたりの触媒活性の最高値(815mmol/m/hour)と標準的なアンモニウム合成触媒であるCs-Ru/MgOの単位表面積あたりの触媒活性の最高値(0.07mmol/m/hour)とを比較したところ、前者は後者の約12000倍であり、単位表面積あたりの触媒活性が極めて高いことが示された。 In addition, the maximum value of catalytic activity per unit surface area (815 mmol / m 2 / hour) of the ammonia synthesis catalyst composed of steel pieces containing vanadium and the standard ammonium synthesis catalyst Cs-Ru / MgO per unit surface area. When compared with the maximum value of catalytic activity (0.07 mmol / m 2 / hour), the former was about 12000 times that of the latter, indicating that the catalytic activity per unit surface area was extremely high.
 また、実験例1におけるアンモニア合成触媒は、硬度の高い鋼であるため、アンモニア合成反応の前後で、形状がほとんど変化しないことが、目視により確認された。即ち、本実施態様に係るアンモニア合成触媒は、硬さ及び強度に優れ、その形状を反応容器、プロセス等に応じて変更しても問題が生じにくいといえる。 Further, since the ammonia synthesis catalyst in Experimental Example 1 is a steel having high hardness, it was visually confirmed that the shape hardly changed before and after the ammonia synthesis reaction. That is, it can be said that the ammonia synthesis catalyst according to the present embodiment is excellent in hardness and strength, and problems are unlikely to occur even if the shape is changed according to the reaction vessel, process, and the like.
 本発明によれば、バナジウムを含有する鉄基合金片の存在下で窒素と水素とを反応させることにより、簡便に効率よくアンモニアを合成することができる。バナジウムを含有する鉄基合金としては、市場に流通している安価な鉄基合金を採用することもできるため、本発明に係るアンモニア合成触媒は、入手容易性及び製造コストの観点から有利である。また、本発明に係るアンモニア合成触媒は、硬さ、強度等に優れる鉄基合金であるため、形状の自由度が高く、反応容器、プロセス等に応じた形状とすることができる。
 以上より、本実施態様に係るアンモニアの製造方法は、ハーバー・ボッシュ法の代替法としても有用であると考えられる。
 
According to the present invention, ammonia can be easily and efficiently synthesized by reacting nitrogen and hydrogen in the presence of vanadium-containing iron-based alloy pieces. As the vanadium-containing iron-based alloy, an inexpensive iron-based alloy on the market can be adopted. Therefore, the ammonia synthesis catalyst according to the present invention is advantageous from the viewpoint of availability and manufacturing cost. .. Further, since the ammonia synthesis catalyst according to the present invention is an iron-based alloy having excellent hardness, strength and the like, it has a high degree of freedom in shape and can be shaped according to the reaction vessel, process and the like.
From the above, it is considered that the method for producing ammonia according to this embodiment is also useful as an alternative method to the Haber-Bosch method.

Claims (11)

  1.  窒素と水素とからアンモニアを合成するためのアンモニア合成触媒であって、バナジウムを含有する鉄基合金片からなる、アンモニア合成触媒。 Ammonia synthesis catalyst for synthesizing ammonia from nitrogen and hydrogen, which is composed of vanadium-containing iron-based alloy pieces.
  2.  前記バナジウムを含有する鉄基合金片全体に対するバナジウムの含有量が、0.1質量%以上5.2質量%以下である、請求項1に記載のアンモニア合成触媒。 The ammonia synthesis catalyst according to claim 1, wherein the content of vanadium with respect to the entire iron-based alloy piece containing vanadium is 0.1% by mass or more and 5.2% by mass or less.
  3.  前記バナジウムを含有する鉄基合金片は、表面にバナジウムを含有する四三酸化鉄層を有する、請求項1又は2に記載のアンモニア合成触媒。 The ammonia synthesis catalyst according to claim 1 or 2, wherein the vanadium-containing iron-based alloy piece has a vanadium-containing triiron tetroxide layer on the surface.
  4.  前記バナジウムを含有する鉄基合金片の形状が、球体である、請求項1~3の何れか1項に記載のアンモニア合成触媒。 The ammonia synthesis catalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein the vanadium-containing iron-based alloy piece has a spherical shape.
  5.  前記球体の直径が、0.2mm以上1.0cm以下である、請求項4に記載のアンモニア合成触媒。 The ammonia synthesis catalyst according to claim 4, wherein the diameter of the sphere is 0.2 mm or more and 1.0 cm or less.
  6.  前記バナジウムを含有する鉄基合金片の比表面積が、0m/g超1.0m/g以下である、請求項1~5の何れか1項に記載のアンモニア合成触媒。 The ammonia synthesis catalyst according to any one of claims 1 to 5, wherein the specific surface area of the vanadium-containing iron-based alloy piece is more than 0 m 2 / g and 1.0 m 2 / g or less.
  7.  前記バナジウムを含有する鉄基合金片が、バナジウムを含有する鋼片である、請求項1~6の何れか1項に記載のアンモニア合成触媒。 The ammonia synthesis catalyst according to any one of claims 1 to 6, wherein the vanadium-containing iron-based alloy piece is a vanadium-containing steel piece.
  8.  触媒の存在下において窒素と水素とを反応させてアンモニアを合成するアンモニア合成工程を含み、
     前記触媒が、請求項1~7の何れか1項に記載のアンモニア合成触媒である、アンモニアの製造方法。
    Includes an ammonia synthesis step in which nitrogen and hydrogen are reacted in the presence of a catalyst to synthesize ammonia.
    A method for producing ammonia, wherein the catalyst is the ammonia synthesis catalyst according to any one of claims 1 to 7.
  9.  前記アンモニア合成工程における反応温度が、350℃以上600℃以下である、請求項8に記載のアンモニアの製造方法。 The method for producing ammonia according to claim 8, wherein the reaction temperature in the ammonia synthesis step is 350 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.
  10.  前記アンモニア合成工程における反応圧力が、1.0bar以上100bar以下である、請求項8又は9に記載のアンモニアの製造方法。 The method for producing ammonia according to claim 8 or 9, wherein the reaction pressure in the ammonia synthesis step is 1.0 bar or more and 100 bar or less.
  11.  内部で窒素と水素とからアンモニア合成を行う反応容器を備え、
     前記反応容器の内部には、請求項1~7の何れか1項に記載のアンモニア合成触媒が配置されている、アンモニア製造システム。
    Equipped with a reaction vessel that synthesizes ammonia from nitrogen and hydrogen inside
    An ammonia production system in which the ammonia synthesis catalyst according to any one of claims 1 to 7 is arranged inside the reaction vessel.
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