JP2002526357A - 水素の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
を製造することに関する。このような方法は周知であり、炭素質の供給原料、例
えば天然気体;又は炭化水素誘導物、例えばメタノール、又はその部分酸化(酸
素含有気体、例えば十分に純粋な酸素、空気、又は酸素を豊富に含んだ若しくは
酸素を涸渇した空気を用いる);炭化水素、又は炭化水素誘導の供給原料;又は
木炭のような固体の炭素質の供給原料の蒸気リフォーミングに関する。そのよう
な気体発生方法は、比較的高温で、通常は約700℃で気流を製造し、気流は、
水素、一酸化炭素及び蒸気、そして通常はいくらかの二酸化炭素も含む。気流は
、通常、メタンをいくらか含み、それと伴って任意の不活化気体、例えば反応物
中に存在した窒素を含むであろう。
流を転移反応 CO+H2O→CO2+H2 に供することは周知である。
反応であるため、触媒床中にある間に気体を冷却するような段階を経ないとすれ
ば、供給原料が大量の一酸化炭素を含む場合に生じる温度上昇のために、しばし
ば、低い流出口温度が達成し得ず、及び/又は低い流出口温度で効果を奏する触
媒が急速に失活してしまう。この理由により、転移反応はしばしば2つの段階で
実行される;第一段階(高温転移)では、酸化鉄を含む触媒、例えば酸化鉄/ク
ロム触媒を使用し、そしてある形体の内部床冷却をした後に、第二段階(低温転
移)では、銅含有触媒を使用する。
ッシャー−トロプシュ(Fischer-Tropsch)反応を触媒する結果につながる状態
まで還元されることがある。つまり、酸化鉄をそのような状態に還元することを
避けることが望ましい。本発明により、通常の酸化鉄/クロム触媒、及び、例え
ば約350−500℃の範囲における、通常の高温転移の出口温度を用いる高温
転移に対しては、炭化水素形成の危険度は二酸化炭素に対する一酸化炭素のモル
比、及び転移引入口気体中の蒸気の割合に依存していることが見出された。二酸
化炭素に対する一酸化炭素の比が増大するにつれて、炭化水素形成の危険度が増
す:しかしながら、もし十分な蒸気があれば、危険度は最小化し得る。
50バールabs.の範囲、特に10ないし40バールabs.の範囲における
圧力で操作される。気化段階が影響される温度は、標準的には、700ないし1
200℃、特に750ないし1100℃の範囲であろう。
ォーミング又は部分酸化段階において使用する条件に依存するであろう。気化段
階で使用する流出口温度の上昇、圧力の上昇、及び/又は供給原料の炭素に対す
る蒸気の比率(即ち、供給原料の炭素原子1g当たり蒸気のモル数)の減少は全
て、転移段階における炭化水素形成の危険度を増す結果につながる。
成の危険度を最小化するために、実質的な大量の蒸気(乾燥気体に対する蒸気の
モル比が約0.5より大きい)を含む気体混合物を使用すること、及び/又は気
流中の二酸化炭素に対する一酸化炭素のモル比が約1.9より高くならないよう
に制限されるような気化条件を使用することが一般的に必要であった。
に十分過剰な蒸気を用いて操作することは可能である。しかしながら、そのよう
な過剰な蒸気を発生させるのは、エネルギー効率がよくないので、経済的利用の
ために、転移段階に送風されるリフォームした気流が、相対的に低い乾燥気体に
対する蒸気のモル比、特に0.6より低いモル比を有するように、炭素に対する
蒸気の低いモル比で、蒸気リフォーミング段階を操作することが望まれる。確か
に実用的蒸気リフォーミング段階は、一般に、0.2ないし0.6の範囲にある
乾燥気体に対する蒸気のモル比を有する気体組成物を提供する。同様に、部分的
酸化段階については、気流の一酸化炭素含有量は、一般に、炭化水素形成の問題
があるというレベルである。これらの難点は、転移反応前に蒸気を注入すること
によって克服され得るが、そのように注入される蒸気量は、経済的利用のために
、最小化されることが望まれる。転移反応において変換される一酸化炭素の各モ
ルに対して、1モルの蒸気が必要とされるが、しかし、炭化水素形成の危険を避
けるために必要とされる蒸気量は、一般に、一酸化炭素に対する蒸気のモル比が
少なくとも1.0を有するのに単純に必要とされる量よりかなり多い。
アルミニウム支持体を用いた予備の転移段階を用いることによって、これらの問
題を克服することがUS5030440に提案された。
転移段階前に行い得るという別の方法を発明した。 酸化鉄含有高温転移触媒中に小比率の銅を含ませることによって、炭化水素形
成の危険度を減少させることが、US4861745に提案されている。しかしながら、
実際には、これは部分的にしか効果的でないということが見出された:つまり酸
化鉄含有触媒中の銅の存在は、炭化水素の形成が触媒される状態まで酸化鉄含有
触媒が還元される速度を遅らすだけなのである。
触媒と接触させることによって、炭化水素形成の危険度を減少させる。 したがって、本発明は、一酸化炭素及び蒸気を含む気流を酸化鉄含有触媒と接
触させる転移方法において、酸化鉄含有触媒と接触させる前に、280−370
℃の範囲にある引入口温度で、気流を鉄不含銅含有触媒と接触さえることによっ
て特徴づけられる方法を提供する。
」転移反応に標準的に使用される。通常は、十分な比率の銅を含む触媒は、銅が
焼固する傾向にあり、それのため触媒が失活ので約300℃より高い温度では使
用されない。しかしながら、本発明においては、いくらかの焼固と失活は必然的
に起こるであろうけれども、銅含有触媒は、平衡付近までの転移を生じるために
は必要とされるのではなく、ただ二酸化炭素に対する一酸化炭素の比を変更する
ためにある程度の転移を生じることだけが必要とされるので、それに続く酸化鉄
含有触媒の不適当な還元とその結果としてのフィッシャー−トロプシュ反応の問
題が避けられる。さらに、予備の転移段階への引入口温度は、高温転移反応とし
ては比較的に低いけれども、相当な割合の銅を含む触媒を使用する転移反応に対
しては高く、この比較的に高い引入口温度は銅触媒の失活に対する埋め合わせを
している。
の触媒を含む。典型的には、その触媒は、共沈した銅、亜鉛及びアルミニウム、
及び/又はクロム化合物、例えば酸化物、水酸化物又は塩基性炭酸塩の焼成化し
た組成物から形成した還元ペレット生産物を含む。しばしばそのような触媒は、
重さで20%より多くの銅を含んでいる。その他の化合物、例えばマグネシウム
又はマンガン化合物を取り込んでいてもよい。しかしながら、好ましい系におい
ては、銅含有触媒は、アルミナ又はアルミン酸カルシウムセメントのような材料
上に支持された銅化合物を含む触媒前駆体を還元した生産物である。そのような
前駆体は、温度分解性銅化合物の溶液、及び場合により他の化合物、例えば亜鉛
、マグネシウム、アルミニウム及び/又はクロム化合物の溶液を支持体に含浸さ
せ、続く銅化合物、及び可能ならば他の化合物を分解するために含浸した支持体
を酸化物の状態まで焼成化することによって生産されてもよい。その代りに、支
持体の材料は、沈澱した、温度分解性の銅化合物、及び焼成し、前述のように可
能な他の化合物、のスラリーを用いて被覆し、乾燥した後、熱分解性化合物を酸
化形体に変換するために焼成化してもよい。好ましくは、そのような触媒は、還
元後、重さで3ないし15%の銅を含む。支持体を含浸し、又は被覆することに
よって調製したそのような触媒の使用は、銅含有触媒が、通常の酸化鉄含有高温
転移触媒と同じ容器内で予備触媒床として使用される場合に有利である。触媒は
、支持体のペレットを無作為に充填した吸着床の形体であってもよく、US48
10685に記載されているようなマクロポーラスな発泡体、又はモノリス体、
例えばハニカム又は前述のマクロポーラス発泡体の形であってもよく、その上に
触媒材料を、例えば含浸又は被覆によって適用したものである。支持体としての
マクロポーラス発泡体の使用は、ある場合には有利となり得て、これについては
後述する。適切な含浸触媒を形成する方法の1つは、遷移アルミナ支持体をアン
モニア性炭酸銅複合体で含浸し、その後、その複合体を分解するために加熱する
ことを含む。
ので、酸化鉄含有高温転移触媒の前駆体の活性化状態への還元を行うために使用
する気体としては、一般に、加工気体、例えば蒸気リフォーミングから得られる
ものを使用することが必要である。しかしながら、通常のペレット化した銅含有
転移、又はメタノール合成触媒を用いて、還元段階のために加工気体を使用する
ことは、銅含有触媒の過剰加熱の結果をもたらし易い。比較的小比率の銅を有す
る触媒を支持体上で使用することによって、その支持体は過剰加熱の危険を最小
化するためにヒートシンクとして振舞い、つまり高温転移触媒と同じ容器内で加
工気体を用いて還元を行うことができる。その代わりに、より高比率、例えば重
さで約15%の銅を含む触媒を使用することが望まれる場合には、触媒は、例え
ば本出願人のEP0748255に記載した手順(ここでは酸素及び二酸化炭素
の混合物が皮膜保護をもたらすために使用される)によって予め還元されてもよ
く、及び皮膜で保護されてもよい。
に使用され、それ自身で、小比率の銅を含有してもよい。適切な高温転移触媒の
例は、US5656566に記載されている。好ましくは、適切な触媒は重さで
60ないし95%の酸化鉄(Fe2O3として表現される)含量を有する。好まし
くは、前駆体中のクロム原子に対する酸素原子の比率は6ないし20、好ましく
は8ないし12の範囲である。前駆体は他の金属、例えばアルミニウム、マンガ
ン、又は特に上述したように銅の酸化物を含んでいてもよい。特に好ましい前駆
体は、10:1ないし100:1の銅原子に対する鉄原子の比率を有する。その
ような追加の酸化物は、加熱することにより、鉄及びクロム化合物を有する酸化
物に分解する適切な金属化合物の共沈によって導入されてもよい。その代わりに
、又は付加的に、そのような追加の酸化物は、加熱により酸化物に分解する、望
まれた追加の酸化物又は化合物の存在下で鉄及びクロム化合物の沈澱をもたらす
ことによって導入されてもよい。その代わりに、加熱により分解するそのような
酸化物、又は化合物は、焼成及び希望されるペレットへの成形前に、沈澱した鉄
及びクロム化合物に添加されてもよい。その代りに、沈澱した鉄及びクロム化合
物は、焼成及び成形したペレットの形成の前または後に、加熱することにより希
望する追加酸化物に分解する化合物の溶液に含浸させてもよい。
範囲であるべきである。好ましくは、それは280−350℃、特に300−3
30℃の範囲にある。転移反応は発熱反応であるので、鉄不含銅含有の予備転移
触媒を離れる気体の温度は、幾分、転移引入口温度より高いであろう。経験的に
、気体組成物に対してしばしば見られる温度上昇は、変換した気体混合物(乾燥
気体を基準に)中の、体積で各1%の一酸化炭素に対して約10℃である。炭化
水素形成の危険度を最小化するために、一般に、鉄不含銅含有触媒は、転移引入
口気体中に存在する一酸化炭素の5%から15%の転移をもたらすことが必要で
ある。温度上昇は、一般に、約50℃より小さく、通常30℃より小さいであろ
う。
移反応を受ける。鉄不含銅含有触媒への引入口温度は、通常、高温転移触媒用に
使用されるより低くてもよいが、鉄不含銅含有触媒上で起こる発熱反応は通常の
酸化鉄含有転移触媒が活性であるレベルまで温度を上昇する。よくあるように、
酸化鉄含有触媒上での高温転移反応が断熱的に影響されるとしたら、高温転移反
応を離れる気体の温度と一酸化炭素含量は、転移引入口気体の組成、及びどれく
らい転移平衡に近づくかに依存するであろう。しかしながら、高温転移反応から
離れる気体の一酸化炭素含量は、典型的に、体積で2−5%(乾燥を基準に)の
範囲にあり、流出口温度は、350−500℃の範囲にあるであろう。希望する
ならば、転移した気体を冷却し、例えば200−280℃の範囲にある流出口温
度で、通常の低温転移触媒を用いて低温転移に供することもできる。
、使用する酸化鉄含有高温転移触媒の体積は減少し得る。典型的に、体積で10%
までの酸化鉄含有高温転移触媒を、鉄不含銅含有触媒によって置換されてもよい
。好ましくは、使用される鉄不含銅含有触媒の量は、酸化鉄含有触媒の体積で3
−5%である。通常の酸化鉄含有高温転移触媒は、通常、2500ないし500
0h-1の範囲にある湿性気体の空間速度で操作されるが、いくつかの近代的で高
活性な酸化鉄含有高温転移触媒は、例えば約7500h-1までの湿性気体のより
高い空間速度で操作されている。本発明にしたがうと、トータルの湿性気体の空
間速度が5000h-1であるが、体積で5%の通常の酸化鉄含有高温転移触媒を
鉄不含銅含有触媒によって置換して行う操作は、鉄不含銅含有触媒が10000
0h-1の湿性気体の空間速度で操作していることを意味している。好ましくは、
鉄不含銅含有触媒が少なくとも20000h-1、特に少なくとも50000h-1 の湿性気体の空間速度で操作される。必要とされる鉄不含銅含有触媒の体積は、
特に、触媒の所定の体積中の銅含量、及び加工気体へのその銅の近づきやすさに
依存するであろう。好ましくは、使用される鉄不含銅含有触媒の量は、湿性気体
の流速が、触媒中の銅1g当たり湿性気体の毎時250−3000リットル(N
TPで)の範囲にあるようなものである。
又は部分酸化によって粗製気体の製造を行うときは、熱は、転移段階の前に、加
工気体から回収される。この熱回収は、しばしばボイラー中で蒸気の発生を伴う
。このようなボイラーが破損や漏れを起こし易く、ボイラー固体、例えばケイ酸
塩及びリン酸塩が加工気体と一緒に転移反応層に運ばれる結果となる。転移触媒
上へのそのような固体の堆積は、活性の喪失に帰着する触媒の沈床、及び転移触
媒を通過する際の加工気体の突発的な圧力損失の増加に帰着する。被覆された、
又は含浸したマクロポータス発泡体のような鉄不含銅含有触媒を使用することに
よって、そのようなボイラー固体がその発泡体によって捕捉される傾向にあり、
それ故、そのような圧力損失の問題を回避することができる。
ウム水溶液中のアルミナ三水和物のスラリーに60℃で添加することによって調
製した。結果として生じるスラリーの最終的なpHは7.2であった。沈澱物を
約45分間、60℃で寝かし、その後、母液からろ過し、洗浄した。結果として
生じる濾過固形物を、120℃で一晩乾燥させ、破砕し、1.4mmのふるいに
通し、その後、300℃で6時間焼成した。焼成した粉末を、次に、小さく固め
、直径5.4mm及び3.6mm長の円筒状ペレットにペレット化した。そのペ
レットは、約2g/cm3の粒子密度を有し、名目上の組成はCuO 25%w
/w、ZnO 25%w/w、Al2O3 50%w/wであった。
ルミナチップと混合し、内径37mmの管状反応装置に充填した。ペレット中の
酸化銅を、体積で2%の水素を含む窒素を用いて、開始225℃、その後、2時
間にわたって温度を240℃まで上昇させ、金属の銅に還元した。その後、試験
気体の混合物を圧力28バールabs.、温度365℃で触媒上を通過させた。
反応相を等温的に365℃で操作した。試験気体の組成は、次の通りであった(
体積%):13.9 CO、6.3 CO2、53.1 H2、1.0 CH4、
25.7 N2、及び乾燥気体の100体積量当たり蒸気の50体積量と混合し
た。その気体は、二酸化炭素に対する一酸化炭素の比が2.2であり、乾燥気体
に対する蒸気の比は0.5であった。長時間にわたって、そのような気体を使用
すると、酸化鉄含有高温転移触媒の過剰還元をもたらす原因になる。その危険を
避けるために、二酸化炭素に対する一酸化炭素の比を約1.9より小さくなるよ
うに減少することが望まれる。二酸化炭素に対する一酸化炭素の比を1.9より
小さくさせるために、約5%又はそれ以上の一酸化炭素を転移させて、体積で約
8.8%(湿性気体を基準として)より少ない一酸化炭素含量を有する流出口の
気体を与えるようにしなければならない。
の湿性気体の毎時リットル)で5日間実行し、流出気体の一酸化炭素含量(湿性
気体に基づいて)を測定した。
を435℃まで上昇させ、次に、さらに5日間にわたって、365℃で試験を繰
り返した。
媒を、類似した方法で試験した。結果を以下の表に示す。
さえ、二酸化炭素に対する一酸化炭素の比を1.9より小さくなるまで減少させ
るように一酸化炭素の十分な変換をもたらすことに効果的であることが判明し、
そのため、5000h-1の湿性気体の空間速度で操作している通常の酸化鉄含有
高温転移触媒の最初の部分(体積で5%より小さい)を鉄不含銅含有の予備転移
触媒によって置換し、そして気体が酸化鉄含有触媒に出会う前に、一酸化炭素の
十分な変換をもたらすことが可能であろう。実施例2 本実施例では、鉄不含銅含有触媒の前駆体を、支持体として、マクロポーラス
のアルミナ発泡体を用いて調製した。支持体は、35−40%の多孔性及び約1
.3g/cm3の密度を有する直径16mm、高さ16mmの円筒状ペレットの
形状をしており、US4810685で記載された方法により調製された。前駆
体は、重さで約40%の共沈した銅、亜鉛及びアルミニウム化合物を、3.4
Cu:1.7 Zn:1 Alのおおよその原子比率で含んでいるスラリーにペ
レットを浸すことにより調製された。含浸した支持体を乾燥させ、銅、亜鉛及び
アルミニウム化合物を対応する酸化物に分解するために380ないし420℃で
焼成した。結果として生じる銅含有発泡体ペレットは、重さで1.42%の銅を
含有していた。
、破砕され、155mlのアルファアルミナチップと混合し、内径37mmの管
状反応相に充填された。ペレット中の酸化銅は、実施例1で使用した試験気体で
あるが、しかし28バールabs.の圧力で乾燥気体の50体積量当たり蒸気の
50体積量を含む試験気体を通すことによって、金属の銅に還元された。還元は
250℃で開始し、温度を440℃まで徐々に上昇させ、その温度で4時間保持
した。試験気体中の蒸気量は、その後、乾燥気体の100体積量当たり蒸気の5
0体積量まで減少させた。
湿性気体の毎時リットル)を5日間にわたって変化させた。流出気体の一酸化炭
素含量(湿性ガスに基づいて)を様々な空間速度で測定した。熱焼結による触媒
の老化をシミュレートするために、その後、5日間、温度を400℃まで上昇さ
せ、次に、さらに5日間、365℃で試験を繰り返した。ボイラーの漏れをシミ
ュレートするために、反応相を室温まで冷却し、水を触媒上に堆積した。この老
化した湿性の触媒を、その後、5日間、365℃で20000h-1の空間速度で
試験した。結果を以下の表に示した。
化合物を含むスラリーを用いた。結果として生じた銅含有発泡体ペレットは、重
さで1.94%の銅を含んでいた。45mlの発泡体ペレットは、総量0.85
gの銅を含んでいた。結果を以下の表に示す。
る代りに、これら化合物を、発泡体ペレットの存在下で、銅、亜鉛及びアルミニ
ウムの硝酸塩及び尿素を含む水溶液中に発泡体ペレットを浸すことによって均質
に沈澱させた。溶液は、212.85gの尿素を、302gのCu(NO3)2・
3H2O、145.77gのZn(NO3)2・6H2O及び48.77gのAl(
NO3)3・9H2Oを含む水溶液の500mlに添加することによって調製した。
ペレットは重さで4.38%の銅を含んでいた。25mlの銅を含む発泡体ペレ
ットは、総量0.92gの銅を含み、破砕し、175mlのアルファアルミナチ
ップと混合し、内径37mmの管状反応相に充填した。ペレット中の酸化銅を、
実施例1で使用したような試験気体であるが、28バールabs.の圧力で乾燥
気体の50体積量当たり蒸気の50体積容量を含む試験気体を通すことによって
金属銅に還元した。還元を250℃で開始し、温度を440℃まで徐々に上昇さ
せ、その温度を4時間保持した。試験気体中の蒸気量を、その後、乾燥気体の10
0体積量当たり蒸気の50体積量まで減少させた。
湿性気体の毎時リットル)を5日間にわたって変化させた。流出気体の一酸化炭
素含量(湿性気体に基づいて)を様々な空間速度で測定した。結果を以下の表に
示す。
を、銅、亜鉛及びアルミニウムの硝酸塩の溶液500mlに添加し、焼成後、含
浸したペレットを再度、溶液中に浸透し、排水後、焼成した。この再浸透、排水
及び焼成をさらに1回繰り返した。結果として生じるペレットは、重さで9.0
1%の銅を含んでいた。
Claims (9)
- 【請求項1】 一酸化炭素及び蒸気を含む気流を酸化鉄含有触媒と接触させ
る転移方法(shift process)において、該酸化鉄含有触媒と接触
させる前に、該気流を280−370℃の範囲の引入口温度で鉄不含銅含有触媒
と接触させることを特徴とする転移方法。 - 【請求項2】 鉄不含銅含有触媒が、銅化合物で含浸された又は被覆された
支持体の還元生成物である、請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 鉄不含銅含有触媒が重さで3ないし15%の銅を含む、請求
項2に記載の方法。 - 【請求項4】 引入口温度が280−330℃の範囲にある、請求項1ない
し3のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項5】 鉄不含銅含有触媒が少なくとも50000h-1の湿性気体の
空間速度で操作される、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項6】 鉄不含銅含有触媒の量が、湿性気体の流速が触媒中の銅1g
当たり湿性気体の毎時250−3000リットル(NTPで)の範囲にあるよう
である、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項7】 鉄不含銅含有触媒に送風される気体が一酸化炭素及び蒸気に
加えて水素及び二酸化炭素を含み、二酸化炭素に対する一酸化炭素のモル比が1
.9より大きい、請求項1ないし6のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項8】 鉄不含銅含有触媒に送風される気体の乾燥気体に対する蒸気
の比が0.2から0.6の範囲にある、請求項1ないし7のいずれか1項に記載
の方法。 - 【請求項9】 鉄不含銅含有触媒が、該鉄不含銅含有触媒に送風される気体
中の一酸化炭素の5%から15%の変換をもたらす、請求項1ないし8のいずれ
か1項に記載の方法。
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