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JPH0218303A - 炭化水素の改質反応器および改質方法 - Google Patents

炭化水素の改質反応器および改質方法

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Publication number
JPH0218303A
JPH0218303A JP63167698A JP16769888A JPH0218303A JP H0218303 A JPH0218303 A JP H0218303A JP 63167698 A JP63167698 A JP 63167698A JP 16769888 A JP16769888 A JP 16769888A JP H0218303 A JPH0218303 A JP H0218303A
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JP
Japan
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reaction
gas
reactor
reforming
steam
Prior art date
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Pending
Application number
JP63167698A
Other languages
English (en)
Inventor
Katsutoshi Murayama
村山 勝利
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Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Original Assignee
Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
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Publication date
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Priority to AU37873/89A priority patent/AU614641B2/en
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Priority to CA000604878A priority patent/CA1329001C/en
Priority to DE3922446A priority patent/DE3922446A1/de
Publication of JPH0218303A publication Critical patent/JPH0218303A/ja
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Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、水蒸気改質反応および部分酸化反応により炭
化水素から改質ガスを製造する反応器およびその改質方
法に関する。
水素および酸化炭素(cO+C02)を主成分とする炭
化水素からの改質ガスは、アンモニアおよびメタノール
合成用ガス、各種化学反応における水添用ガス、都市ガ
ス、燃料用電池等の水素を使用する多くの産業において
用いられる。
(従来の技術) 炭化水素の改質反応は、tに次の二つの方法により製造
される。
(1)水蒸気改質法 燃焼式加熱炉内に触媒を充填した反応管を加熱し、炭化
水素と水蒸気の混合ガスを5〜40気圧、700〜90
0°C下で次の水蒸気改質を行う。
(:、11 、 + nH,0−一→ nCO+ (n
+m/2)Hz  (1)Co  + 120  ←−
→ COz + Hz     (2)この方法は、装
置内で回収される水ア気を原料に使用して、炭化水素よ
り水素等を有効に1i)ることかできる。
(2)部分酸化法 炭化水素と水蒸気の混合ガス中に酸素含有ガスを導入し
、炭化水素の一部を燃焼して、その発生する熱により改
質反応を行う。
この方法は、外部よりの加熱が不要であるので、単純な
構造を有する耐圧容器において反応が行われる。触媒を
用いる場合と用いない場合があり、反応器内部に耐熱材
を張って高温高圧下での反応が行われ、一般に酸化炭素
(cO+CO□)の生成量が水蒸気改質法の場合よりも
多い。
更にこれらの二つの方法を組み合わせた方法も用いられ
る。
例えばアンモニア製造装置においては、まず水蒸気改質
法で炭化水素を改質し、次にこの改質ガスに空気を導入
して部分酸化反応を行い、水素/窒素モル比が371と
なるような改質ガスをl’R−でいる。
また特公昭55−46961号には、水蒸気改質法と部
分酸化法を組み合わせて、メタノール合成に適した組成
の改質ガスを得る方法が記載されている。
更に特開昭53−82691号には、部分酸化反応器よ
りの高温の改質ガスにより熱交代の水蒸気改質反応管を
加熱する方法、特開昭59−107901号には、反応
器内部にある触媒反応管で水蒸気改質反応を行った後、
部分酸化反応を行ってそのガスで触媒反応管を加熱する
方法が記載されている。
(発明が解決しようとする問題点) 水蒸気改質法は、1000’C程度の高温の燃焼ガスで
反応管を均一に加熱する必要があるので、ニッケル、ク
ロム、モリブデン、ニオブ等の高価な材質の反応管を用
いなければならず、また改質炉の熱効率は精々50〜5
5χしか得られないので燃料使用量が多く、熱回収設備
のコストも大きい。
更に触媒を均一に加熱するためには、多数の反応管およ
びバーナーを配置する必要があるので、改質炉が大きく
なり、装置の製作能力に限界がある。
部分酸化法は、単純な構造の耐圧容器内で高圧下で反応
が行われるので、高価な反応管や複雑なバーナーが不要
であり、、熱損失量も少ないが、燃焼ガスが改質ガス中
に混入するので、窒素が原料となるアンモニア装置の場
合以外では、燃焼するための酸素は高純度とすることが
必要である。
このため空気分離装置が必要であり、そのための建設費
および所要動力が大きい。また部分酸化反応において水
素が燃焼されるため、改質ガス中の水素濃度が低く、酸
化炭素(cO+C02)の濃度が高くなる。
水蒸気改質法と部分酸化法を組み合わせた方法では、例
えばメタノール合成用の如くに、水素と酸化炭素(cO
+C02)を原料とする反応に対して、これに適する組
成の改質ガスを得ることができる。
またこの組み合わせた方法では、両法の上記の如き問題
点を補い合うことになるが、従来技術の各方法において
、次の如き問題点を有する。
まず特公昭55−46961号は、アンモニア製造装置
の如くにメタノール製造装置において水蒸気改質法によ
る一次改質炉と部分酸化法による二次改質炉を組み合わ
せたものであり、空気分離装置と共に高価な反応管や熱
回収装置が必要であることから、建設費が高く、また熱
効率の改善も小さい。
また特開昭53−82691号では、加圧容器内に水蒸
気改質反応管を設置し、高温の部分酸化ガスでこれを加
熱している。この方法では加熱による反応管の伸びを細
管の曲げによって吸収しているが、反応管を多数設置す
る装置において加圧容器の内部に細管を多数配置するの
で、その製作が相当困難であり、製作後この細管の検査
や修理が不可能である。また反応管中の触媒の換装も難
しい。この細管は高温ガスが接触する部分であるので、
最もトラブルの起こし易い部分である。
特開昭59−107901号では、上記の如き反応管の
伸びに対する問題点は解決されるが、反応管内において
水蒸気改質反応が行われた後、酸素ガスと接触して部分
酸化反応が行われるので、このガスの接触部で非常な高
温となり、反応管の焼)員や遊離カーボンの生成をもた
らす恐れがある。
(問題点を解決するための手段) 発明者は、以上の如き問題点を有する炭化水素改質器に
ついて鋭意検討した結果、反応器の内部に懸垂した触媒
反応管を設け、比較的低温で水蒸気改質反応を行った後
に、酸素を導入して部分酸化反応を行い、更に触媒層を
設けて高温で水蒸気改質反応を行うようにすれば、部分
酸化反応における’mHカーボンの生成が殆ど無くなり
、且つ反応管等の伸びに対しても問題が無いので、水蒸
気改質法と部分酸化法を組み合わせた好適の反応器が得
られること、及び改質反応器に供給する炭化水素と水蒸
気の混合ガスにアンモニアまたはメタノール合成装置よ
り抜き出されるパージガス等の水素含有ガスを混合すれ
ば遊離カーボンの生成が更に抑制されることを見出し、
本発明に至った。
即ち本発明は、水蒸気改質反応および部分酸化反応によ
り炭化水素から改質ガスを製造するに際し、 (a)竪型円筒状の改質反応器lの上部に管板2を設置
して、触媒の充填された複数の反応管5を垂直に懸垂し
、反応管下端に該反応管群のみを固定する下部管板7を
設置し、 (b)下部管板7に内筒14を垂直に懸垂し、この内筒
の上部に該反応器外から導入される酸素供給管12およ
び分散器13を設置し、 (c)内筒の下部に触媒充填層10を有する反応器であ
って、 (d)炭化水素と水蒸気の混合ガスを反応管5の上部よ
り導入して水蒸気改質反応を行い (e)酸素供給管12より酸素含有ガスを供給して内筒
下部で部分酸化反応を行い、 (f)内筒下部の触媒光@層10において水蒸気改質反
応を行い、 (g)反応ガスは、反応管5の外側を上昇して反応管を
加熱後、当該反応器より排出されることを特徴とする炭
化水素改質反応器、および 水蒸気改質反応および部分酸化反応により炭化水素から
改質ガスを製造するに際し、炭化水素と水蒸気の混合ガ
スにアンモニアまたはメタノール合成装置より抜き出さ
れるパージガスの一部、或いは他の水素含有ガスを混合
し、圧力10〜150気圧下、同一容器内で水蒸気改質
反応および部分酸化反応を行う改質反応器に供給するこ
とを特徴とする炭化水素の改質方法である。
第1図は、本発明の炭化水素の改質反応器の構造を示す
図である。第1図において竪型円筒状の改質反応器lの
上部に管板2を設置し、該管板2に触媒6を充填した反
応管5を垂直に懸垂する。
反応管5の下端は、触媒受皿8が設けられており、下部
管板7によって固定され、その下部管板7には内筒14
が懸垂されている。内筒14の上部は部分酸化室9とな
っており、酸素供給管12より導入される酸素含有ガス
の分散器13が設置され、内筒14の下部には触媒受皿
16上に触媒10が充填されている。なお酸素供給管1
2は反応管5および内筒14の熱による伸縮をスライド
させ、且つ振動、揺れを抑える支柱の役割を持っている
。改質反応器1および内筒14には触媒の充填および抜
出しのためのマンホール20〜23を適当な位置に設置
する。
炭化水素と水蒸気の混合ガスは、流路3より導入され、
上部空室4を経て、反応管5に充填された触媒層6を通
過して炭化水素の一部が水蒸気改質され、部分酸化室9
に導かれる。一方酸素含有ガスは、流路11より導入さ
れ、酸素供給管12を経て、分散器13に多数設けられ
た細孔より部分酸化室9内に放出され、触媒N6よりの
改質ガスを部分酸化する。部分酸化されたガスは、触媒
充填層10に導入され、高温、断熱下で水蒸気改質反応
が行われ、これにより炭化水素の殆どが改質された後、
下部空室17へ導かれる。改質ガスは、改質反応器1の
胴壁と内筒14の間を上昇し、次いで熱交換器を形成す
る反応管群の胴部に導入され、反応管5を加熱する。反
応管群の胴部には伝熱を促進するために邪魔板18を設
けることが好ましい。改質ガスは反応管に熱を与えた後
、流路19より改質反応器の系外に排出され、残る保有
熱は次の工程で回収される。
この改質反応器の胴内壁及び上部管板2の下面には断熱
材15が設けられ、また上部空室4の内壁には断熱材2
5が設けられ、梼造林料が高温に曝されることと放熱と
を防止する。
なお反応器の底部には、本改質反応器を起動するための
加熱用バーナー24を設け、起動時このバーナーに燃料
および酸素含有ガスを供給して燃焼させ、反応管を加熱
する。
また本発明の如く高圧下水蒸気改質反応と部分酸化反応
を同じ改質反応器内において行われる場合には、特に狭
い容器内で水蒸気改質反応ガスと酸素含有ガスが接触す
るので、非常な高温となり遊離カーボンが生成し易い。
これに対しては後述の如く部分酸化反応器の直後に触媒
層を設けることによりカーボンの生成が抑制されるが、
更にメタノールやアンモニア合成装置等からの水素に富
ンタハージガスを混入することにより、この’a i4
tカーボンの生成を防止することができる。
反応管5内の触媒N6における水蒸気改質反応は、主に
600〜800°Cで行われるので、流路3より導入さ
れる炭化水素と水蒸気の混合ガスは予め400〜600
°Cに予熱することが好ましい。
触媒層6における水蒸気改質反応の触媒には、通常ニッ
ケル系触媒を用いる。この反応は吸熱反応であるので、
反応管外の改質ガスより熱を供給されながら反応が進行
する。なお触媒層の上部においては熱源である改質ガス
の温度が低下するので比較的低温で反応する高活性の触
媒を上部に充填することが好ましい。
この水蒸気改質反応域における反応量が多くすれば、次
の部分酸化反応域の反応量が少なくなり酸素使用量が減
少するので、水蒸気改質反応域における反応量をできる
だけ多くするような反応管の伝熱面積、触媒量、触媒の
種類が選択される。
流路11より導入された酸素含有ガスは、分散器13の
下向の細孔より部分酸化室9に導かれ、部分酸化反応が
行われる。この酸素含有ガスは部分酸化反応に供された
後、改質ガスに混入するので、酸素含有ガス中の不活性
成分が改質ガスに含まれる。このため酸素含有ガスは、
アンモニア合成の場合の如く不活性成分(窒素)が反応
に供される場合以外はできるだけ高純度であることが望
ましく、その用途によって純酸素ガスや空気、富酸素空
気等が用いられる。
部分酸化反応は、燃焼速度が大きい水素が優先して酸化
され、最高温度が1400−1700°Cに達するが、
未だ多くの炭化水素が残っており、不安定でありカーボ
ンの生成を起こし易い。部分酸化反応室の下部に触媒層
を設置することにより更に水蒸気改質反応が進行し、遊
離カーボンの生成が防止される。ここでは高温に耐える
ニッケル系触媒を用いることが好ましい。これにより改
質反応におけるほぼ平衡に近い組成が得られる。
触媒充填層IOよりのガスは、温度850−1100″
Cとなって下部空室17に入り、反転して上部の反応管
群の胴側に導入され、反応管5に熱を与え、流路19よ
り排出される間に200’C以上低下する。
本発明の改質反応器における反応条件は、一般に圧力が
10〜150気圧、好ましくは30〜100気圧であり
、反応管出口温度は650〜750″Cである。
通常、反応管の触媒J!J6に供給する混合ガスのSV
が2000〜80001/Ilrであり、LVが0.5
〜2.抛/secである。
触媒層6の低温水蒸気改質域において原料炭化水素の1
5%以上、好ましくは20〜30χを改質するのが望ま
しい。なお、原料炭化水素の改質率は、(1,0−(改
質ガス中の炭化水素(co、) ! (モル))バ原料
炭化水素の炭素量(モル))) X 100(χ)で示
す。これにより反応管出口よりの高温改質ガスが反応器
の排出部において200〜400°C低下し、反応器に
供給される混合ガスの温度より50−150″C程度高
い温度となるまで熱回収される。
触媒充填層10に導入されるガスのSνは2000〜5
0001/Ilrであり、LVは0.2〜0.5m/s
ecである。触媒充填層10においては、原料炭化水素
の85%以上、好ましくは90%以上を改質するのが望
ましく、このため触媒充填層出口温度850〜1100
℃となるように酸素含有ガスの供給条件を操作する。
上記条件で得られる改質ガスの一例として、メタンを主
成分とする天然ガスを原料に用いメタノール合成用改質
ガスを製造する場合には、改質ガスの組成は、水素/酸
化炭素の化学量論比が1.00〜1.06、CH43m
olX以下となり、メタノール合成用の最適な組成を得
ることができる。
本発明の装置における反応管のサイズは、通常40〜1
100LIIの内径で、10〜20n+の長さである。
反応管の材質は、ニッケル、クロム、モリブデン泪、も
しくはこれにニオブ、タングステン等を少量添加した材
料が用いられる。内筒14、酸素供給管12、分散器1
3の構造材料もほぼ同等の材料が用いられる。
(実施例) 刀1井上 原料に天然ガスおよび合成装置よりのパージガスを使用
し、本発明の炭化水素反応器によりメタノール合成用ガ
スを製造した。改質反応器における主な運転条件は次の
通りである。 (なお各ガス組成はモルχを示す。) (1)原料混合ガス 供給圧力    39.5kg/cm2^供給温度  
  550″C 供給量 天然ガス    2530kg−mol/Hr(cH4
89,5χ、CZll& 8.5χ、CJ81.5χ、
N20.5χ)合成パージガス 1000kg100O
/Hr(cI412.0χ、Co 2.5χ、CO□6
.0χ、11□75.5χNz  4.0χ) 水蒸気     7671kg−mol/Hr(2)酸
素ガス 供給圧力    37.5kg/cm2A供給温度  
  200″C 供給量    1250kg−mol/Hr((h 9
9.0X、 Ng 1.0χ)(3)反応管5出口 圧力      37.0kg/cm2A温度    
  665°C ガス量    12613kg−mol/Hr(cO1
,31χ、CO24,88χ、Fh 24.61χCH
,17,88X、N2 0.42X 、n、o 50.
90X)(4)触媒層10出口 圧力      36.0kg/cm2A温度    
  916°C ガス1    16661kg−mol/Hr(co 
10.25χ、Co、 6.55χ、Ilz 42.9
7χCH41,42X 、 Nz  O,39χ、Hz
O38,42χ)触媒層10出ロガスは、反応管に熱を
供給して、改質器出口19では、圧力35.6kg/c
+a”A 、温度615°Cとなった。
この改質器においては、反応管5の出口で原料炭化水素
の20.3χ、触媒層10出口で原料炭化水素の91.
6χが改質されており、メタノール合成用に適した組成
のガスが得られている。
叉庭桝λ 原料に天然ガスおよび合成装置よりのパージガスを使用
し、本発明の炭化水素反応器によりアンモニア合成用ガ
スを製造した。改質反応器における主な運転条件は次の
通りである。
(1)原料混合ガス 供給圧力    97.5kg/cm”^供給温度  
  550°C 供給量 天然ガス    2300kg−mol/Hr(cH4
H9,5χ、C,H,8,5χ、C,H,1,5χ、N
z O,5χ)合成パージガス 900kg−mol/
Hr(cH,8,5χ、Hz 64.5χ、Nz 21
.5χ、Ar 5.5χ)水蒸気     9203k
g−mol/Hr(2)酸素含有ガス(富酸素空気) 供給圧力    95.5kg/cm”^供給温度  
  550°C 供給量3400kg−mol/Hr (o□ 33.OL  N266.2χ、 八r O9
8χ)(3)反応管5出口 圧力      95.0kg/cm”A温度    
  700°C ガスfl−13724kg−mol/Hr(c0,3,
91χ、COO,90χ、H,20,65χ、CH41
4,35χ、Nz   1.49χ 、 Ar  O,
36χ、 1120 58.31%)(4)触媒層10
出口 圧力      94.0kg/cm2八温度    
  942°C ガス51    19381kg−mol/Hr(co
□5.61χ、Co 6.52χ、H232,03χ、
co41.44χ、N212.67χ 、 八r  0
.40%、  IIzO41,33χ)触媒層10出ロ
ガスは、反応管に熱を供給して、改質器出口19では、
圧力93.6kg/cm2八、温度677゛Cとなった
この改質器においては、反応管5の出口で原料炭化水素
の22.9χ、触媒層10出口では原料炭化水素の89
%以上が改質されでおり、アンモニア合成用に適した組
成のガスが得られている。
(発明の効果) 本発明の炭化水素の改質器では、従来技術における問題
点が次のように解決される。
(1)従来の水蒸気改質法では、外熱式の大型改質炉が
必要であり、アンモニア製造装置においては内熱式部分
酸化法との二基の改質炉が用いられる。
これに対し本発明の改質器は、−,5の内熱式改質炉の
みで対応できる。内熱式改質炉は高圧下での改質反応が
行われるので、改質反応器が非常に小型化され、建設費
が少なくて済む。
(2)本発明の改質器においては部分酸化後の改質ガス
が反応管の加熱媒体となる。このため反応管と加熱媒体
との差圧が小さく、反応管の肉厚が小さくなる。反応管
にはニッケル、クロム、モリブデン、ニオブ等の耐熱性
の高い高価な材料が使用されるので、反応管の肉厚が小
さくなることにより、装置コストが著しく削減される。
(3)従来の水蒸気改質法では反応管の加熱媒体が高温
の燃焼ガスであるので、反応管がI負傷・漏洩した場合
に燃焼爆発の危険がある。これに対し本発明の改質器で
は、部分酸化後の改質ガスが反応管の加熱媒体であるの
で反応管が1員傷・漏洩した場合の危険度が非常に小さ
い。
(4)従来の水蒸気改質法では反応管の上下を支持して
おり、高温の燃焼ガスにさらされるため反応管の熱応力
を吸収するために種々の工夫が施されている。これに対
し本発明の改質器においては反応管および内筒の下端が
固定されておらず、触媒層10の目皿16が酸素供給管
12とスライドするので高温による熱応力の問題が解決
される。
(5)本発明の改質器では部分酸化による発生熱が直接
に水蒸気改質反応に供されるので、部分酸化のための酸
素使用量が減少する。また部分酸化反応により改質ガス
の組成が調整され、メタノール合成用、アンモニア合成
用等、各種用途に応じた組成を得ることができる。
(6)本発明の改質器は内熱式で小型化されるので、放
熱1員失が少なく、従来の水蒸気改質炉にえ較してエネ
ルギー原単位が向上する。また本発明の改質器は小型で
構造が簡単なので設計・製作が容易であり、従来の水蒸
気改質炉に比較してより大型化することができる。
(7)本発明の改質反応器の如く同一容器内で高圧下水
蒸気改質反応と部分酸化反応を行う場合には、狭い容器
内で水1気改質ガスと酸素含有ガスが接触して非常な高
温となるので、特に遊離カーボンが生成し易い、これに
対しては部分酸化室の下部に高温での水蒸気改質反応の
ための触媒層を設けたこと、およびアンモニアやメタノ
ール合成装置より抜出されるパージガス等の水素含有ガ
スを原料の炭化水素と水蒸気に混合することによりこの
カーボン生成が抑制され、炭化水素の改質反応器を長期
間安定して運転することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の炭化水素改質反応器の構造を示す図
である。 1:改質反応器、5:反応管、6:触媒、9:部分酸化
室、10:触媒層、12:酸素供給管、13:分散器、
 14:内筒、 24:加熱用バーナー(起動用)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)水蒸気改質反応および部分酸化反応により炭化水
    素から改質ガスを製造するに際し、 (a)竪型円筒状の改質反応器1の上部に管板2を設置
    して、触媒の充填された複数の反応管5を垂直に懸垂し
    、反応管下端に該反応管群のみを固定する下部管板7を
    設置し、 (b)下部管板7に内筒14を垂直に懸垂し、この内筒
    の上部に該反応器外から導入される酸素供給管12およ
    び分散器13を設置し、 (c)内筒の下部に触媒充填層10を有する反応器であ
    って、 (d)炭化水素と水蒸気の混合ガスを反応管5の上部よ
    り導入して水蒸気改質反応を行い、 (e)酸素供給管12より酸素含有ガスを供給して内筒
    上部で部分酸化反応を行い、 (f)内筒下部の触媒充填層10において水蒸気改質反
    応を行い、 (g)反応ガスは、反応管5の外側を上昇して反応管を
    加熱後、当該反応器より排出されることを特徴とする炭
    化水素の改質反応器
  2. (2)改質反応器の下部に起動用バーナー24を設置し
    た請求項1の炭化水素の改質反応器
  3. (3)水蒸気改質反応および部分酸化反応により炭化水
    素から改質ガスを製造するに際し、炭化水素と水蒸気の
    混合ガスにアンモニアまたはメタノール合成装置より抜
    き出されるパージガスの一部、或いは他の水素含有ガス
    を混合し、圧力10〜150気圧下、同一容器内で水蒸
    気改質反応および部分酸化反応を行う改質反応器に供給
    することを特徴とする炭化水素の改質方法
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